計算機組成原理

《計算機組成原理》系統地介紹了計算機的基本組成原理和內部工作機制。《計算機組成原理》共分8章，主要內容分成兩個部分：第1、2章介紹了計算機的基礎知識；第3～8章介紹了計算機的各子系統（包括運算器、存儲器、控制器、外部設備和輸入輸齣子系統等）的基本組成原理、設計方法、相互關係以及各子系統互相連接構成整機系統的技術。

《計算機組成原理》講述了計算機的一般原理，並注意到與實際應用相結合。全書內容由淺入深，每章之後均附有習題，便於自學。

蔣本珊北京理工大學計算機科學技術學院教授，主要研究方向是嵌入式片上系統（SOPC）、軟硬體協同設計。主講“計算機組成原理”等課程二十餘年，具有豐富的教學經驗，多次獲得北京市和北京理工大學教學優秀成果獎，被評為三育人和師德先進個人。正式出版教材和教學參考書十餘本，其中1本被評為北京市精品教材，3本入選教育部普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。主持和參與科研項目5項，主持教學改革立項1項，其中主持開發的計算機組成實驗多媒體教學軟體榮獲北京市高教學會優秀軟體二等獎。

根據教育部“高等學校計算機科學與技術專業規範”組織編寫

與美國ACM和IEEEComputingCurricula2005同步

《計算機組成原理》特色

《計算機組成原理》以馮·諾依曼計算機模型為出發點，介紹單機系統範圍內計算機的組織結構和工作原理。主要特色如下：

內容覆蓋了教育部“高等學校計算機科學與技術專業規範”對本課程所列知識體系中的全部核心單元及部分選修單元。

既強調計算機的基本概念和基礎知識，又注重與實際應用相結合，並注意反映當代的最新技術。

按照橫向方式組織課程實例，而不拘泥於某一種具體的機型，以減少局限性。

注意由淺入深、循序漸進，概念講解清楚、通俗易懂。

配套學習資源齊全，形成了比較完整的教材教學體系。

第1章概論1

1.1電子計算機與存儲程序控制1

1.1.1電子計算機的發展1

1.1.2存儲程序概念2

1.2計算機的硬體組成3

1.2.1計算機的主要部件4

1.2.2計算機的匯流排結構5

1.2.3大、中型計算機的典型結構7

1.2.4不同對象觀察到的計算機硬體系統7

1.2.5馮？諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想9

1.3計算機系統10

1.3.1硬體與軟體的關係10

1.3.2系列機和軟體兼容11

1.3.3計算機系統的多層次結構12

1.3.4實際機器和虛擬機器13

1.4計算機的工作過程和主要性能指標13

1.4.1計算機的工作過程13

1.4.2計算機的主要性能指標14

習題16

第2章數據的機器層次表示17

2.1數值數據的表示17

2.1.1計算機中的數值數據17

2.1.2無符號數和帶符號數18

2.1.3原碼錶示法18

2.1.4補碼錶示法19

2.1.5反碼錶示法21

2.1.63種機器數的比較與轉換22

2.2機器數的定點表示與浮點表示23

2.2.1定點表示法23

2.2.2浮點表示法25

2.2.3浮點數階碼的移碼錶示法27

2.2.4定點。浮點表示法與定點。浮點計算機29

2.2.5浮點數尾數的基數30

2.2.6實用浮點數舉例31

2.3非數值數據的表示33

2.3.1字元和字元串的表示33

2.3.2漢字的表示35

2.3.3統一代碼38

2.4十進位數和數串的表示39

2.4.1十進位數的編碼39

2.4.2十進位數串41

2.5現代微型計算機系統中的數據表示舉例42

2.6數據校驗碼44

2.6.1奇偶校驗碼44

2.6.2海明校驗碼46

2.6.3循環冗餘校驗碼50

習題52

第3章指令系統55

3.1指令格式55

3.1.1機器指令的基本格式55

3.1.2地址碼結構56

3.1.3指令的操作碼58

3.2定址技術61

3.2.1編址方式61

3.2.2指令定址和數據定址62

3.2.3基本的數據定址方式63

3.2.4變型或組合定址方式69

3.3堆棧與堆棧操作71

3.3.1堆棧結構71

3.3.2堆棧操作73

3.4指令類型74

3.4.1數據傳送類指令74

3.4.2運算類指令75

3.4.3程序控制類指令76

3.4.4輸入輸出類指令78

3.4.580x86指令系統舉例78

3.5指令系統的發展82

3.5.1x86架構的擴展指令集82

3.5.2從複雜指令系統到精簡指令系統83

3.5.3VLIW和EPIC83

習題85

第4章數值的機器運算88

4.1基本算術運算的實現88

4.1.1加法器88

4.1.2進位的產生和傳遞90

4.1.3并行加法器的快速進位90

4.2定點加減運算93

4.2.1原碼加減運算93

4.2.2補碼加減運算94

4.2.3補碼的溢出判斷與檢測方法96

4.2.4補碼定點加減運算的實現99

4.3帶符號數的移位和舍入操作99

4.3.1帶符號數的移位操作100

4.3.2帶符號數的舍入操作101

4.4定點乘法運算102

4.4.1原碼一位乘法102

4.4.2補碼一位乘法104

4.4.3補碼兩位乘法108

4.4.4陣列乘法器110

4.5定點除法運算111

4.5.1原碼除法運算111

4.5.2補碼除法運算114

4.5.3陣列除法器118

4.6規格化浮點運算118

4.6.1浮點加減運算119

4.6.2浮點乘除運算121

4.6.3浮點運算器的實現123

4.7十進位整數的加法運算123

4.7.1一位十進位加法運算123

4.7.2十進位加法器125

4.7.3多位十進位加法126

4.8邏輯運算與實現127

4.9運算器的基本組成與實例129

4.9.1運算器結構129

4.9.2ALU舉例131

4.9.3浮點運算器舉例133

習題135

第5章存儲系統和結構138

5.1存儲系統的組成138

5.1.1存儲器分類138

5.1.2存儲系統層次結構140

5.2主存儲器的組織141

5.2.1主存儲器的基本結構141

5.2.2主存儲器的存儲單元142

5.2.3主存儲器的主要技術指標143

5.2.4數據在主存中的存放144

5.3半導體隨機存儲器和只讀存儲器145

5.3.1RAM記憶單元電路146

5.3.2動態RAM的刷新148

5.3.3RAM晶元分析151

5.3.4半導體只讀存儲器154

5.3.5半導體存儲器的封裝156

5.4主存儲器的連接與控制156

5.4.1主存容量的擴展157

5.4.2存儲晶元的地址分配和片選159

5.4.3主存儲器和CPU的連接161

5.4.4主存的校驗163

5.4.5PC系列微型計算機的存儲器介面164

5.5提高主存讀寫速度的技術168

5.5.1主存與CPU速度的匹配168

5.5.2FPMDRAM168

5.5.3EDODRAM169

5.5.4SDRAM169

5.5.5DDRSDRAM170

5.5.6DDR2SDRAM和DDR3SDRAM171

5.5.7RambusDRAM171

5.5.8雙通道內存技術172

5.6多體交叉存儲技術..173

5.6.1并行訪問存儲器173

5.6.2交叉訪問存儲器173

5.7高速緩衝存儲器175

5.7.1高速緩存工作原理175

5.7.2Cache的讀寫操作176

5.7.3地址映像177

5.7.4替換演演算法177

5.7.5更新策略179

5.7.6PC機中Cache技術的實現179

5.8虛擬存儲器180

5.8.1虛擬存儲器的基本概念180

5.8.2頁式虛擬存儲器181

5.8.3段式虛擬存儲器182

5.8.4段頁式虛擬存儲器183

5.8.5快表與慢表183

習題184

第6章中央處理器187

6.1中央處理器的功能和組成187

6.1.1CPU的功能187

6.1.2CPU中的主要寄存器187

6.1.3CPU的組成189

6.1.4CPU的主要技術參數190

6.2控制器的組成和實現方法192

6.2.1控制器的基本組成193

6.2.2控制器的硬體實現方法194

6.3時序系統與控制方式195

6.3.1時序系統196

6.3.2控制方式198

6.3.3指令運行的基本過程199

6.3.4指令的微操作序列200

6.4微程序控制原理202

6.4.1微程序控制的基本概念202

6.4.2微指令編碼法204

6.4.3微程序控制器的組成和工作過程206

6.4.4微程序入口地址的形成208

6.4.5後繼微地址的形成208

6.4.6微程序設計209

6.5控制單元的設計212

6.5.1簡單的CPU模型212

6.5.2組合邏輯控制單元設計215

6.5.3微程序控制單元設計220

6.6流水線技術223

6.6.1重疊控制223

6.6.2先行控制原理224

6.6.3流水工作原理225

6.7精簡指令系統計算機227

6.7.1RISC的特點和優勢227

6.7.2RISC基本技術229

6.8微處理器中的新技術230

6.8.1超標量和超流水線技術230

6.8.2EPIC的指令級并行處理230

6.8.3超線程技術231

6.8.4雙核與多核技術231

習題233

第7章外部設備237

7.1外部設備概述237

7.1.1外部設備的分類237

7.1.2外部設備的地位和作用238

7.2磁介質存儲器的性能和原理239

7.2.1磁介質存儲器的讀寫239

7.2.2磁介質存儲器的技術指標241

7.2.3數字磁記錄方式242

7.2.4編碼方式的比較245

7.3磁介質存儲設備246

7.3.1硬碟存儲器的基本結構與分類246

7.3.2硬碟驅動器247

7.3.3硬碟的信息分佈和磁碟地址248

7.3.4硬碟存儲器的技術參數249

7.3.5硬碟的分區域記錄252

7.3.6硬碟的NCQ技術252

7.3.7軟磁碟存儲器253

7.4磁碟陣列254

7.4.1RAID簡介255

7.4.2RAID的分級255

7.5光碟存儲器257

7.5.1光碟存儲器的類型257

7.5.2光碟存儲器的組成及工作原理257

7.5.3光碟驅動器260

7.5.4DVD261

7.6新型輔助存儲器262

7.6.1大容量可移動存儲器262

7.6.2快閃記憶體卡和USB電子盤265

7.7鍵盤輸入設備266

7.7.1鍵開關與鍵盤類型266

7.7.2鍵盤掃描267

7.7.3微型計算機鍵盤268

7.8其他輸入設備271

7.8.1滑鼠器271

7.8.2其他定位設備272

7.8.3掃描儀272

7.9列印輸出設備275

7.9.1印表機概述275

7.9.2印表機的主要性能指標276

7.9.3針式印表機工作原理276

7.9.4噴墨印表機工作原理278

7.9.5激光印表機工作原理280

7.10顯示設備281

7.10.1顯示器概述281

7.10.2CRT顯示器281

7.10.3字元顯示器的工作原理285

7.10.4圖形顯示器的工作原理288

7.10.5LCD顯示器290

7.10.6視頻顯示標準292

7.10.7微型計算機的顯示適配器294

習題294

第8章輸入輸出系統297

8.1主機與外設的連接297

8.1.1輸入輸出介面297

8.1.2介面的功能和基本組成298

8.1.3外設的識別與埠定址300

8.1.4輸入輸出信息傳送控制方式302

8.2程序查詢方式及其介面303

8.2.1程序查詢方式304

8.2.2程序查詢方式介面305

8.3中斷系統和程序中斷方式307

8.3.1中斷的基本概念307

8.3.2中斷請求和中斷判優310

8.3.3中斷響應和中斷處理313

8.3.4多重中斷與中斷屏蔽317

8.3.5中斷全過程321

8.3.6程序中斷介面結構322

8.4DMA方式及其介面323

8.4.1DMA方式的基本概念323

8.4.2DMA介面324

8.4.3DMA傳送方法與傳送過程328

8.5通道控制方式330

8.5.1通道的基本概念330

8.5.2通道的類型與結構331

8.5.3通道程序334

8.5.4通道工作過程337

8.6匯流排技術337

8.6.1匯流排通信控制338

8.6.2匯流排管理339

8.6.3匯流排類型和匯流排標準342

8.6.4I/O介面標準344

習題348

索引351

參考文獻

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