Computer Organization and Embedded System
嵌入式系统电信学院
Chapter 1 basic structure of computers 计算机基结构
In this chapter you will learn about ：章讲学容：
计算机类型
计算机基结构操作
机器指令执行
数字符表示
二进制数加法减法
计算机系统中基性问题
计算机发展简史
11 computer types 计算机类型
Embedded computer 嵌入式计算机：实现特定功目嵌 入具体电子电气设备中计算机系统
Personal computers 计算机：
Servers and Enterprise 服务器企业系统：量户通网络 享计算机型网站服务器等包含型数库等
Supercomputers and system 超级计算机网络计算机：超级计算 机室型机 型工程运算等 天气预报 工程 设计仿真 型计算等科研领域 般成较高网络计 算机成高网络连起进行资源享
12 functional units 功部件：
121 Input Unit 输入设备：键盘鼠标等嵌入式系统中输入输出设备 手机例触摸板耳机扬声器等
122 Memory Unit 存储器
存储器：primary memory 存
缓存：Cache memory
辅助存储器：secondary storage 硬盘
123 Arithmetic and Logic Init 算数逻辑部件：ALU CPU 核心部件 执行算数逻辑运算
124 Output Unit 输出设备：显示器扬声器印机等印机作输 出设备计算机速度匹配问题
125 Control Unit 控制器：部件工作协调控制作CPU 核心 部件运算器控制器组成
计算机执行务流程：
计算机通输出设备程序数形式接受信息然存入存 储器
程序控制存储信息取出送入运算器进行处理
处理结果信息输出设备送出计算机
计算机活动控制器控制（讨： 控制器程序操作系 统区）
13 basic operational concepts 基操作概念：
读取数：Load R2 LOC
处理数：Add R4 R2R3
存储数：Store R4 LOC数覆盖问题解释 解释图 12 词语逻辑关系
14 number representation and arithmetic operations 数字表示算数运算：
141 Integers 整数
原码 ：8421 码
反码：负数位取反整数变 3 表示例
补码：2n数反码+1
1 符号整数加法
2 符号数加法法
3 符号扩展：正数扩展补码表示负数符号扩展：图 15 b） （课 13 页）模 816 例说明
4 正数算术运算溢出：符号相溢出符号相反会溢出
142 FloatingPoint Numbers 浮点数
15 character representation 字符表示：ASCII 美国信息交换标准代码常 字符 ASCII 码
16 performance 性速度素： 指令集硬件 软件设计影响高级语 言转换编译器影响
161 Technology 技术超规模集成电路技术指令执行速度关键 素：电子晶体
晶体处：1）指令更快执行2）芯片 放置更晶体 实现更逻辑功更存储容 量
162 Parallelism 行性
1 指令集行性：流水线技术
2 核处理器：单芯片放置处理单元
3 处理器：计算机系统中包含许处理器处理器 包含核心种系统称处理器计算机系统
17 historical perspective 发展历程
18 concluding remarks 结束语
19 solved problems 问题解析：
例题 12： 程序 500 条指令 中 100 条指令需执行 25 次 估算高速缓存性产生影响 没高速缓存高速缓存执 行时间值加速（speedup）
假设存储器访问需 10 时间高速缓存访问需 1 时间
例题 13： 十进制数转换 5 位补码数 然位进行加法 减法运算指出种情况会发生溢出
Chapter 2 instruction set architecture 指令集体系结构
In this chapter you will learn about ：
机器指令程序执行（execution）
访问寄存器存储器操作数寻址方式（operands）
表 示 机 器 指 令 数 程 序 汇 编 语 言 （assembly representing）
堆栈子程序（subroutines）
21 memory locations and addresses 存储单元址
211 Byte addressability 字节寻址力：解释：位寻址分配址 切实际字节分配址
212 Bigendian and Littleendian assignments 端 分 配 端 分 配
（assignments）：端模式端模式解释图 23 字节字寻 址关系
213 Word alignment 字齐：解释 163264 字长齐含义字 齐处：存储器操作数访问更加高级（第 8 章解释）
214 Accessing numbers and characters 访问数字符：数通常字存 储通字址齐访问单字符通字节址 访问
22 memory operations 存储器操作：存储器操作读写操作
23 instructions and instruction sequencing 指令指令序列：计算机 务系列步骤构成台计算机必须具备够 4 种类型 操作工作：
存储器处理器寄存器间数传输
数算数逻辑运算
程序序列化控制执行
输入输出传送
231 Register transfer notation 寄存器传送标志：构成程序语言
232 Assemblylanguage 汇编语言符号：
233 RISC and CISC Instruction RISC CISC 指令集 ：reduced complex 区
234 Introduction to RISC instruction sets RISC 指令集介绍
RISC 指令集两关键特性：
条指令字长
LoadStore 体系结构
(1) Load Store 指令访问存储器操作 ：
(2) 算数逻辑运算中涉操作数必须处理器寄存器中 者中操作数指令中直接出
完成 C←[A]+[B]必须： Load R1 A
Load R2 B
Add R3 R1 R2
Store R3 C
235 Instruction execution and straightline sequencing 指令执行线性序 列： 面操作指令化 PC 控制序列化执行形成 程序程序存存储器中
236 Branching 程序转移：子程序调实现程序转移
237 Generating memory addresses 生成存储器址：指令执行必须获 操作数获操作数种方式寻址方式
24 addressing modes 寻址方式：RISC 风格寻址方式：
立寻址：immediate ：MOV R0 #100
寄存器寻址：register ：ADD R0 R1 R2
绝寻址：absolute（区相寻址：relative）
应相寻址例子：
BL subroutine1
…
subroutine1 ：
寄存器间接寻址：register indirect ：LDR R0 [R1] STR R2 [R3]
变址寻址：index： 变址寻址相变址加基址寻址种 形式
变址加基址寻址：base with index ：index pointer 区
STR R1 [R2] #4
STR R1 [R2+4]
STR R1 [R2 R3]
堆栈寻址：stack：压栈 push出栈 pop
241 Implementation of variables and constants 变量常数实现：（ 节解释种寻址方式具体方式）
绝寻址例子： 定义全局变量 int num1
加载变量值：Load R1 num1num1 标识符实绝 址
242 indirection and pointers 间接指针： 寄存器间接寻址实实现 指针功
243 Indexing and arrays 变址数组：图 29 出两种变址寻址方式 需理解常量寄存器作偏移量效址二 者
25 assembly language 汇编语言：台计算机0 1 方式表达指 令效率非常低切实际 符号表示模式 符号 编写程序时成助记符 助记符助记符规
集合构成汇编语言助记符描述完整指令程序 规集合成汇编语言语法
251 Assembler directives 汇编指示：汇编程序生成目标程序时需 知道：
样解释名字
存储器什位置存放指令
存储器什位置存放操作数
252 Assembly and execution of programs 程序汇编执行：节作 概念引子简单介绍汇编语言执行流程第 4 章详细讨 问题
253 number notation 数表示：实程序编写中定语法规 十进制数二进制数表示数二进制数写成紧凑 十六进制形式
26 stacks 堆栈：（stack） 种数特殊结构 先进出应种数 结构队列（queue）先进先出堆栈操作专门压栈出站操作
27 subroutines 子程序：涉面两问题
271 Subroutine nesting and the processor stack 子程序嵌套处理器堆栈
嵌套：子程序调子程序做子程序嵌套
堆栈：子程序嵌套达深度（理）堆栈 存带压力车牌识算法项目历解释实际嵌套深 度
272 Parameter passing 参数传递：解释形参实参概念
273 The stack frame 堆栈结构：
程序运行环境堆栈
堆栈栈顶指针计数器 SP 控制：
四中堆栈方式解释：增满增空减满减空
28 additional instructions 指令：
281 Logic instructions 逻辑指令：典型 AND OR NOT 等逻辑操 作AND R1 R2 R3
282 Shift and rotate instruvtion 移位循环移位指令：shifts and rotate
1 逻辑移位：LShiftL （or LShiftR）R0 R1 #2
2 数包示例：digit packing example
BCD 码：BinaryCoded Decimal
讲解图 224 程序序列ASCII 码低 4 BCD码值
3 算数移位 arithmetic：左移右移相 2 2左移补 0右移动补符号位
4 循环移位操作：
283 Multiplication and Division 法法：没法法指令 计算机中加法减法移位循环移位组合完成法 法操作
29 dealing with 32bit immediate values 处理 32 位立数： 解释例子： 32 位数装入寄存器中
210 CISC instruction sets CISC 指令集
RISC CISC 指令集受限制 1）loadstore 体系结构限 制（处理器寄存器操作数执行算术逻辑运算）2） 指令需 存放单字中跨越字
CISC 通常三址指令格式二址格式
例：C←A+B ：
Move C B
Add C A
CISC 处理器中中操作数存储器中必 须寄存器中种情况C←A+B 样完成：
Move Ri A
Add Ri B
Move C Ri
2101 Additional addressing modes 寻址方式：五种基寻址方 式：立寻址寄存器寻址绝寻址间接寻址变址寻址CISC 处理器中通常三种外寻址方式
1 动增量动减量方式： Move ITEM（SP）+ Move （SP）NEWITEM
2 相方式： 变址寻址方式中程序计数器代通寄存器 Ri 获效址
2102 Condition codes 条件码：状态寄存器（status register）记 录程序运行程中状态作续程序执行条件
四常标志：
N：负数标志位
Z：结果零标志位
V：溢出标志
C：进位标志位
211 RISC and CISE styles RISC CISC 风格
RISC 风格指令集特点：
寻址方式简单
条指令放单独字中
寻址方式简单指令集中指令数较少
处理器存储器中操作数进行算数逻辑运算
Loadstore 体系结构允许存储单元直接传输数 单元样传输必须通处理器寄存器
CISC 风格指令集特点：
寻址方式较复杂
指令较复杂条指令跨越字
实现复杂务指令
存储器中操作数处理器寄存器中操作数执行算 数逻辑运算
通 Move 指令存储单元传输数单 元
程序体积般较执行复杂务需指令较少较 复杂
212 example programs 实例程序
2121 Vector dot product program 量点积程序：点积运算实例讲 解图 227 程序程图 228 较
2122 String search program 题：十进制数转换 5 位补码 数然位进行加法减法运算指出种情况会发生溢
出
213 Encoding of machine instructions 机器指令编码：指令格式三种 格式图 232 示三种中OP 码操作码
214 concluding remarks 结束语
215 solved problems 问题解析：
例 21 题[E] 26 写 CISC 风格程序完成题 25 中务
Chapter 3 basic inputoutput 基输入输出
In this chapter you will learn about ：
处理器输入输出（IO）设备间设备传输
程序员角度 IO 传输
轮询方式执行程序控制 IO
IO 传输中中断
31 accessing IO devices 访问 IO 设备
311 IO Device interface IO 设备接口：IO 设备通设备接口电路 连接计算机系统中电路提供便数传输理设备操 作需数传输方式状态控制信息交换方法
312 Programcontrolled IO 程序控制 IO：课文中解释键盘响应输入 存储显示响应程
313 An example of RISCstyle IO program RISC 风格 IO 程序示 例：
图 34 示程序控制 IO 方法读取 存储显示键盘 键入行字符读入时存储存储器中然 回显（echo） 显示器遇回车符 CR 时程序结束存储器 中存储该行字符第字节单元址 LOC寄存器 R2 指部分存储器程序中第条指令址 LOC 进 行初始化设置读取显示字符R2 递增次
（注：b11 表示数键盘键入b21 表示显示器缓存绪 接受数）
314 An example of CISCstyle IO program CISC 风格 IO 程序示 例：
样程序 CISC 实现 CISC 指令集中直接存储 器中操作数执行算数逻辑运算直接进行测试讲 解图 35 程序程解释 RISC
32 interrupts 中断：interrupt [ɪntə＇rʌpt]：通例 31 容结合图 36 解释 中断概念必
321 Enabling and disabling interrupts 中断允许禁止
状态寄存器（status register PS） IE 位表示中断允许禁止IE1 时表示中断允许置 1 开中断
中断响应般程：
1) 设备发出中断请求
2) 处理器中止前正执行程序保存 PC PS 寄存器中容
3) PS 寄存器中 IE 位清零禁止中断
4) 中断服务程序执行中断请求操作 期间 通知设备中断 请求已识然设备撤销中断请求信号
5) 中断服务程序执行结束PC PS 寄存器恢复前保存容 中断程序继续执行
322 Handing multiple devices 处理台设备：
1) 处理器确定设备发出请求
2) 果设备求中断服务程序种情况处理 器样获取适程序起始址
3) 中断正处理时台设备否中断处理器
4) 样处理两更时产生中断请求
轮询方式非常容易实现 缺点： 设没发出 服务请求系统花费时间检查 IRO 位种 供选择方式量中断
1 量中断：
2 中断嵌套
3 时请求：优先级问题
323 Controlling IO device behavior 控制 IO 设备行：中断允许位 IE
324 Processor control registers 处理器控制寄存器：状态寄存器外课 列举 3 中处理器控制寄存器进行处理中断需
325 Example of interrupt programs 中断程序示例
例 32：读取键盘行字符字符存储存储器中然 显示设备显示字符键盘中断方式显示器 轮询方式
讲解图 38 程序容
326 Exceptions 异常：异常指引起中断事件 IO 中 断异常种实
1 错误恢复：指令引起零错误
2 调试：种非常重异常帮助调试程序系统软件 通常包括调试器（debugger） 程序 帮助程序员找 出程序中错误 调试器异常提供两项重功： 踪模式断点第 4 章详细叙述
3 异常操作系统中：操作系统软件职责协调计算机 部活动异常户程序通信控制户程序执 行硬件中断执行 IO 操作第 4 张进行讨
33 concluding remarks 结束语
34 solved problems 问题解析
题[E]34：图 34 中第条 And 指令中检查 KIN 标识时 立数 2图 35 中第条 TestBit 指令中检查 KIN 标识时 立数 1解释两者区求英语回答
Chapter 4 software 软件
In this chapter you will learn about ：
准备运行程序需软件
汇编程序
装载程序
连接程序
编译器
调试器
汇编语言C 语言间交互
操作系统
41 the assembly process 汇编程：
汇编程序扫描源程序时 名字应值记录 符号表中（symbol table）出现名字表中值 换
二遍扫描汇编程序 twopass assembler：二遍扫描汇编程序会产生 完整目标程序
什需二遍扫描？
42 loading and executing object programs 装载执行目标程序： graphical user interface GUI 输入命令
43 the linker 链接程序： 编译连接程
44 libraries 库：通存储器库文件实现子程序次调
45 the compiler 编译器：
451 compiler optimization 编译器优化：
果编译器简单方法高级语言编写源程序编译成 汇编语言程序产生程序执行时间方面 效果编译器技术重排序指令会获较高 性具种功编译器成优化编译器
452 combining programs written in different languages 组合语言编 写程序：嵌入式系统混合语言互相调实现语 言融合图 4 1
46 The debugger 调试器：具调试功编译器
1 trace mode 踪模式：
2 breakpoints 断点：
47 using a highlevel language for io tasks 高级语言实现输入输出 务：
汇编语言高级语言效率： 编写效率执行效率 二者 结合
48 interaction between assembly language and C language 汇编语言 C 语言 交互：
高级语言直接访问处理器控制寄存器 必须汇编语言访问 寄存器编译器允许汇编语言包含高级语言中
C 语言编写程序汇编语言处理中断
49 the operating system 操作系统：嵌入式系统操作系统
10
功稍微复杂嵌入式系统操作系统操作系统负责协调计算机中 活动
491 the bootstrapping process 引导程序：
操作系统部分包括常驻存部分通常存储外部存储 器引导程序操作系统中常驻存部分加载存 中操作系统开始执行计算机资源进行资源理
492 managing execution of application programs 理应程序执行： 中断机制操作系统分配优先级程序切换程 序中止程序实现安全保护功协调IO 活动等
493 use ofinterrupts operation systems 中断操作系统中应：
410 concluding remarks 结束语：
软件系统决定台计算机通性实性关键素程序 员编译器 汇编程序连接程序灵活组合高级语言源文件 汇编语言源文件库文件 生成目标程序必时 高级 语言源文件中嵌入汇编语言指令
操作系统增强计算机功 理协调活动 操作系统务处理应程序行执行活动 充分利计算机硬件资源
problems 题：
references 参考文献：
Chapter 5 basic processing unit 基处理部件（单元）（基信息处理单元）
In this chapter you will learn about ：
处理器执行程序
处理器功部件部件互连
产生控制信号硬件
微程序控制
51 some fundamental concepts 基概念：
条指令取出时处理器控制电路放置指令存储器 （instruction register IR）中指令 IR 中解释译码IR 直 保存该指令直执行完毕
52 instruction execution 指令执行：
521 load instruction 装入指令：
考虑面指令：
Load R5 X（R7）
步骤完成：
1) 取出指令递增程序计数器值
2) 指令进行译码寄存器文件中读取寄存器 R7 容
3) 计算效址
4) 读取存储器中源操作数
5) 操作数装入目寄存器 R5 中
522 arithmetic and logic instructions 算数逻辑运算指令： 算数逻辑指令Load 指令两方面：
两寄存器者中立数
需访问存储器操作数
典型指令：Add R3R4R5
523 store instructions 存储指令： Load 指令类似
53 hardware components 硬件组件：
处理器硬件组织成五阶段 阶段负责执行步骤需 动作
图 5 1 （pp153）
531 register file 寄存器文件 ：快存储区通寄存器寄 存器文件方式实现
532 ALU 算数逻辑单元：进行算数逻辑运算
533 data path 数通路 ：加载存储硬件电路
534 instruction fetch section 取指令部分 ：
PC 控制指令位置操作数位置数通路中 RZ 寄存器控制
54 instruction fetch and execution steps 指令读取执行步骤：
541 branching 转移：
转移指令跳转指令
子程序调指令
542 waiting for memory 等存储器：高速缓存存储器读写速度协 调问题处理器存储器接口电路完成
55 control signals 控制信号：
处理器硬件组件操作控制信号控制 信号决定路复器
选择输入端ALU 执行什操作等
56 hardwired control 硬件控制：
指令读取执行硬件实现程
561 data path control signals 数通路控制信号：数通路硬件控制 程
562 dealing with memory delay 存储器延迟处理：存储器速度协调 控制程
57 CISCstyle processors CISC 风格处理器：
571 an interconnect using buses 总线实现互连： 址总线数总线
冯诺曼结构哈佛结构区
572 micro programmed control 微程序控制：
PC IR 控制程序执行时软方式控制程序 执行存储特殊存储器中程序决定步中控制信 号需设置区分处理器执行程序称微程序存储器 （microprogram memory） 控制存储器（control store）
58 concluding remarks 结束语：
59 solved problems 问题解析： Example 52
作业：阅读理解 example52
Chapter 6 pipelining 流水线技术
In this chapter you will learn about ：
通重叠执行机器指令提高性流水线方式
限制流水线处理器性提升突（hazard）降低突影 响方法
流水线中硬件软件含义
流水线指令集设计影响
超标量处理器
61 basic conceptthe ideal case 基概念理想情况
生产汽车工厂流水线作业：底盘>车身>发动机>
流水线作业思想计算机作业：取指令>译码>计算>访 问存储器>数回写
62 pipeline organization 流水线结构
流水线第时间段程序计数器（PC）提取条新指令 提取指令时 前条指令续时间段务时执行时 间流水线阶段处理指令
ppt ：
63 pipelining issues 流水线问题
理想状态流水线指令间互影响
处阶段指令需硬件时发生突（hazard）处理 办法：等
寄存器发生突：前条指令目标寄存器条指 令源寄存器时前指令等条指令
64 data dependencies 数赖性
考虑两条指令：
Add R2 R3 #100
Subtract R9 R2 #30
结：数赖时流水作业暂停
641 operand forwarding 操作数转发 ：ALU 直接结算结果转发 步计算输入端
642 handing data dependencies in software 软件处理数赖性 ： Add R2 R3 #100
NOP
NOP
NOP
Subtract R9 R2 #30
65 memory delays 存储器延迟
存储器访问产生延迟流水线停顿原 条 Load 指 令需时钟周期存储器中获操作数
Load 指令数赖性流水线停顿原：
Add R2 R3 #100
Subtract R9 R2 #30
R
np S
操作数转发存储器延迟引起停顿影响？
66 branch delays 转移延迟
转移指令会改变指令执行序 转移指令必须先执行 确 定否转移转移里
转移指令流水线什影响？
减轻影响？图 6 10 示转移代价（branch penalty）
661 unconditional branches 条件转移
条件转移指令：提取指令>译码>计算目标址 结果：续两条指令抛弃
处理办法？ （译码阶段）
662 conditional branches 条件转移
相思想：较早确定否转移（译码阶段）
663 the branch delay slot 转移延迟槽 （实现转移代价）
定义转移延迟槽
转移延迟槽中放入必须执行指令：（放入前条数赖性 指令）
转移延迟槽方法什实现？
664 branch prediction 转移预测
处理器预测取出指令转移指令预测结果 确定 第二周期取出条指令
67 resource limitations 资源限制
硬件资源流水线作业限制：
高速缓存：取指令访问存储器需高速缓存Load Store 需高速缓存
解决办法：提供额外硬件资源
68 performance evaluation 性评估 （指令执行时间）
基性公式（basic performance equation）
N S
T
R
N：动态指令数S条指令时钟周期R时钟频率
指令吞吐量：（instruction throughput） n P
流水线级数 n 提高吞吐量？倍
681 effects of stalls and penalties 停顿时间代价影响
682 number pipeline stages 流水线段数
69 superscalar operation 超标量操作
流水线吞吐量时钟周期处理条指令 果配备 执行部件 流水线行执行 种处理器称 发操作（multipleissue）>超标量处理器
691 branches and data dependencies 转移数赖性
692 outoforder execution 序执行
693 execution completion 执行完成
694 dispatch operation 调度操作
610 pipelining in CISC processors CISC 处理器中流水线
RISC 指令字长固定流水线相容易实现
CISC 指令长度变 存储器操作数 寻址方式复杂 流 水线实现困难
6101 pipelining in coldfire processors Cold Fire 处理器中流水线
6102 pipelining in Intel processors Intel 处理器中流水线
611 concluding remarks 结束语
612 examples of solved problems 问题解析
练：A ARM processor works under fivestage pipelining If CPUtime is 4ns for every stage to executing 108 instructions how long CPUtime will be needed Without pipelining how long CPUtime is necessary
已知某 ARM 处理器采 1 条 5 级指令流水线假设 1 级需时间 4ns 该 ARM 处理器执行 100 亿条指令快需少时间？果没流 水线技术需少时间？
解： 根流水线操作原理知5×4＝20ns 快执行 5 条指令 1 条流水线 1 秒钟执行(1000 000 000÷20)×5×125000000025 亿条100 亿条指令快需 100÷2540 秒
Chapter 7 inputoutput organization 输入输出结构
In this chapter you will learn about ：
访问IO 设备需硬件
步异步总线操作
接口电路
商业标准 USB SAS Express
71 bus structure 总线结构
图 7 1时刻源目单元总线传输数 图 72 总线三组线路组成 分址总线数总线控制总 线
72 bus operation 总线操作
总线需组称总线协议（bus protocol）规理种设备 总线 时信息放总线时总线数
装入设备寄存器等规通控制信号实现 数传输时序方式分步异步两种
721 Synchronous bus 步总线 步总线赖时钟周期
722 Asynchronous Bus 异步总线
异步传输赖控设备动设备间握手（handshake）协 议
723 electrical considerations 电气考虑
三态门：指输出般二值逻辑电路正常高电（逻 辑 1）低电（逻辑0）保持特高阻抗状态（HiZ） 处高阻抗状态时输出电阻相开路没逻辑控 制功高阻态意义实际电路中断开电路
电气角度讲实现数控制三态门输出高阻抗状态时会 影响总线信号
73 arbitration 总线仲裁
两设备时需访问定动设备时 需决定设备 首先访问动设备通常仲裁（arbiter） 电路通执行仲裁 程做出决定设备发出享资源请求（request）时启动 仲裁程仲裁者请求分配优先级果时接受两 请求仲裁者动设备权交优先级高请求
74 interface circuits 接口电路
741 parallel interface 行接口
图 7 11键盘接入输入接口：解释逻辑关系
742 serial interface 串行接口：例电话线com 口等特点传输距 离远速度慢
串行接口连接处理器次输入位数 IO 设 备数设备端串行位形式传输处理器端行位 形式传输行串行间转换移位寄存器完成移位寄存 器行存取力
75 interconnection standards 互连标准
751 universal serial bus (USB) 通串行总线
USB 满足目标设计：
提供简单廉价方面互连系统
够满足种 IO 设备特率包括 internet 连接音频视频 应
采插操作模式户操作更加方便
752 fire wire 火线
火线接口 IEEE1394 接口视频采集 INTEL 高 端板数码摄机(DV)移动硬盘见火线（FireWire） 接口苹果公司领导开发联盟开发种高速度传送接口 数传输率般 800Mbps火线（FireWire）苹果公司商标 火线 USB 口传输速率达 400Mbs 36Gbs
USB 初版 15Mbs 12Mbs USB20 高达 480Mbs 753 PCI Bus PCI 总线
PCI Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准）缩
写目前电脑中广泛接口板产 品带种插槽
754 SCSI Bus SCSI 总线
SCSI－型计算机系统接口(Small Computer System Interface) 种较特殊接口总线 具备种类型外设进行通信SCSI 采 ASPI（高级 SCSI 编程接口）标准软件接口驱动器计算 机部安装 SCSI 适配器进行通信SCSI 接口种广泛应 型机高速数传输技术SCSI 接口具应范围广 务带宽CPU 占率低热插拔等优点
755 SATA
SATA 全称 Serial Advanced Technology Attachment （串行高级技 术附件种基行业标准串行硬件驱动器接口） Intel IBM Dell APT Maxtor Seagate 公司提出硬盘接口规
范2001 年 Intel APT Dell IBM 希捷 迈拓厂商 组成 Serial ATA 委员会正式确立 Serial ATA 10 规范年 IDF Fall 会Seagate 宣布 Serial ATA 10 标准正式宣告 SATA 规范确立
756 SAS
SAS SCSI 总线串行实现名字串行连接 连接磁盘 CD DVD 驱动器
757 PCI express
PCI Express 新代总线接口早 2001 年春季英特尔公 司提出新代技术取代 PCI 总线种芯片部连 接称第三代IO 总线技术 2001 年底包括 Intel AMD DELL IBM 20 家业界导公司开始起草新技术 规范 2002 年完成 正式命名 PCI Express采 目前业流行点点串行连接起 PCI 更早期计算机
总线享行架构设备专连接需整
总线请求带宽数传输率提高高频率 达 PCI 提供高带宽
76 concluding remarks 结束语
77 solved problems 问题解析
题：总结章涉种总线英文关键字缩写中文名称
Chapter 8 the memory system 存储器系统
In this chapter you will learn about ：
基存储器电路
存储器组成结构
存储器技术
种 IO 机制直接存储器访问
减少效存储器访问时间高速缓存
增加存储器表现容量虚拟存储器
辅助存储磁盘光盘
81 basic concepts 基概念
计算机寻址方式决定存储器容量：32 位字长计算机 访问址范围：2324G 64 位范围26416E Kilo （103）Mega （106）Giga （109）Tera （1012 ）Peta （1015）Exa （1018）Bronto
（1021 ）
82 semiconductor ram memories 半导体机存储器 机存储器 RAM 读存储器 ROM
821 Internal organization of memory chips 存储器芯片部组织结构
822 static memories 静态存储器
SRAM ：静态存储器双稳态触发器两稳定状态保存信 息双稳态电路存储位二进制代码 0 1块存储芯 片包含许样双稳态电路双稳态电路源器件
需电源工作电源正常长期稳定保存信息 称静态存储器果断电 信息会丢失 属挥发性 存储器称易失性
双稳态电路特点：没外触发信号作电路始 终处原稳定状态外加输入触发信号作 双稳态 电路稳定状态翻转稳定状态具两 稳定状态 称双稳态电路双稳态电路动化控制中 着广泛应
823 dynamic RAMs 动态机存储器
DRAM ： 般计算机系统机存取存(RAM)分动态 (DRAM)静态机存取存(SRAM)两种差异 DRAM 需 存储器控制电路定周期存储器刷新维系数保存 SRAM 数需刷新程电期间数会丢失
824 synchronous DRAMs 步动态机存储器
SDRAM 里面信息保留十毫秒需断刷新状态 里面步指刷新读写时钟系统时钟公 步异步指刷新读写时钟系统时钟 系统时钟指 总线时钟PCI 总线 CPU 外部时钟等等
825 structure of larger memories 容量存储器结构：硬件连接方式 （作求）
83 readonly memories 读存储器
831 ROM： 种非易失性存储器 断电信息会丢失：readonly
20
memory
832 PROM：进行次写操作读存储器programmable
833 EPROM：擦（erasable）PROM进行次读写
EPROM 种具擦功擦进行编程 ROM 存写入前必须先里面容紫外线射 IC 卡透 明视窗方式清掉EPROM 芯片重复擦写入解决 PROM 芯片写入次弊端EPROM 芯片明显特 征正面陶瓷封装开玻璃窗口透该窗口 部集成电路 紫外线透该孔射部芯片擦 数 完成芯片擦操作 EPROM 擦器
EPROM 资料写入专编程器
834 EEPROM ：
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory) 电擦编程读存储器 种掉电数丢失存储芯片
EEPROM 电脑专设备擦已信息重新编程 EEPROM （带电擦写编程读存储器）户更改读存 储器（ROM）通高普通电压作擦重编程（重 写） EPROM 芯片EEPROM 需计算机中取出修改 EEPROM 中计算机时候频繁反复编程 EEPROM 寿命重设计考虑参数EEPROM 种特殊形式闪存应通常电脑中电压擦写重 编程
835 flash memory 闪存：种 EEPROM 类似存储器 U 盘 SD 卡等
84 direct memory access 直接存储器访问
直接存IO 设备（磁盘）间传输数理器 DMA（direct memory access）：解脱 CPU
85 memory hierarchy 存储器层次结构
CPU 核心存储器层次结构：寄存器>高速缓存>二级高 速缓存>存储器>辅助存储器
容量增加速度减均单元成减 86 cache memories 高速缓存
处理器存间速度快存储器
861 mapping function 映射函数
862 replacement algorithms 换算法
863 examples of mapping techniques 映射技术例子
87 performance considerations 性素
871 Hrt rate and miss penalty 命中率失效开销
872 caches on the processor chip 处理器芯片高速缓存
873 other enhancements 改进
88 virtual memory 虚拟存储器
存空间够时 辅助存储器开辟篇空间作虚拟存 逻辑角度讲程序员需关系具体实现
881 address translation
89 memory management requirements 存储器理求
810 secondary storage 辅助存储器
8101 Magnetic hard disks 磁盘
8102 optical disks 光盘
8103 magnetic tape systems 磁带系统
811 concluding remarks 结束语
812 solved problems 问题解析 problems
references
题：Explain the following abbreviations with their full names ： RAM ROM SRAM DRAM PROM EPROM EEPROM DMA
Chapter 9 arithmetic [ə＇rɪθmətɪk]算数运算
In this chapter you will learn about ：
加法器减法器电路
基超前进位逻辑电路高速加法器
符号数法 booth 算法
基进位保留加法高速法器
法运算逻辑电路
符合 IEEE 标准浮点数算数运算
91 addition and subtraction of signed numbers 符号数加减法
图 9 1 4 位符号数 6 7 相加例子：右左单步进行
911 addition and subtraction logic unit 加减法逻辑部件
图 92a
s i 计算方法：三输入端异门：
c i+1 计算方法：计算
全加器：full adder FA
92 design of fast adders 快速加法器设计
两种方法减少加法器延迟 快电子工艺 种 称超前进位网络逻辑门网络
921 carrylook ahead addition 超前进位加法
高位数计算低位进位 等低位先算号 算高位高位等 3 延迟超前进位次性 进位 a0a1a2a3b0b1b2b3 全部表示出直接计算加快 计算速度
93 multiplication ofunsigned numbers 符号数法
图 96a两 n 位符号数积等 2n位
931 array multiplier 阵列法器
思想：图 96b根手工法方式设计阵列法器
932 sequential circuit multiplier 序电路法器
两 n 位数法 n 位加法器序电路中实现 称序电路法器
94 multiplication of signed numbers 符号数法
微处理器芯片中法器进行数字信号处理核心时 微处理器中进行数处理关键部件法器完成次操作周期 基决定微处理器频法器速度面积优化整 CPU 性说非常重加快法器执行速度减少 法器面积必法器算法结构电路具体实现做 深入研究
941 the booth algorithm Booth 算法
枚举法概念：
BBM 思想：
booth 算法思想：
特点：1）高速法计算2）符号数法
原理：法器工作基原理首先生成部分积部分积 相加积
世界数学难题 NP 问题简介：
95 fast multiplication 快速法
951 BitPair recoding of multipliers 数位偶重编码
952 Carrysave addition of summands 求项进位保留加法
953 summand addition tree using 32 reducers 32 简化器求项 加法树
954 summand addition tree suing 42 reducers 42 简化器求项 加法树
955 summary of east multiplication 快速法总结
96 integer division 整数法
97 floatingpoint numbers and operations 浮点数运算
971 arithmetic operation on floatingpoint numbers 浮点数算数运算
972 guard bits and truncation 保护位截取
973 implementing floatingpoint operations 浮点操作实现
98 decimaltobinary conversion
99 concluding remarks
910 solved problems
problems
references
题：91 ：半加器（half adder）组合逻辑电路两输 入 x y两输出 s c分 x y 相加进位
（a ）采二级电路设计半加器
（b）说明两半加器必外部逻辑门实现图 92a 中 全加器
Chapter 10 embedded systems 嵌入式系统
In this chapter you will learn about ：
嵌入式应
嵌入式系统中微控制器
传感器执行器
C 语言控制IO 设备
设计问题
101 examples of embedded systems 嵌入式系统实例
1011 Microwave oven 微波炉 ：
具体规格：手动选择工具级烹调时间等
户关输入输出功：
输入键：数字键（0 9）开启暂停等
液晶显示器形式视化输出 型扬声器产生蜂鸣声
设计角度输入输出功：
输入：操作部件
输出：磁控显示器明等扬声器风扇灯等
软件设计工作：根操作部件输入信息实现输出部件工 作转台控制图 10 1
1012 Digital camera 数码相机 ：
数码相机需处理器微波炉处理器强该 处理器必须执行复杂信号处理功便携式电子设 备电池供电原 处理器功耗低 通常处理器功 耗显示器闪光灯消耗量
复杂信号处理图格式压缩（JPG） 处理等
1013 Home telemetry 家遥测技术
物联网概念：物联网新代信息技术重组成部分英 文名称：The Internet of things顾名思义物联网物 物相连互联网两层意思： 物联网核心基础 然互联网互联网基础延伸扩展网络二 户端延伸扩展物品物品间进行信息交换 通信物联网物物相连互联网物联网通智感 知识技术普适计算广泛应网络融合中 称继计算机互联网世界信息产业发展第三次浪
潮
物联网应中三项关键技术 ：
传感器技术：计算机应中关键技术家知道 目前止绝部分计算机处理数字信号计算机 需传感器模拟信号转换成数字信号计算机处 理
RFID 标签：种传感器技术RFID 技术融合线射频 技术嵌入式技术体综合技术RFID 动识物
品物流理着广阔应前景
嵌入式系统技术：综合计算机软硬件传感器技术集成电 路技术电子应技术体复杂技术十年演变 嵌入式系统特征智终端产品处见 身边 MP3航天航空卫星系统嵌入式系统正改变着 生活 推动着工业生产国防工业发展果物联网 体做简单喻 传感器相眼睛鼻子皮肤 等感官 网络神系统传递信息 嵌入式系统 脑 接收信息进行分类处理例子形象描 述传感器嵌入式系统物联网中位置作
102 microcontroller chips for embedded applications 嵌入式应中微控制 器芯片
市面常处理器芯片：飞思卡尔 68HC11 系列芯片（CISC） ARM 微处理器（RISC）芯片等
103 a simple microcontroller 简单微控制器
1031 Parallel IO interface 行 IO 接口
1032 Serial IO interface 串行 IO 接口
1033 CounterTimer 计数器定时器
1034 InterruptControl Mechanism 中断控制机理
1035 Programming examples 编程实例
考虑务微控制器检测机械设备状态状态 信息四根电线提供二进制信号获该状态 16 值 7 段数码显示 16 进制数
代码解释：图 10 10 代码段（图 3 17 应表高低位 高低电相反）
阴极阳极概念
（伪指令）#define 语句处
数组实现显示转换
程序首先设置端口逻辑关系然循环体中读取数推送 端口显示
104 reaction timera complete example 反应定时器—完整实例
反应系统（reactive system）实例：测试反应时间
两手动钮 Go Stop发光二极三位数数 码
Go 钮系统激活
激活数码设置成 000 LED 关闭
三秒延时LED 开记事程开始
Stop 钮时计时程停止LED 关闭历 时间数码显示
历时间计算出百分秒单位数码显示假 定历时间 10 秒
图 10 13实现功设计必须完成务：
通循环等反复查询Go 钮否
Go 钮PB 10延迟 3 秒开 LED
计数器设置成初始值 0xFFFFFFFF时钟脉中递减计数 程开始
循环等查询 Stop 钮否
Stop 时 LED 关闭停止计数计算历时间
测量出延迟时间转换成 BCD 数发送数码显示
解释图 10 14 代码段
启发学生思考：设计中假定条件：
时钟频率数量级远远满足百分秒精度
执行指令时间远视觉反应时间
105 sensors and actuators 传感器执行器
1051 Sensors 传感器
1) 位置传感器：图 10 15分压原理测出位置传感器
1052 Actuators 执行器：螺线执行器图 10 17
1053 Application example 应实例：家庭供暖恒温控制巡航控制等
106 microcontroller families 微控制器系列
1061 Microcontrollers based on the Intel 8051 基 Intel 8051 微控制 器
1062 Freescale Microcontrollers 飞思卡尔微控制器
1063 ARM Microcontrollers ARM 微控制器
107 design issues 设计问题
1 cost 成
2 IO capability 力
3 size 规格
4 power consumption 功耗
5 OnChip memory 片存储器
6 performance 性
7 software 软件
8 instruction set 指令集
9 development tools 开发工具
10 testability and reliability 测试性性
108 concluding remarks 结束语 problems
references
Chapter 11 systemonachipa case study 片系统—案例研究
In this chapter you will learn about ：
设计 FPGA 芯片实现系统
CAD （计算机辅助设计）工具
参数化模块
典型设计求
111 FPGA implementation FPGA 实现
FPGA 简介：FPGA（Field －Programmable Gate Array）现场 编程门阵列 PAL GAL CPLD 等编程器件基础进 步发展产物作专集成电路（ASIC） 领域中种半定制 电路出现解决定制电路足克服原编程器件 门电路数限缺点
FPGA 开发 ：FPGA 开发相传统 PC单片机开发 FPGA 行运算硬件描述语言实现相 PC 单 片机（冯诺曼结构哈佛结构）序操作区 造成FPGA 开发入门较难目前国专业 FPGA 外协开发厂家 [北京中科鼎桥 ZKDQTECH]等FPGA 开发需顶层设计模块分 层逻辑实现软硬件调试等方面着手
1111 FPGA device FPGA 器件
附录 A 中 FPGA 基结果进行说明FPAG 器件包含 量逻辑元件互连通布线资源通常包含 相数量存储器存储器容量需求太时存储器 实现嵌入式系统中 RAM ROM 部件许FPGA 包含 法器电路该电路 DSP 应中尤
DSP（digital signal processor）种独特微处理器数 字信号处理量信息器件工作原理接收模拟信号转换 0 1 数字信号数字信号进行修改删强化 系统芯片中数字数解译回模拟数实际环境格式 仅具编程性实时运行速度达秒数千万条复杂指 令程序远远超通微处理器数字化电子世界中日益重 电脑芯片强数处理力高运行速度值称道 两特色
1112 Processor choice 处理器选择
处理器核概念 ：
手册查询ARM 处理器
112 computeraided design tools 计算机辅助设计工具
FPAG 期间制造商提供强CAD 工具嵌入式系统 设计变相方便种预先定义模块参数化形式提供 设计者通包含模块制定参数构建满足应求 系统模块：
处理器核
存储器模块接口
行 IO 接口
28
串行 IO 接口
定时器计数器电路
1121 Altera CAD tools 阿尔特拉公司CAD 工具 （作求）
113 alarm clock example 闹钟示例
1131 User＇s view of the system 系统户视图
1132 System definition and generation 系统定义生成
1133 Circuit implementation 电路实现
1134 Application software 应软件
114 concluding remarks 结束语 problems
references
Chapter 12 parallel processing and performance 行处理性
In this chapter you will learn about ：
线程
通处理器图形处理器中量处理
享存储器处理器
享数高速缓存致性
分布式存储系统中消息传递
行编程
性数学建模
121 hardware multithreading 硬件线程
线程 ：Thread ：正系统运行程序进程 进程包含线程 进程整程序者部分程序 动态执行线程组指令集合者程序特殊段 程序里独立执行理解代码运行文 线程基轻量级进程负责单程序里执行务通 常操作系统负责线程调度执行
线程程序中单序控制流程 单程序中时运 行线程完成工作称线程
线程进程区子进程父进程代码数 空间线程享数空间线程执行堆栈程 序计数器执行文 线程节约 CPU 时间发挥利
根具体情况定 线程运行中需计算机存资源 CPU
线程优点：线程占时间长程序中务 放台处理
户界面更加吸引样户点击钮触 发某事件处理弹出进度条显示处理进度
程序运行速度加快
等务实现户输入文件读写网络收发数 等线程较种情况释放珍贵资源 存占等等
硬件线程：处理器包含相寄存器组中 程序计数器（PC）组寄存器专门线 程 线程切换时需保存恢复寄存器容增执行效 率种处理器认硬件线程技术
122 vector (SIMD) processing 量(SIMD)处理
量处理器称阵列处理器够步进行综合数运 算操作数 CPU 属纯量处理器次处理 素量处理器科学计算领域应广泛 80 年代 90 年代数超级计算机基础数商业 CPU 包括 量处理器指令较典型 SIMD视频娱乐控件户电 脑图形硬件中量处理器构架中起关重位
1221 Graphics processing Units （GPUs）图形处理单元
30
123 sharedmemory multiprocessors 享存储器处理器
处理器系统指包含两台台功相处理器处理器 间彼交换数处理器享存 IO 设备控制器 外部设备整硬件系统统操作系统控制处理器程 序间实现作业务程序数组极元素级全面行
1231 Interconnection networks 互连网络
124 cache coherence 高速缓存致性
计算机科学中缓存致性（英语 ：Cache coherence cache coherency）译缓存连贯性缓存调 指保留高速缓存 中享资源保持数致性机制
系统中许设备享存储器资源 高速缓存中数致 会产生问题问题数
CPU 处理机系统中特容易出现
缓存致性分三层级：
进行写入运算时立刻采取措施保证数致性
独立运算假造成数值改变进程 致改变结果
次运算进程会值（ 没致性行）
1241 WriteThrough protocol 直接写协议
1242 WriteBack protocol 写回协议
1243 Snoopy Caches 监听高速缓存
1244 DirectoryBack cache coherence 基目录高速缓存致性
125 messagepassing multicomputers 消息传递计算机
126 parallel programming for multiprocessors 处理器行编程
127 performance modeling 性建模
128 concluding remarks 结束语
problems
references
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Computer Organization and Embedded System
嵌入式系统电信学院
Chapter 1 basic structure of computers 计算机基结构
In this chapter you will learn about ：章讲学容：
计算机类型
计算机基结构操作
机器指令执行
数字符表示
二进制数加法减法
计算机系统中基性问题
计算机发展简史
11 computer types 计算机类型
Embedded computer 嵌入式计算机：实现特定功目嵌 入具体电子电气设备中计算机系统
Personal computers 计算机：
Servers and Enterprise 服务器企业系统：量户通网络 享计算机型网站服务器等包含型数库等
Supercomputers and system 超级计算机网络计算机：超级计算 机室型机 型工程运算等 天气预报 工程 设计仿真 型计算等科研领域 般成较高网络计 算机成高网络连起进行资源享
12 functional units 功部件：
121 Input Unit 输入设备：键盘鼠标等嵌入式系统中输入输出设备 手机例触摸板耳机扬声器等
122 Memory Unit 存储器
存储器：primary memory 存
缓存：Cache memory
辅助存储器：secondary storage 硬盘
123 Arithmetic and Logic Init 算数逻辑部件：ALU CPU 核心部件 执行算数逻辑运算
124 Output Unit 输出设备：显示器扬声器印机等印机作输 出设备计算机速度匹配问题
125 Control Unit 控制器：部件工作协调控制作CPU 核心 部件运算器控制器组成
计算机执行务流程：
计算机通输出设备程序数形式接受信息然存入存 储器
程序控制存储信息取出送入运算器进行处理
处理结果信息输出设备送出计算机
计算机活动控制器控制（讨： 控制器程序操作系 统区）
13 basic operational concepts 基操作概念：
读取数：Load R2 LOC
处理数：Add R4 R2R3
存储数：Store R4 LOC数覆盖问题解释 解释图 12 词语逻辑关系
14 number representation and arithmetic operations 数字表示算数运算：
141 Integers 整数
原码 ：8421 码
反码：负数位取反整数变 3 表示例
补码：2n数反码+1
1 符号整数加法
2 符号数加法法
3 符号扩展：正数扩展补码表示负数符号扩展：图 15 b） （课 13 页）模 816 例说明
4 正数算术运算溢出：符号相溢出符号相反会溢出
142 FloatingPoint Numbers 浮点数
15 character representation 字符表示：ASCII 美国信息交换标准代码常 字符 ASCII 码
16 performance 性速度素： 指令集硬件 软件设计影响高级语 言转换编译器影响
161 Technology 技术超规模集成电路技术指令执行速度关键 素：电子晶体
晶体处：1）指令更快执行2）芯片 放置更晶体 实现更逻辑功更存储容 量
162 Parallelism 行性
1 指令集行性：流水线技术
2 核处理器：单芯片放置处理单元
3 处理器：计算机系统中包含许处理器处理器 包含核心种系统称处理器计算机系统
17 historical perspective 发展历程
18 concluding remarks 结束语
19 solved problems 问题解析：
例题 12： 程序 500 条指令 中 100 条指令需执行 25 次 估算高速缓存性产生影响 没高速缓存高速缓存执 行时间值加速（speedup）
假设存储器访问需 10 时间高速缓存访问需 1 时间
例题 13： 十进制数转换 5 位补码数 然位进行加法 减法运算指出种情况会发生溢出
Chapter 2 instruction set architecture 指令集体系结构
In this chapter you will learn about ：
机器指令程序执行（execution）
访问寄存器存储器操作数寻址方式（operands）
表 示 机 器 指 令 数 程 序 汇 编 语 言 （assembly representing）
堆栈子程序（subroutines）
21 memory locations and addresses 存储单元址
211 Byte addressability 字节寻址力：解释：位寻址分配址 切实际字节分配址
212 Bigendian and Littleendian assignments 端 分 配 端 分 配
（assignments）：端模式端模式解释图 23 字节字寻 址关系
213 Word alignment 字齐：解释 163264 字长齐含义字 齐处：存储器操作数访问更加高级（第 8 章解释）
214 Accessing numbers and characters 访问数字符：数通常字存 储通字址齐访问单字符通字节址 访问
22 memory operations 存储器操作：存储器操作读写操作
23 instructions and instruction sequencing 指令指令序列：计算机 务系列步骤构成台计算机必须具备够 4 种类型 操作工作：
存储器处理器寄存器间数传输
数算数逻辑运算
程序序列化控制执行
输入输出传送
231 Register transfer notation 寄存器传送标志：构成程序语言
232 Assemblylanguage 汇编语言符号：
233 RISC and CISC Instruction RISC CISC 指令集 ：reduced complex 区
234 Introduction to RISC instruction sets RISC 指令集介绍
RISC 指令集两关键特性：
条指令字长
LoadStore 体系结构
(1) Load Store 指令访问存储器操作 ：
(2) 算数逻辑运算中涉操作数必须处理器寄存器中 者中操作数指令中直接出
完成 C←[A]+[B]必须： Load R1 A
Load R2 B
Add R3 R1 R2
Store R3 C
235 Instruction execution and straightline sequencing 指令执行线性序 列： 面操作指令化 PC 控制序列化执行形成 程序程序存存储器中
236 Branching 程序转移：子程序调实现程序转移
237 Generating memory addresses 生成存储器址：指令执行必须获 操作数获操作数种方式寻址方式
24 addressing modes 寻址方式：RISC 风格寻址方式：
立寻址：immediate ：MOV R0 #100
寄存器寻址：register ：ADD R0 R1 R2
绝寻址：absolute（区相寻址：relative）
应相寻址例子：
BL subroutine1
…
subroutine1 ：
寄存器间接寻址：register indirect ：LDR R0 [R1] STR R2 [R3]
变址寻址：index： 变址寻址相变址加基址寻址种 形式
变址加基址寻址：base with index ：index pointer 区
STR R1 [R2] #4
STR R1 [R2+4]
STR R1 [R2 R3]
堆栈寻址：stack：压栈 push出栈 pop
241 Implementation of variables and constants 变量常数实现：（ 节解释种寻址方式具体方式）
绝寻址例子： 定义全局变量 int num1
加载变量值：Load R1 num1num1 标识符实绝 址
242 indirection and pointers 间接指针： 寄存器间接寻址实实现 指针功
243 Indexing and arrays 变址数组：图 29 出两种变址寻址方式 需理解常量寄存器作偏移量效址二 者
25 assembly language 汇编语言：台计算机0 1 方式表达指 令效率非常低切实际 符号表示模式 符号 编写程序时成助记符 助记符助记符规
集合构成汇编语言助记符描述完整指令程序 规集合成汇编语言语法
251 Assembler directives 汇编指示：汇编程序生成目标程序时需 知道：
样解释名字
存储器什位置存放指令
存储器什位置存放操作数
252 Assembly and execution of programs 程序汇编执行：节作 概念引子简单介绍汇编语言执行流程第 4 章详细讨 问题
253 number notation 数表示：实程序编写中定语法规 十进制数二进制数表示数二进制数写成紧凑 十六进制形式
26 stacks 堆栈：（stack） 种数特殊结构 先进出应种数 结构队列（queue）先进先出堆栈操作专门压栈出站操作
27 subroutines 子程序：涉面两问题
271 Subroutine nesting and the processor stack 子程序嵌套处理器堆栈
嵌套：子程序调子程序做子程序嵌套
堆栈：子程序嵌套达深度（理）堆栈 存带压力车牌识算法项目历解释实际嵌套深 度
272 Parameter passing 参数传递：解释形参实参概念
273 The stack frame 堆栈结构：
程序运行环境堆栈
堆栈栈顶指针计数器 SP 控制：
四中堆栈方式解释：增满增空减满减空
28 additional instructions 指令：
281 Logic instructions 逻辑指令：典型 AND OR NOT 等逻辑操 作AND R1 R2 R3
282 Shift and rotate instruvtion 移位循环移位指令：shifts and rotate
1 逻辑移位：LShiftL （or LShiftR）R0 R1 #2
2 数包示例：digit packing example
BCD 码：BinaryCoded Decimal
讲解图 224 程序序列ASCII 码低 4 BCD码值
3 算数移位 arithmetic：左移右移相 2 2左移补 0右移动补符号位
4 循环移位操作：
283 Multiplication and Division 法法：没法法指令 计算机中加法减法移位循环移位组合完成法 法操作
29 dealing with 32bit immediate values 处理 32 位立数： 解释例子： 32 位数装入寄存器中
210 CISC instruction sets CISC 指令集
RISC CISC 指令集受限制 1）loadstore 体系结构限 制（处理器寄存器操作数执行算术逻辑运算）2） 指令需 存放单字中跨越字
CISC 通常三址指令格式二址格式
例：C←A+B ：
Move C B
Add C A
CISC 处理器中中操作数存储器中必 须寄存器中种情况C←A+B 样完成：
Move Ri A
Add Ri B
Move C Ri
2101 Additional addressing modes 寻址方式：五种基寻址方 式：立寻址寄存器寻址绝寻址间接寻址变址寻址CISC 处理器中通常三种外寻址方式
1 动增量动减量方式： Move ITEM（SP）+ Move （SP）NEWITEM
2 相方式： 变址寻址方式中程序计数器代通寄存器 Ri 获效址
2102 Condition codes 条件码：状态寄存器（status register）记 录程序运行程中状态作续程序执行条件
四常标志：
N：负数标志位
Z：结果零标志位
V：溢出标志
C：进位标志位
211 RISC and CISE styles RISC CISC 风格
RISC 风格指令集特点：
寻址方式简单
条指令放单独字中
寻址方式简单指令集中指令数较少
处理器存储器中操作数进行算数逻辑运算
Loadstore 体系结构允许存储单元直接传输数 单元样传输必须通处理器寄存器
CISC 风格指令集特点：
寻址方式较复杂
指令较复杂条指令跨越字
实现复杂务指令
存储器中操作数处理器寄存器中操作数执行算 数逻辑运算
通 Move 指令存储单元传输数单 元
程序体积般较执行复杂务需指令较少较 复杂
212 example programs 实例程序
2121 Vector dot product program 量点积程序：点积运算实例讲 解图 227 程序程图 228 较
2122 String search program 题：十进制数转换 5 位补码 数然位进行加法减法运算指出种情况会发生溢
出
213 Encoding of machine instructions 机器指令编码：指令格式三种 格式图 232 示三种中OP 码操作码
214 concluding remarks 结束语
215 solved problems 问题解析：
例 21 题[E] 26 写 CISC 风格程序完成题 25 中务
Chapter 3 basic inputoutput 基输入输出
In this chapter you will learn about ：
处理器输入输出（IO）设备间设备传输
程序员角度 IO 传输
轮询方式执行程序控制 IO
IO 传输中中断
31 accessing IO devices 访问 IO 设备
311 IO Device interface IO 设备接口：IO 设备通设备接口电路 连接计算机系统中电路提供便数传输理设备操 作需数传输方式状态控制信息交换方法
312 Programcontrolled IO 程序控制 IO：课文中解释键盘响应输入 存储显示响应程
313 An example of RISCstyle IO program RISC 风格 IO 程序示 例：
图 34 示程序控制 IO 方法读取 存储显示键盘 键入行字符读入时存储存储器中然 回显（echo） 显示器遇回车符 CR 时程序结束存储器 中存储该行字符第字节单元址 LOC寄存器 R2 指部分存储器程序中第条指令址 LOC 进 行初始化设置读取显示字符R2 递增次
（注：b11 表示数键盘键入b21 表示显示器缓存绪 接受数）
314 An example of CISCstyle IO program CISC 风格 IO 程序示 例：
样程序 CISC 实现 CISC 指令集中直接存储 器中操作数执行算数逻辑运算直接进行测试讲 解图 35 程序程解释 RISC
32 interrupts 中断：interrupt [ɪntə＇rʌpt]：通例 31 容结合图 36 解释 中断概念必
321 Enabling and disabling interrupts 中断允许禁止
状态寄存器（status register PS） IE 位表示中断允许禁止IE1 时表示中断允许置 1 开中断
中断响应般程：
1) 设备发出中断请求
2) 处理器中止前正执行程序保存 PC PS 寄存器中容
3) PS 寄存器中 IE 位清零禁止中断
4) 中断服务程序执行中断请求操作 期间 通知设备中断 请求已识然设备撤销中断请求信号
5) 中断服务程序执行结束PC PS 寄存器恢复前保存容 中断程序继续执行
322 Handing multiple devices 处理台设备：
1) 处理器确定设备发出请求
2) 果设备求中断服务程序种情况处理 器样获取适程序起始址
3) 中断正处理时台设备否中断处理器
4) 样处理两更时产生中断请求
轮询方式非常容易实现 缺点： 设没发出 服务请求系统花费时间检查 IRO 位种 供选择方式量中断
1 量中断：
2 中断嵌套
3 时请求：优先级问题
323 Controlling IO device behavior 控制 IO 设备行：中断允许位 IE
324 Processor control registers 处理器控制寄存器：状态寄存器外课 列举 3 中处理器控制寄存器进行处理中断需
325 Example of interrupt programs 中断程序示例
例 32：读取键盘行字符字符存储存储器中然 显示设备显示字符键盘中断方式显示器 轮询方式
讲解图 38 程序容
326 Exceptions 异常：异常指引起中断事件 IO 中 断异常种实
1 错误恢复：指令引起零错误
2 调试：种非常重异常帮助调试程序系统软件 通常包括调试器（debugger） 程序 帮助程序员找 出程序中错误 调试器异常提供两项重功： 踪模式断点第 4 章详细叙述
3 异常操作系统中：操作系统软件职责协调计算机 部活动异常户程序通信控制户程序执 行硬件中断执行 IO 操作第 4 张进行讨
33 concluding remarks 结束语
34 solved problems 问题解析
题[E]34：图 34 中第条 And 指令中检查 KIN 标识时 立数 2图 35 中第条 TestBit 指令中检查 KIN 标识时 立数 1解释两者区求英语回答
Chapter 4 software 软件
In this chapter you will learn about ：
准备运行程序需软件
汇编程序
装载程序
连接程序
编译器
调试器
汇编语言C 语言间交互
操作系统
41 the assembly process 汇编程：
汇编程序扫描源程序时 名字应值记录 符号表中（symbol table）出现名字表中值 换
二遍扫描汇编程序 twopass assembler：二遍扫描汇编程序会产生 完整目标程序
什需二遍扫描？
42 loading and executing object programs 装载执行目标程序： graphical user interface GUI 输入命令
43 the linker 链接程序： 编译连接程
44 libraries 库：通存储器库文件实现子程序次调
45 the compiler 编译器：
451 compiler optimization 编译器优化：
果编译器简单方法高级语言编写源程序编译成 汇编语言程序产生程序执行时间方面 效果编译器技术重排序指令会获较高 性具种功编译器成优化编译器
452 combining programs written in different languages 组合语言编 写程序：嵌入式系统混合语言互相调实现语 言融合图 4 1
46 The debugger 调试器：具调试功编译器
1 trace mode 踪模式：
2 breakpoints 断点：
47 using a highlevel language for io tasks 高级语言实现输入输出 务：
汇编语言高级语言效率： 编写效率执行效率 二者 结合
48 interaction between assembly language and C language 汇编语言 C 语言 交互：
高级语言直接访问处理器控制寄存器 必须汇编语言访问 寄存器编译器允许汇编语言包含高级语言中
C 语言编写程序汇编语言处理中断
49 the operating system 操作系统：嵌入式系统操作系统
10
功稍微复杂嵌入式系统操作系统操作系统负责协调计算机中 活动
491 the bootstrapping process 引导程序：
操作系统部分包括常驻存部分通常存储外部存储 器引导程序操作系统中常驻存部分加载存 中操作系统开始执行计算机资源进行资源理
492 managing execution of application programs 理应程序执行： 中断机制操作系统分配优先级程序切换程 序中止程序实现安全保护功协调IO 活动等
493 use ofinterrupts operation systems 中断操作系统中应：
410 concluding remarks 结束语：
软件系统决定台计算机通性实性关键素程序 员编译器 汇编程序连接程序灵活组合高级语言源文件 汇编语言源文件库文件 生成目标程序必时 高级 语言源文件中嵌入汇编语言指令
操作系统增强计算机功 理协调活动 操作系统务处理应程序行执行活动 充分利计算机硬件资源
problems 题：
references 参考文献：
Chapter 5 basic processing unit 基处理部件（单元）（基信息处理单元）
In this chapter you will learn about ：
处理器执行程序
处理器功部件部件互连
产生控制信号硬件
微程序控制
51 some fundamental concepts 基概念：
条指令取出时处理器控制电路放置指令存储器 （instruction register IR）中指令 IR 中解释译码IR 直 保存该指令直执行完毕
52 instruction execution 指令执行：
521 load instruction 装入指令：
考虑面指令：
Load R5 X（R7）
步骤完成：
1) 取出指令递增程序计数器值
2) 指令进行译码寄存器文件中读取寄存器 R7 容
3) 计算效址
4) 读取存储器中源操作数
5) 操作数装入目寄存器 R5 中
522 arithmetic and logic instructions 算数逻辑运算指令： 算数逻辑指令Load 指令两方面：
两寄存器者中立数
需访问存储器操作数
典型指令：Add R3R4R5
523 store instructions 存储指令： Load 指令类似
53 hardware components 硬件组件：
处理器硬件组织成五阶段 阶段负责执行步骤需 动作
图 5 1 （pp153）
531 register file 寄存器文件 ：快存储区通寄存器寄 存器文件方式实现
532 ALU 算数逻辑单元：进行算数逻辑运算
533 data path 数通路 ：加载存储硬件电路
534 instruction fetch section 取指令部分 ：
PC 控制指令位置操作数位置数通路中 RZ 寄存器控制
54 instruction fetch and execution steps 指令读取执行步骤：
541 branching 转移：
转移指令跳转指令
子程序调指令
542 waiting for memory 等存储器：高速缓存存储器读写速度协 调问题处理器存储器接口电路完成
55 control signals 控制信号：
处理器硬件组件操作控制信号控制 信号决定路复器
选择输入端ALU 执行什操作等
56 hardwired control 硬件控制：
指令读取执行硬件实现程
561 data path control signals 数通路控制信号：数通路硬件控制 程
562 dealing with memory delay 存储器延迟处理：存储器速度协调 控制程
57 CISCstyle processors CISC 风格处理器：
571 an interconnect using buses 总线实现互连： 址总线数总线
冯诺曼结构哈佛结构区
572 micro programmed control 微程序控制：
PC IR 控制程序执行时软方式控制程序 执行存储特殊存储器中程序决定步中控制信 号需设置区分处理器执行程序称微程序存储器 （microprogram memory） 控制存储器（control store）
58 concluding remarks 结束语：
59 solved problems 问题解析： Example 52
作业：阅读理解 example52
Chapter 6 pipelining 流水线技术
In this chapter you will learn about ：
通重叠执行机器指令提高性流水线方式
限制流水线处理器性提升突（hazard）降低突影 响方法
流水线中硬件软件含义
流水线指令集设计影响
超标量处理器
61 basic conceptthe ideal case 基概念理想情况
生产汽车工厂流水线作业：底盘>车身>发动机>
流水线作业思想计算机作业：取指令>译码>计算>访 问存储器>数回写
62 pipeline organization 流水线结构
流水线第时间段程序计数器（PC）提取条新指令 提取指令时 前条指令续时间段务时执行时 间流水线阶段处理指令
ppt ：
63 pipelining issues 流水线问题
理想状态流水线指令间互影响
处阶段指令需硬件时发生突（hazard）处理 办法：等
寄存器发生突：前条指令目标寄存器条指 令源寄存器时前指令等条指令
64 data dependencies 数赖性
考虑两条指令：
Add R2 R3 #100
Subtract R9 R2 #30
结：数赖时流水作业暂停
641 operand forwarding 操作数转发 ：ALU 直接结算结果转发 步计算输入端
642 handing data dependencies in software 软件处理数赖性 ： Add R2 R3 #100
NOP
NOP
NOP
Subtract R9 R2 #30
65 memory delays 存储器延迟
存储器访问产生延迟流水线停顿原 条 Load 指 令需时钟周期存储器中获操作数
Load 指令数赖性流水线停顿原：
Add R2 R3 #100
Subtract R9 R2 #30
R
np S
操作数转发存储器延迟引起停顿影响？
66 branch delays 转移延迟
转移指令会改变指令执行序 转移指令必须先执行 确 定否转移转移里
转移指令流水线什影响？
减轻影响？图 6 10 示转移代价（branch penalty）
661 unconditional branches 条件转移
条件转移指令：提取指令>译码>计算目标址 结果：续两条指令抛弃
处理办法？ （译码阶段）
662 conditional branches 条件转移
相思想：较早确定否转移（译码阶段）
663 the branch delay slot 转移延迟槽 （实现转移代价）
定义转移延迟槽
转移延迟槽中放入必须执行指令：（放入前条数赖性 指令）
转移延迟槽方法什实现？
664 branch prediction 转移预测
处理器预测取出指令转移指令预测结果 确定 第二周期取出条指令
67 resource limitations 资源限制
硬件资源流水线作业限制：
高速缓存：取指令访问存储器需高速缓存Load Store 需高速缓存
解决办法：提供额外硬件资源
68 performance evaluation 性评估 （指令执行时间）
基性公式（basic performance equation）
N S
T
R
N：动态指令数S条指令时钟周期R时钟频率
指令吞吐量：（instruction throughput） n P
流水线级数 n 提高吞吐量？倍
681 effects of stalls and penalties 停顿时间代价影响
682 number pipeline stages 流水线段数
69 superscalar operation 超标量操作
流水线吞吐量时钟周期处理条指令 果配备 执行部件 流水线行执行 种处理器称 发操作（multipleissue）>超标量处理器
691 branches and data dependencies 转移数赖性
692 outoforder execution 序执行
693 execution completion 执行完成
694 dispatch operation 调度操作
610 pipelining in CISC processors CISC 处理器中流水线
RISC 指令字长固定流水线相容易实现
CISC 指令长度变 存储器操作数 寻址方式复杂 流 水线实现困难
6101 pipelining in coldfire processors Cold Fire 处理器中流水线
6102 pipelining in Intel processors Intel 处理器中流水线
611 concluding remarks 结束语
612 examples of solved problems 问题解析
练：A ARM processor works under fivestage pipelining If CPUtime is 4ns for every stage to executing 108 instructions how long CPUtime will be needed Without pipelining how long CPUtime is necessary
已知某 ARM 处理器采 1 条 5 级指令流水线假设 1 级需时间 4ns 该 ARM 处理器执行 100 亿条指令快需少时间？果没流 水线技术需少时间？
解： 根流水线操作原理知5×4＝20ns 快执行 5 条指令 1 条流水线 1 秒钟执行(1000 000 000÷20)×5×125000000025 亿条100 亿条指令快需 100÷2540 秒
Chapter 7 inputoutput organization 输入输出结构
In this chapter you will learn about ：
访问IO 设备需硬件
步异步总线操作
接口电路
商业标准 USB SAS Express
71 bus structure 总线结构
图 7 1时刻源目单元总线传输数 图 72 总线三组线路组成 分址总线数总线控制总 线
72 bus operation 总线操作
总线需组称总线协议（bus protocol）规理种设备 总线 时信息放总线时总线数
装入设备寄存器等规通控制信号实现 数传输时序方式分步异步两种
721 Synchronous bus 步总线 步总线赖时钟周期
722 Asynchronous Bus 异步总线
异步传输赖控设备动设备间握手（handshake）协 议
723 electrical considerations 电气考虑
三态门：指输出般二值逻辑电路正常高电（逻 辑 1）低电（逻辑0）保持特高阻抗状态（HiZ） 处高阻抗状态时输出电阻相开路没逻辑控 制功高阻态意义实际电路中断开电路
电气角度讲实现数控制三态门输出高阻抗状态时会 影响总线信号
73 arbitration 总线仲裁
两设备时需访问定动设备时 需决定设备 首先访问动设备通常仲裁（arbiter） 电路通执行仲裁 程做出决定设备发出享资源请求（request）时启动 仲裁程仲裁者请求分配优先级果时接受两 请求仲裁者动设备权交优先级高请求
74 interface circuits 接口电路
741 parallel interface 行接口
图 7 11键盘接入输入接口：解释逻辑关系
742 serial interface 串行接口：例电话线com 口等特点传输距 离远速度慢
串行接口连接处理器次输入位数 IO 设 备数设备端串行位形式传输处理器端行位 形式传输行串行间转换移位寄存器完成移位寄存 器行存取力
75 interconnection standards 互连标准
751 universal serial bus (USB) 通串行总线
USB 满足目标设计：
提供简单廉价方面互连系统
够满足种 IO 设备特率包括 internet 连接音频视频 应
采插操作模式户操作更加方便
752 fire wire 火线
火线接口 IEEE1394 接口视频采集 INTEL 高 端板数码摄机(DV)移动硬盘见火线（FireWire） 接口苹果公司领导开发联盟开发种高速度传送接口 数传输率般 800Mbps火线（FireWire）苹果公司商标 火线 USB 口传输速率达 400Mbs 36Gbs
USB 初版 15Mbs 12Mbs USB20 高达 480Mbs 753 PCI Bus PCI 总线
PCI Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准）缩
写目前电脑中广泛接口板产 品带种插槽
754 SCSI Bus SCSI 总线
SCSI－型计算机系统接口(Small Computer System Interface) 种较特殊接口总线 具备种类型外设进行通信SCSI 采 ASPI（高级 SCSI 编程接口）标准软件接口驱动器计算 机部安装 SCSI 适配器进行通信SCSI 接口种广泛应 型机高速数传输技术SCSI 接口具应范围广 务带宽CPU 占率低热插拔等优点
755 SATA
SATA 全称 Serial Advanced Technology Attachment （串行高级技 术附件种基行业标准串行硬件驱动器接口） Intel IBM Dell APT Maxtor Seagate 公司提出硬盘接口规
范2001 年 Intel APT Dell IBM 希捷 迈拓厂商 组成 Serial ATA 委员会正式确立 Serial ATA 10 规范年 IDF Fall 会Seagate 宣布 Serial ATA 10 标准正式宣告 SATA 规范确立
756 SAS
SAS SCSI 总线串行实现名字串行连接 连接磁盘 CD DVD 驱动器
757 PCI express
PCI Express 新代总线接口早 2001 年春季英特尔公 司提出新代技术取代 PCI 总线种芯片部连 接称第三代IO 总线技术 2001 年底包括 Intel AMD DELL IBM 20 家业界导公司开始起草新技术 规范 2002 年完成 正式命名 PCI Express采 目前业流行点点串行连接起 PCI 更早期计算机
总线享行架构设备专连接需整
总线请求带宽数传输率提高高频率 达 PCI 提供高带宽
76 concluding remarks 结束语
77 solved problems 问题解析
题：总结章涉种总线英文关键字缩写中文名称
Chapter 8 the memory system 存储器系统
In this chapter you will learn about ：
基存储器电路
存储器组成结构
存储器技术
种 IO 机制直接存储器访问
减少效存储器访问时间高速缓存
增加存储器表现容量虚拟存储器
辅助存储磁盘光盘
81 basic concepts 基概念
计算机寻址方式决定存储器容量：32 位字长计算机 访问址范围：2324G 64 位范围26416E Kilo （103）Mega （106）Giga （109）Tera （1012 ）Peta （1015）Exa （1018）Bronto
（1021 ）
82 semiconductor ram memories 半导体机存储器 机存储器 RAM 读存储器 ROM
821 Internal organization of memory chips 存储器芯片部组织结构
822 static memories 静态存储器
SRAM ：静态存储器双稳态触发器两稳定状态保存信 息双稳态电路存储位二进制代码 0 1块存储芯 片包含许样双稳态电路双稳态电路源器件
需电源工作电源正常长期稳定保存信息 称静态存储器果断电 信息会丢失 属挥发性 存储器称易失性
双稳态电路特点：没外触发信号作电路始 终处原稳定状态外加输入触发信号作 双稳态 电路稳定状态翻转稳定状态具两 稳定状态 称双稳态电路双稳态电路动化控制中 着广泛应
823 dynamic RAMs 动态机存储器
DRAM ： 般计算机系统机存取存(RAM)分动态 (DRAM)静态机存取存(SRAM)两种差异 DRAM 需 存储器控制电路定周期存储器刷新维系数保存 SRAM 数需刷新程电期间数会丢失
824 synchronous DRAMs 步动态机存储器
SDRAM 里面信息保留十毫秒需断刷新状态 里面步指刷新读写时钟系统时钟公 步异步指刷新读写时钟系统时钟 系统时钟指 总线时钟PCI 总线 CPU 外部时钟等等
825 structure of larger memories 容量存储器结构：硬件连接方式 （作求）
83 readonly memories 读存储器
831 ROM： 种非易失性存储器 断电信息会丢失：readonly
20
memory
832 PROM：进行次写操作读存储器programmable
833 EPROM：擦（erasable）PROM进行次读写
EPROM 种具擦功擦进行编程 ROM 存写入前必须先里面容紫外线射 IC 卡透 明视窗方式清掉EPROM 芯片重复擦写入解决 PROM 芯片写入次弊端EPROM 芯片明显特 征正面陶瓷封装开玻璃窗口透该窗口 部集成电路 紫外线透该孔射部芯片擦 数 完成芯片擦操作 EPROM 擦器
EPROM 资料写入专编程器
834 EEPROM ：
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory) 电擦编程读存储器 种掉电数丢失存储芯片
EEPROM 电脑专设备擦已信息重新编程 EEPROM （带电擦写编程读存储器）户更改读存 储器（ROM）通高普通电压作擦重编程（重 写） EPROM 芯片EEPROM 需计算机中取出修改 EEPROM 中计算机时候频繁反复编程 EEPROM 寿命重设计考虑参数EEPROM 种特殊形式闪存应通常电脑中电压擦写重 编程
835 flash memory 闪存：种 EEPROM 类似存储器 U 盘 SD 卡等
84 direct memory access 直接存储器访问
直接存IO 设备（磁盘）间传输数理器 DMA（direct memory access）：解脱 CPU
85 memory hierarchy 存储器层次结构
CPU 核心存储器层次结构：寄存器>高速缓存>二级高 速缓存>存储器>辅助存储器
容量增加速度减均单元成减 86 cache memories 高速缓存
处理器存间速度快存储器
861 mapping function 映射函数
862 replacement algorithms 换算法
863 examples of mapping techniques 映射技术例子
87 performance considerations 性素
871 Hrt rate and miss penalty 命中率失效开销
872 caches on the processor chip 处理器芯片高速缓存
873 other enhancements 改进
88 virtual memory 虚拟存储器
存空间够时 辅助存储器开辟篇空间作虚拟存 逻辑角度讲程序员需关系具体实现
881 address translation
89 memory management requirements 存储器理求
810 secondary storage 辅助存储器
8101 Magnetic hard disks 磁盘
8102 optical disks 光盘
8103 magnetic tape systems 磁带系统
811 concluding remarks 结束语
812 solved problems 问题解析 problems
references
题：Explain the following abbreviations with their full names ： RAM ROM SRAM DRAM PROM EPROM EEPROM DMA
Chapter 9 arithmetic [ə＇rɪθmətɪk]算数运算
In this chapter you will learn about ：
加法器减法器电路
基超前进位逻辑电路高速加法器
符号数法 booth 算法
基进位保留加法高速法器
法运算逻辑电路
符合 IEEE 标准浮点数算数运算
91 addition and subtraction of signed numbers 符号数加减法
图 9 1 4 位符号数 6 7 相加例子：右左单步进行
911 addition and subtraction logic unit 加减法逻辑部件
图 92a
s i 计算方法：三输入端异门：
c i+1 计算方法：计算
全加器：full adder FA
92 design of fast adders 快速加法器设计
两种方法减少加法器延迟 快电子工艺 种 称超前进位网络逻辑门网络
921 carrylook ahead addition 超前进位加法
高位数计算低位进位 等低位先算号 算高位高位等 3 延迟超前进位次性 进位 a0a1a2a3b0b1b2b3 全部表示出直接计算加快 计算速度
93 multiplication ofunsigned numbers 符号数法
图 96a两 n 位符号数积等 2n位
931 array multiplier 阵列法器
思想：图 96b根手工法方式设计阵列法器
932 sequential circuit multiplier 序电路法器
两 n 位数法 n 位加法器序电路中实现 称序电路法器
94 multiplication of signed numbers 符号数法
微处理器芯片中法器进行数字信号处理核心时 微处理器中进行数处理关键部件法器完成次操作周期 基决定微处理器频法器速度面积优化整 CPU 性说非常重加快法器执行速度减少 法器面积必法器算法结构电路具体实现做 深入研究
941 the booth algorithm Booth 算法
枚举法概念：
BBM 思想：
booth 算法思想：
特点：1）高速法计算2）符号数法
原理：法器工作基原理首先生成部分积部分积 相加积
世界数学难题 NP 问题简介：
95 fast multiplication 快速法
951 BitPair recoding of multipliers 数位偶重编码
952 Carrysave addition of summands 求项进位保留加法
953 summand addition tree using 32 reducers 32 简化器求项 加法树
954 summand addition tree suing 42 reducers 42 简化器求项 加法树
955 summary of east multiplication 快速法总结
96 integer division 整数法
97 floatingpoint numbers and operations 浮点数运算
971 arithmetic operation on floatingpoint numbers 浮点数算数运算
972 guard bits and truncation 保护位截取
973 implementing floatingpoint operations 浮点操作实现
98 decimaltobinary conversion
99 concluding remarks
910 solved problems
problems
references
题：91 ：半加器（half adder）组合逻辑电路两输 入 x y两输出 s c分 x y 相加进位
（a ）采二级电路设计半加器
（b）说明两半加器必外部逻辑门实现图 92a 中 全加器
Chapter 10 embedded systems 嵌入式系统
In this chapter you will learn about ：
嵌入式应
嵌入式系统中微控制器
传感器执行器
C 语言控制IO 设备
设计问题
101 examples of embedded systems 嵌入式系统实例
1011 Microwave oven 微波炉 ：
具体规格：手动选择工具级烹调时间等
户关输入输出功：
输入键：数字键（0 9）开启暂停等
液晶显示器形式视化输出 型扬声器产生蜂鸣声
设计角度输入输出功：
输入：操作部件
输出：磁控显示器明等扬声器风扇灯等
软件设计工作：根操作部件输入信息实现输出部件工 作转台控制图 10 1
1012 Digital camera 数码相机 ：
数码相机需处理器微波炉处理器强该 处理器必须执行复杂信号处理功便携式电子设 备电池供电原 处理器功耗低 通常处理器功 耗显示器闪光灯消耗量
复杂信号处理图格式压缩（JPG） 处理等
1013 Home telemetry 家遥测技术
物联网概念：物联网新代信息技术重组成部分英 文名称：The Internet of things顾名思义物联网物 物相连互联网两层意思： 物联网核心基础 然互联网互联网基础延伸扩展网络二 户端延伸扩展物品物品间进行信息交换 通信物联网物物相连互联网物联网通智感 知识技术普适计算广泛应网络融合中 称继计算机互联网世界信息产业发展第三次浪
潮
物联网应中三项关键技术 ：
传感器技术：计算机应中关键技术家知道 目前止绝部分计算机处理数字信号计算机 需传感器模拟信号转换成数字信号计算机处 理
RFID 标签：种传感器技术RFID 技术融合线射频 技术嵌入式技术体综合技术RFID 动识物
品物流理着广阔应前景
嵌入式系统技术：综合计算机软硬件传感器技术集成电 路技术电子应技术体复杂技术十年演变 嵌入式系统特征智终端产品处见 身边 MP3航天航空卫星系统嵌入式系统正改变着 生活 推动着工业生产国防工业发展果物联网 体做简单喻 传感器相眼睛鼻子皮肤 等感官 网络神系统传递信息 嵌入式系统 脑 接收信息进行分类处理例子形象描 述传感器嵌入式系统物联网中位置作
102 microcontroller chips for embedded applications 嵌入式应中微控制 器芯片
市面常处理器芯片：飞思卡尔 68HC11 系列芯片（CISC） ARM 微处理器（RISC）芯片等
103 a simple microcontroller 简单微控制器
1031 Parallel IO interface 行 IO 接口
1032 Serial IO interface 串行 IO 接口
1033 CounterTimer 计数器定时器
1034 InterruptControl Mechanism 中断控制机理
1035 Programming examples 编程实例
考虑务微控制器检测机械设备状态状态 信息四根电线提供二进制信号获该状态 16 值 7 段数码显示 16 进制数
代码解释：图 10 10 代码段（图 3 17 应表高低位 高低电相反）
阴极阳极概念
（伪指令）#define 语句处
数组实现显示转换
程序首先设置端口逻辑关系然循环体中读取数推送 端口显示
104 reaction timera complete example 反应定时器—完整实例
反应系统（reactive system）实例：测试反应时间
两手动钮 Go Stop发光二极三位数数 码
Go 钮系统激活
激活数码设置成 000 LED 关闭
三秒延时LED 开记事程开始
Stop 钮时计时程停止LED 关闭历 时间数码显示
历时间计算出百分秒单位数码显示假 定历时间 10 秒
图 10 13实现功设计必须完成务：
通循环等反复查询Go 钮否
Go 钮PB 10延迟 3 秒开 LED
计数器设置成初始值 0xFFFFFFFF时钟脉中递减计数 程开始
循环等查询 Stop 钮否
Stop 时 LED 关闭停止计数计算历时间
测量出延迟时间转换成 BCD 数发送数码显示
解释图 10 14 代码段
启发学生思考：设计中假定条件：
时钟频率数量级远远满足百分秒精度
执行指令时间远视觉反应时间
105 sensors and actuators 传感器执行器
1051 Sensors 传感器
1) 位置传感器：图 10 15分压原理测出位置传感器
1052 Actuators 执行器：螺线执行器图 10 17
1053 Application example 应实例：家庭供暖恒温控制巡航控制等
106 microcontroller families 微控制器系列
1061 Microcontrollers based on the Intel 8051 基 Intel 8051 微控制 器
1062 Freescale Microcontrollers 飞思卡尔微控制器
1063 ARM Microcontrollers ARM 微控制器
107 design issues 设计问题
1 cost 成
2 IO capability 力
3 size 规格
4 power consumption 功耗
5 OnChip memory 片存储器
6 performance 性
7 software 软件
8 instruction set 指令集
9 development tools 开发工具
10 testability and reliability 测试性性
108 concluding remarks 结束语 problems
references
Chapter 11 systemonachipa case study 片系统—案例研究
In this chapter you will learn about ：
设计 FPGA 芯片实现系统
CAD （计算机辅助设计）工具
参数化模块
典型设计求
111 FPGA implementation FPGA 实现
FPGA 简介：FPGA（Field －Programmable Gate Array）现场 编程门阵列 PAL GAL CPLD 等编程器件基础进 步发展产物作专集成电路（ASIC） 领域中种半定制 电路出现解决定制电路足克服原编程器件 门电路数限缺点
FPGA 开发 ：FPGA 开发相传统 PC单片机开发 FPGA 行运算硬件描述语言实现相 PC 单 片机（冯诺曼结构哈佛结构）序操作区 造成FPGA 开发入门较难目前国专业 FPGA 外协开发厂家 [北京中科鼎桥 ZKDQTECH]等FPGA 开发需顶层设计模块分 层逻辑实现软硬件调试等方面着手
1111 FPGA device FPGA 器件
附录 A 中 FPGA 基结果进行说明FPAG 器件包含 量逻辑元件互连通布线资源通常包含 相数量存储器存储器容量需求太时存储器 实现嵌入式系统中 RAM ROM 部件许FPGA 包含 法器电路该电路 DSP 应中尤
DSP（digital signal processor）种独特微处理器数 字信号处理量信息器件工作原理接收模拟信号转换 0 1 数字信号数字信号进行修改删强化 系统芯片中数字数解译回模拟数实际环境格式 仅具编程性实时运行速度达秒数千万条复杂指 令程序远远超通微处理器数字化电子世界中日益重 电脑芯片强数处理力高运行速度值称道 两特色
1112 Processor choice 处理器选择
处理器核概念 ：
手册查询ARM 处理器
112 computeraided design tools 计算机辅助设计工具
FPAG 期间制造商提供强CAD 工具嵌入式系统 设计变相方便种预先定义模块参数化形式提供 设计者通包含模块制定参数构建满足应求 系统模块：
处理器核
存储器模块接口
行 IO 接口
28
串行 IO 接口
定时器计数器电路
1121 Altera CAD tools 阿尔特拉公司CAD 工具 （作求）
113 alarm clock example 闹钟示例
1131 User＇s view of the system 系统户视图
1132 System definition and generation 系统定义生成
1133 Circuit implementation 电路实现
1134 Application software 应软件
114 concluding remarks 结束语 problems
references
Chapter 12 parallel processing and performance 行处理性
In this chapter you will learn about ：
线程
通处理器图形处理器中量处理
享存储器处理器
享数高速缓存致性
分布式存储系统中消息传递
行编程
性数学建模
121 hardware multithreading 硬件线程
线程 ：Thread ：正系统运行程序进程 进程包含线程 进程整程序者部分程序 动态执行线程组指令集合者程序特殊段 程序里独立执行理解代码运行文 线程基轻量级进程负责单程序里执行务通 常操作系统负责线程调度执行
线程程序中单序控制流程 单程序中时运 行线程完成工作称线程
线程进程区子进程父进程代码数 空间线程享数空间线程执行堆栈程 序计数器执行文 线程节约 CPU 时间发挥利
根具体情况定 线程运行中需计算机存资源 CPU
线程优点：线程占时间长程序中务 放台处理
户界面更加吸引样户点击钮触 发某事件处理弹出进度条显示处理进度
程序运行速度加快
等务实现户输入文件读写网络收发数 等线程较种情况释放珍贵资源 存占等等
硬件线程：处理器包含相寄存器组中 程序计数器（PC）组寄存器专门线 程 线程切换时需保存恢复寄存器容增执行效 率种处理器认硬件线程技术
122 vector (SIMD) processing 量(SIMD)处理
量处理器称阵列处理器够步进行综合数运 算操作数 CPU 属纯量处理器次处理 素量处理器科学计算领域应广泛 80 年代 90 年代数超级计算机基础数商业 CPU 包括 量处理器指令较典型 SIMD视频娱乐控件户电 脑图形硬件中量处理器构架中起关重位
1221 Graphics processing Units （GPUs）图形处理单元
30
123 sharedmemory multiprocessors 享存储器处理器
处理器系统指包含两台台功相处理器处理器 间彼交换数处理器享存 IO 设备控制器 外部设备整硬件系统统操作系统控制处理器程 序间实现作业务程序数组极元素级全面行
1231 Interconnection networks 互连网络
124 cache coherence 高速缓存致性
计算机科学中缓存致性（英语 ：Cache coherence cache coherency）译缓存连贯性缓存调 指保留高速缓存 中享资源保持数致性机制
系统中许设备享存储器资源 高速缓存中数致 会产生问题问题数
CPU 处理机系统中特容易出现
缓存致性分三层级：
进行写入运算时立刻采取措施保证数致性
独立运算假造成数值改变进程 致改变结果
次运算进程会值（ 没致性行）
1241 WriteThrough protocol 直接写协议
1242 WriteBack protocol 写回协议
1243 Snoopy Caches 监听高速缓存
1244 DirectoryBack cache coherence 基目录高速缓存致性
125 messagepassing multicomputers 消息传递计算机
126 parallel programming for multiprocessors 处理器行编程
127 performance modeling 性建模
128 concluding remarks 结束语
problems
references
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