計算機組成原理

本書系統地介紹了計算機單機系統的組成結構與工作原理，包括計算機系統概述、運算方法和運算器、存儲系統、指令系統、中央處理器、總線系統以及輸入/輸出系統，引入了最新主存儲器、CPU總線、存儲總線、I/O總線，以及RISCV指令系統等內容。

本書兼顧理論性、應用性和實踐性：理論和概念講解具象化，並精心設計大量針對性的例題和習題；引入應用案例揭示計算機專業課程之間的內在聯繫；引導讀者利用所學知識來解釋、解決計算機應用問題。本書所述的組成結構和原理，向上歸結為方法論，向下則延伸到實際應用，深入淺出，融會貫通，以期達到易懂、實用、生動和有趣的目的。

本書可作為高等院校計算機及相關專業本科生的教材，也可作為研究生備考、成人自學考試以及大專院校學生的參考用書，還可供計算機研發人員參考。 ^[1] 

目錄

第1章計算機系統概述1

1.1計算機的發展歷程1

1.1.1計算機的起源1

1.1.2計算機的發展簡史2

1.1.3計算機硬件發展的特點和規律3

1.1.4計算機的形態和分類4

1.1.5丘奇圖靈論題6

1.2計算機的基本組成6

1.2.1馮·諾依曼計算機原型6

1.2.2計算機硬件組成和工作原理8

1.2.3個人計算機的物理結構12

1.2.4計算機軟件分類13

1.3計算機系統的層級結構13

1.3.1計算機系統的層級結構概述13

1.3.2計算機體系結構和計算機組成14

1.3.3計算機硬件和軟件的邏輯等價性15

1.4計算機系統的性能指標16

1.5本章小結18

習題19

第2章運算方法和運算器21

2.1數據信息和二進制編碼21

2.1.1數據信息21

2.1.2進位計數制22

2.2數據的編碼表示25

2.2.1符號位的表示25

2.2.2定點數表示29

2.2.3浮點數表示31

2.2.4十進制數的表示35

2.2.5非數值數據的表示36

2.2.6數據的寬度和存儲順序41

2.3數據的校驗43

2.3.1奇偶校驗43

2.3.2海明校驗*45

2.3.3循環冗餘校驗46

2.4定點運算和定點運算器47

2.4.1定點數的加、減法運算48

2.4.2定點數的乘、除法運算52

2.4.3邏輯運算53

2.4.4定點運算器55

2.5浮點運算和浮點運算器60

2.5.1浮點數的加、減法運算60

2.5.2浮點數的乘、除法運算66

2.5.3浮點運算器66

2.5.4浮點運算流水線67

2.6本章小結68

習題70

第3章存儲系統73

3.1存儲器概述73

3.1.1存儲器容量單位73

3.1.2存儲器的分類74

3.1.3存儲器的多級結構76

3.2半導體存儲器77

3.2.1隨機讀寫存儲器77

3.2.2微型計算機內存79

3.2.3只讀存儲器81

3.3主存儲器83

3.3.1主存儲器技術指標83

3.3.2主存儲器的基本組成84

3.3.3主存儲器擴展86

3.4高速存儲器92

3.4.1雙端口存儲器92

3.4.2單體多字存儲器93

3.4.3多模塊存儲器94

3.4.4相聯存儲器97

3.5高速緩衝存儲器98

3.5.1cache的基本原理98

3.5.2cache主存地址映射方式102

3.5.3替換策略107

3.5.4寫操作策略107

3.6虛擬存儲器108

3.6.1虛擬存儲器的基本原理108

3.6.2頁式虛擬存儲器109

3.6.3段式虛擬存儲器110

3.6.4段頁式虛擬存儲器111

3.6.5快表111

3.6.6內頁表和外頁表112

3.6.7CPU訪存過程總結112

3.6.8替換算法113

3.7本章小結114

習題115

第4章指令系統119

4.1指令系統概述119

4.1.1機器指令和指令系統119

4.1.2指令系統的設計要求119

4.2指令格式120

4.2.1指令的組成120

4.2.2操作碼121

4.2.3地址碼121

4.2.4二地址指令類型123

4.3指令字長和指令助記符124

4.3.1指令字長124

4.3.2定長指令和不定長指令125

4.3.3指令助記符125

4.4指令種類126

4.4.1指令操作種類126

4.4.2操作數風格分類127

4.5尋址方式128

4.5.1指令尋址方式128

4.5.2操作數尋址方式129

4.6RISC技術136

4.7指令系統實例138

4.7.1ARM指令系統138

4.7.2RISCV指令系統141

4.8本章小結145

習題146

第5章中央處理器148

5.1CPU的功能和組成148

5.1.1CPU的功能148

5.1.2CPU的基本組成149

5.1.3CPU中的主要寄存器151

5.1.4操作控制器和時序發生器153

5.2CPU的工作過程153

5.2.1指令的執行過程153

5.2.2指令週期154

5.2.3數據通路159

5.2.4時序信號和時序發生器165

5.2.5控制方式166

5.3操作控制器167

5.3.1組合邏輯控制器167

5.3.2微程序控制器169

5.3.3硬佈線邏輯控制器與微程序控制器的比較174

5.4流水線技術174

5.4.1並行處理技術概述174

5.4.2流水線技術概述175

5.4.3流水線中的冒險處理180

5.5本章小結183

習題184

第6章總線系統187

6.1總線系統概述187

6.1.1總線的基本概念187

6.1.2總線的特性及其標準化189

6.1.3總線性能指標190

6.2總線結構191

6.2.1總線內部結構191

6.2.2總線接口193

6.2.3總線的連接方式193

6.3總線控制與通信197

6.3.1總線控制方式197

6.3.2總線通信方式199

6.3.3信息傳送方式200

6.4總線系統實例201

6.4.1微型計算機多總線結構202

6.4.2微型計算機總線介紹203

6.5本章小結205

習題206

第7章輸入/輸出系統208

7.1外圍設備的分類和特點208

7.1.1外圍設備的基本結構208

7.1.2外圍設備的分類209

7.1.3外圍設備的特點209

7.1.4常見的輸入/輸出設備209

7.1.5外部存儲器212

7.2I/O接口217

7.2.1I/O接口的功能和基本結構217

7.2.2I/O編址方式219

7.3輸入/輸出控制方式220

7.4程序中斷方式222

7.4.1中斷的基本概念222

7.4.2I/O中斷的產生和執行222

7.4.3中斷源和中斷分級223

7.4.4程序中斷的接口電路224

7.5DMA方式227

7.5.1DMA的基本概念227

7.5.2基本的DMA控制器229

7.5.3選擇型DMA控制器和多路型DMA控制器232

7.6本章小結234

習題235

參考文獻237 ^[1]