《計算機組成原理》系統地講述了計算機最基本的組成和工作原理、分析方法和設計技術，以及有關的先進技術和在計算機組成方面的最新進展。全書共分8章。第1章計算機系統概論主要講述計算機的發展歷程、計算機系統的層次結構及組成、計算機的工作過程、性能、分類和應用。第2章運算方法和運算器主要講述數值數據和非數值數據的表示方法、定點數與浮點數的運算方法和運算器以及數據校驗碼。第3章存儲系統主要講述存儲器的基本概念、半導體存儲器、多模塊交叉存儲器、相聯存儲器、Cache存儲器以及虛擬存儲器。第4章指令系統主要講述指令和數據的尋址方式、指令格式的分析與設計以及CISC和RISC的基本概念。第5章中央處理器主要講述CPU的功能和組成、時序產生器、微程序控制器、硬連線控制器、流水線技術以及提高單機系統指令級并行性的措施。第6章總線結構主要講述總線的基本概念、總線仲裁和總線通信以及總線標準。第7章輸入/輸出設備主要講述典型輸入/輸出設備的工作原理和常見的性能指標。第8章輸入/輸出系統主要講述輸入/輸出系統的基本概念、I/O接口的功能和基本結構以及I/O設備的數據傳送控制方式。每章針對各主要知識點給出了大量的例題和習題，附錄A給出了部分習題的參考答案。
《計算機組成原理》可作為高等院校普通本科計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程和信息技術等專業的教材，也可作為應用型本科相關專業的教材。
“計算機組成原理”是計算機科學與技術一級學科各專業必修的一門專業公共基礎課，它以計算機單機系統為研究對象，主要介紹計算機硬件的基本組成、工作原理和邏輯設計。
本書根據高等學校計算機科學與技術專業公共基礎課“計算機組成原理”的核心知識體系和研究生入學考試全國統考大綱的要求編寫而成，較為全面地介紹了計算機系統中各部件的內部工作原理、組成結構、邏輯設計以及相互連接方式，以便讓讀者建立計算機系統整機的概念。通過對基礎理論和基礎知識的講述，讓讀者能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統中的理論和實際問題進行計算、分析和設計。本書內容豐富、取材先進，在闡述計算機的基本組成和工作原理的基礎上，力圖給出設計方法和實例，以幫助讀者更好地理解一些比較抽象的概念。
本書在編寫上具有四個特色：第一，基礎性強，知識結構合理，教材內容組織符合《高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范（試行）》和研究生入學考試全國統考大綱的要求；第二，取材先進，在計算機的發展趨勢、指令系統的發展、提高單機系統指令級并行性的措施、總線標準等章節中引入了近幾年來較新的計算機技術；第三，符合計算學科的認知理論，注重實踐能力的培養，教材在內容的設置上依據了人們在計算學科領域的認識規律，即從感性認識（抽象）到理性認識（理論），再由理性認識（理論）回到實踐（設計）；第四，每章針對各主要知識點給出了大量的例題，解題過程詳細，思路清晰，有助于對基本理論、基本方法的理解。各章節后的習題附有部分參考答案，有助于讀者自學。
本書中有關cPU的設計電路已通過EDA軟件設計驗證。在保持CPU整體結構不變的前提下，通過擴展指令系統、設計新的指令格式和尋址方式、增加通用寄存器的個數、更新操作控制器的設計等，可設計各類功能強弱不同的CPU，并通過運行機器語言源程序來驗證CPU設計的正確性。此部分可作為該課程的綜合實踐性環節，通過讓學生自己做來增強其實踐動手能力。
第1章 計算機系統概論1
1.1 計算機發展歷程1
1.1.1 馮·諾依曼型計算機的特點和功能1
1.1.2 計算機的發展歷史3
1.1.3 計算機的發展趨勢5
1.2 計算機系統的層次結構及計算機組成6
1.2.1 計算機系統的層次結構6
1.2.2 計算機系統結構和計算機組成9
1.3 計算機系統的組成9
1.3.1 計算機的硬件系統10
1.3.2 計算機的軟件系統13
1.3.3 計算機硬件與軟件的邏輯等價性14
1.4 計算機的工作過程14
1.4.1 使用計算機求解的一個簡單例子15
1.4.2 計算機工作過程16
1.5 計算機性能18
1.5.1 計算機性能的衡量尺度18
1.5.2 反映計算機性能的參數19
1.5.3 性能因子CPI19
1.5.4 計算機性能常用指標20
1.6 計算機的分類和應用21
1.6.1 計算機的分類21
1.6.2 計算機的應用24
本章小結27
習題128
第2章 運算方法和運算器30
2.1 數值數據的表示方法30
2.1.1 數據格式30
2.1.2 數的機器碼表示34
2.2 非數值數據的表示方法39
2.2.1 字符數據的表示39
2.2.2 漢字的表示40
2.3 定點加法.減法運算41
2.3.1 補碼加法.減法41
2.3.2 原碼加法.減法49
2.3.3 移碼加法.減法52
2.3.4 十進制加法器53
2.4 定點乘法運算54
2.4.1 原碼一位乘法54
2.4.2 補碼一位乘法56
2.4.3 陣列乘法器61
2.5 定點除法運算70
2.5.1 原碼一位除法70
2.5.2 補碼一位除法73
2.5.3 陣列除法器75
2.6 邏輯運算和移位運算78
2.6.1 邏輯運算78
2.6.2 移位運算80
2.7 定點運算器的組成與結構83
2.7.1 多功能算術邏輯運算單元84
2.7.2 定點運算器89
2.8 浮點運算方法和浮點運算器92
2.8.1 浮點加法.減法運算93
2.8.2 浮點乘法.除法運算95
2.8.3 浮點運算器舉例98
2.9 數據校驗碼100
2.9.1 奇偶校驗碼101
2.9.2 海明校驗碼101
2.9.3 循環冗余校驗碼104
本章小結107
習題2108
第3章 存儲系統113
3.1 存儲器概述113
3.1.1 存儲器的分類113
3.1.2 存儲器的層次結構114
3.1.3 主存儲器的主要技術指標115
3.2 半導體隨機讀寫存儲器115
3.2.1 SRAM116
3.2.2 DRAM119
3.3 半導體只讀存儲器123
3.3.1 半導體只讀存儲器的分類123
3.3.2 EPROM存儲器芯片實例124
3.4 半導體存儲器的容量擴展126
3.4.1 位擴展126
3.4.2 字擴展127
3.4.3 字位擴展127
3.5 高速存儲器130
3.5.1 雙端口RAM130
3.5.2 多模塊交叉存儲器132
3.5.3 相聯存儲器134
3.6 Cache存儲器136
3.6.1 Cache的功能.基本原理與性能參數136
3.6.2 多層次Cache存儲器139
3.6.3 Cache的地址映像與變換140
3.6.4 Cache的替換算法145
3.6.5 Cache的取算法145
3.6.6 Cache的寫策略146
3.7 虛擬存儲器147
3.7.1 虛擬存儲器的基本概念147
3.7.2 頁式虛擬存儲器148
3.7.3 段式虛擬存儲器149
3.7.4 段頁式虛擬存儲器150
3.7.5 虛擬存儲器的替換算法151
本章小結152
習題3153
第4章 指令系統156
4.1 指令系統的發展與性能要求156
4.1.1 指令系統的發展156
4.1.2 對指令系統性能的要求157
4.1.3 計算機語言158
4.2 指令格式158
4.2.1 地址碼159
4.2.2 操作碼160
4.2.3 指令字長與機器字長的關系163
4.2.4 指令格式舉例164
4.3 指令和數據的尋址方式166
4.3.1 指令的尋址方式166
4.3.2 操作數的尋址方式166
4.3.3 指令格式的分析與設計173
4.4 典型指令176
4.4.1 指令的分類176
4.4.2 RISC指令系統實例SUNSPARC178
4.4.3 Pentium指令系統181
4.5 CISC和RISC188
4.5.1 CISC188
4.5.2 RISC188
4.5.3 退耦的CISC/RISC191
4.5.4 后RISC192
本章小結193
習題4194
第5章 中央處理器198
5.1 CPU的功能和組成198
5.1.1 CPU的功能198
5.1.2 CPU的基本組成199
5.1.3 CPU中的主要寄存器200
5.1.4 操作控制器和時序產生器202
5.2 指令周期203
5.2.1 指令周期的基本概念203
5.2.2 MOV指令的指令周期206
5.2.3 LAD指令的指令周期207
5.2.4 ADD指令的指令周期209
5.2.5 INC指令的指令周期210
5.2.6 DEC指令的指令周期211
5.2.7 JNZ指令的指令周期212
5.2.8 STO指令的指令周期213
5.2.9 JMP指令的指令周期214
5.2.10 用方框圖語言表示指令周期214
5.3 時序產生器和控制方式218
5.3.1 時序信號的作用和體制218
5.3.2 多級時序系統219
5.3.3 時序信號產生器220
5.3.4 控制方式222
5.4 微程序控制器223
5.4.1 微指令和微程序223
5.4.2 微程序控制器的組成和工作原理227
5.4.3 微程序設計舉例229
5.5 微程序設計技術232
5.5.1 微命令的編碼方法232
5.5.2 微地址的形成方法235
5.5.3 微指令格式236
5.5.4 微程序控制器的設計方法239
5.6 硬連線控制器240
5.6.1 硬連線控制器的組成和工作原理240
5.6.2 典型指令的指令周期流程圖241
5.6.3 硬連線控制器的設計方法243
5.6.4 硬連線控制與微程序控制的比較243
5.7 流水線技術244
5.7.1 并行性的基本概念244
5.7.2 并行處理技術245
5.7.3 流水線的工作原理.特點及分類246
5.7.4 相關問題及解決方法248
5.7.5 流水線的性能分析252
5.8 提高單機系統指令級并行性（ILP）的措施255
5.8.1 超標量處理機和VLIW體系結構255
5.8.2 超流水處理機257
5.8.3 超標量超流水處理機258
5.8.4 EPIC技術259
5.9 現代微處理器舉例260
5.9.1 Pentium4處理器260
5.9.2 UltraSPARCⅢCu處理器266
本章小結271
習題5272
第6章 總線結構276
6.1 總線的基本概念276
6.1.1 總線的特性276
6.1.2 總線的標準化277
6.1.3 總線的分類277
6.1.4 總線的性能278
6.1.5 單機系統的總線結構279
6.2 總線仲裁和總線通信281
6.2.1 總線仲裁281
6.2.2 總線通信285
6.3 總線舉例290
6.3.1 ISA總線290
6.3.2 PCI總線293
6.3.3 PCI Express總線302
6.3.4 通用串行總線USB308
本章小結311
習題6312
第7章 輸入/輸出設備313
7.1 輸入設備313
7.1.1 鍵盤313
7.1.2 鼠標314
7.2 輸出設備315
7.2.1 顯示器315
7.2.2 打印機317
7.3 輔助存儲器320
7.3.1 輔助存儲器的種類與技術指標321
7.3.2 磁盤322
7.3.3 Flash存儲器326
7.3.4 RAID盤327
7.3.5 光盤存儲器328
本章小結330
習題7331
第8章 輸入/輸出系統332
8.1 輸入/輸出系統概述332
8.1.1 I/O接口的概念及功能332
8.1.2 輸入/輸出設備的編址333
8.1.3 I/O設備的數據傳送控制方式334
8.2 程序中斷方式337
8.2.1 中斷的基本概念337
8.2.2 中斷處理339
8.2.3 多重中斷341
8.3 DMA方式344
8.3.1 DMA的基本概念344
8.3.2 DMA的三種工作方式344
8.3.3 DMA控制器的組成和工作原理346
8.4 通道方式348
8.4.1 通道的基本概念348
8.4.2 通道的種類350
本章小結351
習題8352
附錄A 各章部分習題參考答案353
習題1 參考答案353
習題2 參考答案353
習題3 參考答案358
習題4 參考答案360
習題5 參考答案362
習題6 參考答案366
習題7 參考答案367
習題8 參考答案367
附錄B 研究生入學考試“計算機組成原理”課程全國統考大綱369
附錄C 國內外常用二進制邏輯元件圖形符號對照表372
參考文獻373
（5）自我控制功能。計算機應能保證程序執行的正確性和各部件之間的協調性。
雖然計算機種類繁多，運算處理能力有強有弱，但作為計算機，它們的基本功能卻是相同的。即馮·諾依曼型計算機都應當具有輸入／輸出、記憶、計算、判斷和自我控制這五大功能。
60多年來，隨著計算機技術的發展和新應用領域的開拓，通用計算機在設計時對馮·諾依曼結構作了很多改進，使計算機系統結構有了很大的發展，例如機器程序與數據分開存放在不同的存儲器區域中，程序不允許修改，計算機不再以運算器為中心，而是以存儲器為中心等。雖然有以上這些突破，但其本質變化不大，習慣上仍稱之為馮·諾依曼型計算機。
馮·諾依曼型計算機的局限性在于它的并行性有限，使工程設計人員一直未能找到構建廉價且與大部分商用軟件兼容的快速系統的途徑。顯然，未受到要與馮·諾依曼體系結構保持兼容性要求約束的工程師們，就可以自由地選擇使用許多不同的計算模式。許多不同的研究領域都屬于非馮·諾依曼模型的范疇，包括神經網絡（利用人腦模型的思想作為計算范式）、基因算法（利用生物學和DNA演化的思想開發的算法）、量子計算機（在量子效應和量子力學基礎上開發的進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的計算機）、光子計算機（利用光子取代電子進行數據運算、傳輸和存儲的計算機）、納米計算機（采用納米技術研發的新型高性能計算機）和大規模并行處理機等。在這些新的體系結構中，并行計算的概念是目前最流行的。
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