計算機組成原理

本書包含計算機系統概論、計算機組成設計實現基礎、系統總線及其I/O接口、運算器及其設計實現、主存儲器及其組織實現、控制器及其設計實現、輸入輸出系統及其操作控制和並行處理及其實現體系結構等共8章，可分為三部分：第1章和第2章為第一部分，討論計算機組成設計實現的基礎；第3～7章為第二部分，討論計算機組成部件的設計實現；第8章為第三部分，介紹並行處理及其實現的體系結構。

目錄

第1章計算機系統概論/1

1.1計算機及其發展與應用1

1.1.1計算機及其功能特點1

1.1.2計算機發展的歷史2

1.1.3未來計算機的發展6

1.1.4計算機應用7

1.2計算機的結構原理9

1.2.1計算機的工作原理9

1.2.2馮·諾依曼計算機體系結構12

1.2.3計算機功能部件簡介15

1.3計算機組成實現與性能分類17

1.3.1計算機組成與計算機實現17

1.3.2計算機組成層次與互連17

1.3.3計算機的主要性能指標18

1.3.4計算機的分類19

1.4計算機系統及其軟件21

1.4.1計算機系統及其軟硬件等效性21

1.4.2計算機軟件的分類22

1.4.3計算機系統的層次性23

複習題24

練習題25

第2章計算機組成設計實現基礎/26

2.1數據表示與指令系統概述26

2.1.1數據表示與二進制編碼26

2.1.2非數值數據編碼27

2.1.3線性結構數據表示33

2.1.4指令系統及其發展34

2.2數值數據表示36

2.2.1數值數據表示的相關概念37〖1〗計算機組成原理目錄[3]〖3〗

2.2.2數值數據的表示格式39

2.2.3定點數的編碼及其數值範圍41

2.2.4定點機器數的比較與轉換47

2.2.5定點機器數符號擴展50

2.2.6浮點數的編碼與數值範圍50

2.3數據校驗的編譯碼與實現54

2.3.1數據校驗及其基本思想55

2.3.2奇偶校驗碼56

2.3.3海明校驗碼59

2.3.4循環冗餘校驗碼63

2.4指令格式與指令功能分類69

2.4.1指令格式及其結構類型69

2.4.2指令系統的設計要求與功能分類74

2.4.3數據傳輸指令76

2.4.4運算操作指令78

2.4.5程序控制指令79

2.5尋址方式與堆棧81

2.5.1尋址方式及其分類81

2.5.2指令尋址方式82

2.5.3操作數尋址方式83

2.5.4堆棧及其尋址實現89

複習題94

練習題96

第3章系統總線及其I/O接口/100

3.1總線的基本概念100

3.1.1總線及其電路100

3.1.2總線的分類101

3.1.3總線的特性與性能指標103

3.1.4總線事務與數據傳送方式104

3.2系統總線特性與連接結構106

3.2.1數據交換過程與傳輸線分類106

3.2.2總線通信的定時方式107

3.2.3串行傳送的通信方式111

3.2.4總線仲裁及其仲裁方法112

3.2.5單機系統的連接方式117

3.3系統總線I/O接口120

3.3.1I/O接口及其分類120

3.3.2I/O接口的功能與結構模型121

3.3.3串行接口123

3.3.4並行接口126

3.4實用標準總線及其I/O接口128

3.4.1實用標準總線的發展歷程128

3.4.2主流實用總線標準簡介131

3.4.3典型實用接口標準簡介135

複習題141

練習題142

第4章運算器及其設計實現/143

4.1二進制基本加法器及其進位邏輯143

4.1.1二進制基本加法器與串行加法器143

4.1.2並行加法器及其串行進位145

4.1.3先行進位及其層級分時147

4.2定點數加減運算及其邏輯實現154

4.2.1補碼加減的運算方法154

4.2.2補碼加減運算上溢判斷方法158

4.2.3補碼加減運算的邏輯實現163

4.2.4移碼加減運算及其邏輯實現164

4.2.5十進制加運算及其邏輯實現167

4.3定點數乘運算及其邏輯實現170

4.3.1乘法器種類與手工運算的改進170

4.3.2有符號數的移位與舍入規則172

4.3.3原碼一位乘法及其邏輯實現173

4.3.4補碼一位乘法及其邏輯實現177

4.3.5兩位乘運算方法180

4.3.6陣列乘法器185

4.4定點數除運算及其邏輯實現188

4.4.1除法器種類與手工運算的改進188

4.4.2原碼除法及其邏輯實現190

4.4.3補碼除法及其邏輯實現193

4.4.4陣列除法器199

4.5浮點數算術運算方法與邏輯運算實現201

4.5.1浮點數加減運算方法201

4.5.2浮點數乘除運算方法204

4.5.3邏輯運算及其實現207

4.6運算器組成及其組織結構208

4.6.1算術邏輯運算單元與部件209

4.6.2SN74181 ALU集成電路芯片211

4.6.3定點運算器組成及其組織結構213

4.6.4浮點運算器組成結構215

複習題216

練習題218

第5章主存儲器及其組織實現/221

5.1存儲器與存儲系統的概述221

5.1.1存儲器的訪問與性能221

5.1.2存儲器的分類及其結構222

5.1.3存儲系統及其組織結構224

5.1.4二級結構存儲系統及其比較228

5.1.5半導體存儲器芯片的一般結構229

5.2MOS寫常態存儲器芯片233

5.2.1靜態存儲器芯片的結構原理233

5.2.2動態存儲器芯片的結構原理236

5.2.3靜態存儲器芯片的讀寫週期241

5.2.4動態MOS存儲器的刷新245

5.2.5動態MOS存儲器的新技術249

5.3只讀與混合MOS存儲器芯片251

5.3.1只讀MOS存儲器芯片的結構原理251

5.3.2混合MOS存儲器芯片的結構原理254

5.3.3半導體存儲器芯片的特性與引腳255

5.4主存儲器及其容量擴展組織257

5.4.1主機及其存儲器的組成結構257

5.4.2主存儲器的數據存放方法259

5.4.3主存儲器模塊的組織262

5.4.4主存儲器實現及其與CPU的連接269

5.5主存儲器帶寬擴展組織279

5.5.1主存儲器性能提高的技術途徑279

5.5.2雙端口存儲器280

5.5.3單體多字存儲器282

5.5.4多體多字存儲器283

複習題288

練習題290

第6章控制器及其設計實現/293

6.1控制器功能結構與實現方法293

6.1.1中央處理器的功能與結構293

6.1.2中央處理器中的寄存器295

6.1.3中央處理器的主要性能指標298

6.1.4控制器的功能與結構299

6.1.5控制信號序列發生器的實現方法302

6.2指令處理的數據通路、微操作與微命令304

6.2.1指令處理流程及其狀態轉換304

6.2.2指令處理的數據通路及其微操作306

6.2.3模型機及其微命令309

6.3時序信號體系及其控制實現315

6.3.1指令週期及其時段劃分315

6.3.2控制器時序控制317

6.3.3CPU內部時序信號體系319

6.3.4時序信號產生器322

6.4微程序設計技術326

6.4.1微指令及其基本格式327

6.4.2微程序及其與指令、微指令的關係329

6.4.3微命令的編碼方法331

6.4.4微指令格式的類型334

6.4.5微程序運行的控制方法336

6.4.6微程序設計341

6.5硬佈線控制器與微程序控制器346

6.5.1硬佈線控制器346

6.5.2微程序控制器348

6.5.3微程序控制器與硬佈線控制器的比較350

6.6控制信號序列發生器設計351

6.6.1模型機指令及其控制信號序列351

6.6.2組合邏輯控制信號序列發生器設計355

6.6.3存儲邏輯控制信號序列發生器設計359

複習題364

練習題365

第7章輸入輸出系統及其操作控制/371

7.1輸入輸出系統概述371

7.1.1外圍設備的分類與特性371

7.1.2輸入輸出系統及其結構功能373

7.1.3輸入輸出的過程與指令374

7.1.4輸入輸出控制的發展歷程374

7.1.5輸入輸出系統的工作方式376

7.2中斷及其實現的結構原理378

7.2.1中斷與中斷源378

7.2.2中斷請求381

7.2.3中斷響應383

7.2.4中斷服務返回與中斷過程結構388

7.3輸入輸出操作的控制方式391

7.3.1程序查詢控制方式392

7.3.2程序中斷控制方式395

7.3.3直接存儲訪問控制方式398

7.3.4通道控制方式404

7.4輸入設備407

7.4.1鍵盤407

7.4.2掃描儀411

7.4.3數碼相機412

7.4.4其他輸入設備415

7.5輸出設備417

7.5.1打印機417

7.5.2顯示器421

7.6存儲設備429

7.6.1磁表面存儲器429

7.6.2硬磁盤存儲器432

7.6.3冗餘磁盤陣列435

7.6.4光盤存儲器441

複習題444

練習題446

第8章並行處理及其實現體系結構/450

8.1並行處理及其體系結構概論450

8.1.1並行性與並行處理450

8.1.2並行處理體系結構的由來452

8.1.3現代計算機體系結構特點與分類455

8.1.4並行計算機及其形成過程456

8.2流水線處理機457

8.2.1流水線的基本概念457

8.2.2先行控制及其實現結構461

8.2.3流水線處理機的分類463

8.2.4基於硬件指令高度並行技術464

8.2.5基於軟件指令高度並行技術468

8.2.6向量高度並行處理技術470

8.3陣列處理機473

8.3.1操作模型與處理單元結構473

8.3.2陣列處理機的體系結構475

8.3.3陣列處理機的特點與算法475

8.4多處理機478

8.4.1多處理機的提出及其組織形式478

8.4.2多處理機存儲器的組織模型479

8.4.3多處理機的通信與訪存模型482

8.4.4多處理機的分類與特點483

8.4.5多處理機操作系統的類型486

8.5多核處理器與多線程技術487

8.5.1多核與多核處理器487

8.5.2多核處理器產生的緣由489

8.5.3多線程與超線程490

8.5.4多核多線程492

複習題493

練習題494

參考文獻/496