計算機組成與體係結構（第3版）——基本原理、設計技術與工程實現（21世紀大學本科計算機專業係列教材） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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宋佳興，王誠 著

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302465546

版次：1

商品编码：12091769

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-05-01

用纸：胶版纸

页数：316

字数：504000

正文语种：中文

編輯推薦

　　本書主要提供“計算機組成和體係結構”課程的教學內容，包括計算機組成的原理知識，計算機硬件的設計技術，以及簡單的實例計算機係統的工程實現，重點強調計算機硬件係統的組成原理、設計技術、工程實現三個方麵的內容。作為計算機硬件課程的教材，本書涉及數字電路基礎與邏輯設計基礎知識、完整的計算機組成原理知識與設計實現技術、計算機係統結構的基礎知識和概念等三門課程的有關內容，期望在有限的學時範圍內，初步學習到計算機專業關鍵的三門硬件類課程的基本知識，強調所學知識的係統性和實用程度，強調培養學生的開創意識和實際工作能力。

　　? 本版的書名增加瞭“基本原理、設計技術與工程實現”的副標題，特意指齣書中提供三類不同性質的教學內容。*一類內容是計算機組成原理與運行機製的核心知識，屬於學生一定要掌握的原理性基礎知識，在絕大多數同類教材中都會重點講解；*二類內容是計算機硬件係統的基本設計技術，多數同類教材中講解不多也欠具體應用實例；*三類內容是計算機硬件係統的入門性工程實現問題，其他教材中較少涉及，在這一版本的教材中對上述三類內容都有適度的講解。

　　? 本版增加瞭計算機係統的工程實現的內容，又對計算機硬件設計技術的內容進行瞭重點修訂，在對有關設計技術進行必要講解之後，還要進一步給齣描述計算各功能部件的組成與功能、使用與控製的ABEL-HDL程序的部分源碼，這個程序的結構與實現功能容易讀懂，更能方便地實現擴展新的指令和添加新的係統功能。

　　? 計算機各個功能部件的組成、運行原理和控製使用是課程教學的重點內容，在本版教材中，在強調講清基本原理和基礎概念的基礎上，還要提供組成簡單、能夠實用的功能部件實例，*終還可以使用這些部件實例構建成能夠正常運行的教學計算機係統，而這些設計實現的主要工作將交由學生以教學實驗的方式來完成，這對培養學生承擔實際工作的能力和大有益處，比較充分地體現齣作者在主持建設“計算機組成原理”國傢精品課程的教學理念。

　　? 在教材中強調把指令格式選擇和指令係統設計、機器語言和匯編語言編程作為重點教學內容之一，為此需要提供使用這套指令係統設計完成的實例計算機係統的監控程序，從而使計算機組成原理課程教學擺脫瞭硬軟件完全分割的局麵，有利於加深學生對計算機整機係統的正確理解，這在其他同類教材中是很少見到的。

內容簡介

本書包括數字電路基礎（先修部分）、計算機組成（主體部分）、計算機體係結構（提高部分）3部分內容，共13章，重點講解計算機係統的完整組成和提高性能的可行途徑。作為硬件課程教材，兼顧到計算機科學與技術專業中偏工程技術方嚮、偏軟件方嚮的本科生，也可用於軟件學院和計算機應用方嚮的學生。

作者簡介

宋佳興，請華大學計算機科學與技術係副研究員，博士。主要研究方嚮為計算機網絡、分布式信息係統等。在相關領域承擔多項科研項目，發錶論文20餘篇，獲省部級科技進步奬2項。是清華大學國傢精品課“計算機組成原理”課程主要成員，獲省部級教學成果奬1項。主講數據庫技術及應用、計算機組成與係統結構課程。
王誠，多年在清華大學計算機係教學和科研第一綫工作，齣版瞭十餘本書，教學取得優異業績，科研工作也有十餘項重要成果。在長達十七、八年的教學過程中，重點主講“計算機組成原理”、“計算機組成與體係結構”等課程，計算機組成原理課被評為國傢、北京市、清華大學三個級彆的精品課程，獲北京市高教教學成果一等奬。齣版多本主教材和實驗指導書，其中有2本被評為北京市精品教材，進入國傢ji“十五”和“十一五”規劃教材。開發研製瞭教學硬件實驗設備及其軟件模擬係統，製作瞭教學課件，在全國有較大影響。

目錄

CONTENTS
第1章計算機係統概述1
1.1計算機係統的基本組成及其層次結構1
1.2計算機硬件的5個功能部件及其功能4
1.3計算機係統主要的技術與性能指標7
1.4計算機的體係結構、組成和實現概述9
1.5計算機發展進步、分類和拓展應用的進程12
本章內容小結和學習方法建議15
習題與思考題15
第2章數字電路基礎和常用器件17
2.1數字電路的基本元件17
2.1.1晶體二極管與三極管17
2.1.2應用案例19
2.2數字電路基礎及其相關處理方法20
2.2.13種基本邏輯關係20
2.2.2邏輯函數及其描述方法23
2.2.3邏輯函數的特性、規則與應用24
2.3組閤邏輯電路及時序邏輯電路25
2.3.1常用邏輯門器件26
2.3.2時序邏輯電路29
2.3.3存儲器芯片簡介31
2.3.4幾個專用功能器件和存儲器芯片的引腳圖32
2.4現場可編程邏輯器件及其應用34
2.4.1現場可編程器件概述34
2.4.2CPLD和FPGA的編程與應用37
本章內容小結和學習方法建議37
習題與思考題37
第3章數據錶示、運算算法和綫路實現39
3.1數字化信息編碼的概念和二進製編碼知識39
3.1.1數字化信息編碼的概念39
3.1.2二進製編碼和碼製轉換40
3.1.3檢錯糾錯碼45
3.2數據錶示50
3.2.1邏輯類型數據的錶示50
3.2.2字符類型數據的錶示50
3.2.3多媒體信息編碼53
3.2.4數值類型數據的錶示55
3.3二進製數值數據的編碼方案與運算算法60
3.3.1原碼、反碼、補碼的定義60
3.3.2補碼加、減運算規則和電路實現65
3.3.3原碼一位乘法、除法的實現方案66
3.3.4實現乘法、除法的其他方案71
本章內容小結和學習方法建議76
習題與思考題77
目錄計算機組成與體係結構（第3版）第4章運算器部件79
4.1算術邏輯運算單元的功能設計與綫路實現79
4.2定點運算器81
4.2.1定點運算器部件的功能、組成與控製概述81
4.2.2設計實現一個簡單的原理性8位運算器模型82
4.2.3運算器芯片Am2901實例與使用86
4.2.4MIPS多指令周期CPU係統的運算器的組成及其功能90
4.3浮點運算和浮點運算器92
4.3.1浮點數的運算規則92
4.3.2浮點運算器舉例96
本章內容小結和學習方法建議98
習題與思考題99
第5章指令係統和匯編語言程序設計102
5.1指令格式和指令係統概述102
5.1.1指令的定義和指令格式102
5.1.2操作碼的組織與編碼103
5.1.3有關操作數的類型、個數、來源、去嚮和地址安排104
5.1.4指令的分類105
5.1.5指令周期及其對計算機性能和硬件結構的影響106
5.2基本尋址方式概述108
5.3指令係統舉例111
5.3.1Pentium Ⅱ計算機的指令係統111
5.3.2MIPS32計算機的指令係統113
5.3.3PDP��11計算機的指令係統114
5.3.4教學計算機的指令係統116
5.4教學計算機的匯編語言程序設計120
5.4.1匯編語言及其程序設計中的有關概念120
5.4.2教學計算機的匯編程序設計舉例121
本章內容小結和學習方法建議127
習題與思考題127
第6章控製器部件130
6.1控製器的功能與組成概述130
6.2硬布綫控製器132
6.2.1硬布綫控製器的組成和運行原理簡介132
6.2.2MIPS32計算機的控製器簡介133
6.2.3TEC_XP_Ⅱ教學計算機的硬布綫控製器的設計與實現139
6.3微程序控製器部件149
6.3.1微程序控製器的基本組成和運行原理150
6.3.2微程序設計中的下地址形成邏輯和微程序設計152
6.3.3TEC�瞂P�並蚪萄Ъ撲慊�的微程序控製器的設計與實現155
本章內容小結和學習方法建議161
習題與思考題162
第7章多級結構存儲器係統和主存儲器166
7.1存儲器係統概述166
7.1.1存儲器分類166
7.1.2存儲器係統目標167
7.1.3多級結構存儲器係統169
7.2主存儲器170
7.2.1主存儲器概述170
7.2.2動態存儲器的存儲原理172
7.2.3靜態存儲器的存儲原理173
7.2.4存儲器容量擴展174
7.3教學計算機的主存儲器實例176
7.4提高主存儲器性能的途徑179
本章內容小結和學習方法建議181
習題與思考題181
第8章高速緩衝存儲器和虛擬存儲器183
8.1高速緩衝存儲器183
8.1.1Cache的運行原理183
8.1.2Cache的3種映像方式185
8.1.3Cache實用中的問題187
8.2虛擬存儲器190
8.2.1虛擬存儲器的概念介紹190
8.2.2段式存儲管理190
8.2.3頁式存儲管理191
本章內容小結和學習方法建議193
習題與思考題193
第9章外部存儲器設備196
9.1外存設備概述196
9.1.1主要技術指標196
9.1.2磁記錄原理與記錄方式197
9.2磁盤設備199
9.2.1磁記錄介質199
9.2.2磁盤驅動器200
9.2.3磁盤控製器201
9.3磁盤陣列202
9.4光盤設備205
9.4.1隻讀光盤205
9.4.2可刻光盤206
9.4.3可擦寫光盤208
9.4.4DVD208
9.4.5Blu�睷ay209
本章內容小結和學習方法建議209
習題與思考題209
第10章輸入輸齣設備210
10.1輸入輸齣設備概述210
10.2常用的輸入設備211
10.3常用的輸齣設備212
10.3.1點陣式輸齣設備基本原理212
10.3.2顯示器的組成和運行原理214
10.3.3打印機的組成和運行原理217
10.3.4計算機終端221
本章內容小結和學習方法建議221
習題與思考題222
第11章輸入輸齣係統223
11.1計算機輸入輸齣係統概述223
11.2計算機總綫224
11.2.1總綫概述224
11.2.2總綫結構226
11.2.3總綫寬度227
11.2.4總綫時鍾228
11.2.5總綫仲裁230
11.2.6總綫舉例232
11.3輸入輸齣接口238
11.3.1輸入輸齣接口的功能238
11.3.2通用可編程接口組成239
11.3.3輸入輸齣接口舉例239
11.4輸入輸齣方式242
11.4.1程序直接控製方式242
11.4.2程序中斷傳送方式243
11.4.3直接存儲器訪問方式245
11.4.4I/O通道控製方式247
11.4.5外圍處理機方式247
本章內容小結和學習方法建議247
習題與思考題248
第12章流水綫技術250
12.1流水綫的基本概念250
12.1.1流水綫的概念250
12.1.2流水綫的錶示方法252
12.1.3流水綫的特點253
12.1.4流水綫的分類方法254
12.2流水綫的性能指標257
12.2.1流水綫的吞吐率257
12.2.2流水綫的加速比260
12.2.3流水綫的效率260
12.2.4流水綫的最佳段數261
12.3DLX指令集與DLX流水綫261
12.3.1DLX指令集結構介紹261
12.3.2DLX的一種簡單實現266
12.3.3DLX流水綫的實現原理268
12.4流水綫中的相關問題271
12.4.1結構相關271
12.4.2數據相關273
12.4.3控製相關279
12.5指令級並行技術284
12.5.1基本概念284
12.5.2多指令發射技術284
本章內容小結和學習方法建議287
習題與思考題288
第13章並行計算機體係結構289
13.1計算機體係結構概述289
13.1.1計算機體係結構的發展289
13.1.2計算機體係結構的分類290
13.1.3並行計算機體係結構分類292
13.2並行計算機係統的設計問題293
13.2.1並行計算機係統的互聯網絡293
13.2.2並行計算機係統的性能問題298
13.2.3並行計算機係統的軟件問題300
13.3SIMD計算機簡介301
13.3.1陣列處理機301
13.3.2嚮量處理機302
13.4共享內存的多處理機係統304
13.4.1一緻性內存訪問的UMA多處理機係統305
13.4.2非一緻性內存訪問的NUMA多處理機係統310
13.4.3基於Cache內存訪問的COMA多處理機係統312
13.5基於消息傳遞的多計算機係統312
13.5.1大規模並行處理機314
13.5.2工作站集群315
本章內容小結和學習方法建議315
習題與思考題316
參考文獻317

精彩書摘

　　第3章數據錶示、運算算法和綫路實現運算器最重要的功能是加工數據,為此必須很好地掌握各種基本類型的數據及其在計算機內的錶示和存儲方式,以及完成運算所用的算法和實現這些算法所用的原理性電路。這些內容又以數字化信息編碼、布爾代數、數字電路與邏輯設計為基礎。布爾代數、數字電路與數字邏輯設計在本教材第2章進行瞭簡要介紹。因此,本章將從數字化信息編碼講起,引齣二進製編碼,數製轉換,插入部分檢錯糾錯碼知識;接下來介紹各種基本類型數據的錶示;數值數據算術運算的有關方法。

　　二進製編碼,數製轉換,定點小數和整數的原碼、反碼、補碼錶示是本章的核心重點內容。

　　檢錯糾錯碼概念,講到的兩種常用的檢錯、糾錯碼的實現原理應較好理解,而對它們所用的具體綫路簡單瞭解即可。

　　應該掌握定點小數、整數、浮點數在計算機內的錶示,補碼加減法的運算規則,原碼一位乘除法的原理性算法和完成算術運算用到的原理性邏輯綫路。補碼乘除法、加速乘除運算的可行方案簡單瞭解即可。

　　本章作業較多,對深入理解所學知識和比較熟練地完成必要的計算很有必要,也是更好地學習運算器知識的基礎,應認真完成。

　　3.1數字化信息編碼的概念和二進製編碼知識[*2]3.1.1數字化信息編碼的概念計算機最重要的功能是處理信息,如數值、文字、符號、語音、圖形和圖像等。在計算機內部,各種信息都必須采用數字化的形式被保存、加工與傳送。掌握信息編碼的概念和技術是至關重要的。

　　所謂編碼,就是用少量、簡單的基本符號,選用一定的組閤規則,以錶示大量復雜多樣的信息。基本符號的種類和這些符號的組閤規則構成編碼的兩大要素。例如,用10個阿拉伯數字錶示數值,用26個英文字母構成英文詞匯,就是現實生活中編碼的典型例子。

　　當要使用的基本符號數量較多時,往往還要采取措施,以便首先使用更少量的簡單符號來編碼以錶示那些量大而復雜的基本符號,再用這些基本符號來錶示信息,這就構成瞭多重編碼。多重編碼的典型例子是漢字編碼,若把上萬個漢字都作為基本符號就太多瞭,可以首先用筆形字畫、偏旁部首、拼音或其他方式對其進行編碼,以解決漢字輸入問題。

　　在計算機中,廣泛采用的是僅用0和1兩個基本符號組成的基二碼,亦稱為二進製碼。主要有以下3個方麵的原因。

　　(1)基二碼在物理上最容易實現,即容易找到具有兩個穩定狀態且能方便地控製狀態轉換的物理器件;可以用兩個狀態分彆錶示基本符號0和1。

　　(2)用基二碼錶示的二進製數,其編碼、計數和算術運算規則簡單,容易用數字電路實現,為提高計算機的運算速度和降低實現成本奠定瞭基礎。

　　(3)基二碼的兩個基本符號0和1能方便地與邏輯命題的“否”和“是”,或稱“假”和“真”相對應,為計算機中的邏輯運算和程序中的邏輯判斷提供瞭便利條件。

　　計算機中的各種類型的數據,通常都是用二進製編碼形式來錶示、存儲、處理和傳送的。

　　數據錶示、運算算法和綫路實現第3章計算機組成與體係結構（第3版）3.1.2二進製編碼和碼製轉換1.數製與進位計數法在采用進位計數的數字係統中,如果隻用r個基本符號(例如0,1,2,…,r-1),通過排列起來的符號串錶示數值,則稱其為基r數製(Radix�瞨NumberSystem),r被稱為該數製的基(Radix)。假定用m+k個自左嚮右排列的符號Ｄi（－k≤i≤m-1）錶示數值N,即N=Dm-1Dm-2…D1D0D-1D-2…D-k（3.1）式中的Di（-k≤i≤m-1）為該數製采用的基本符號,可取值0,1,2,…,r-1,小數點位置隱含在D0與D-1位之間,則Dm-1…D0為N的整數部分,D-1…D-k為N的小數部分。

　　如果每個Di的單位值都賦以固定的值Wi,則稱Wi為該位的權(Weight),此時的數製稱為有權的基r數製(WeightedRadix�瞨NumberSystem)。此時N代錶的實際值可錶示為N=∑m-1i=-kDi×Wi（3.2）如果該數製編碼還符閤“逢r進位”的規則,則每位的權(簡稱位權)可錶示為Wi=ri式中的r是數製的基,i是位序號。式3.2又可以寫為N=∑m-1i=-kDi×ri(3.3)式中的符號:

　　r——是這個數製的基;

　　i——錶示這些符號的排列次序,即位序號;

　　Di——是位序號為i的一位上的符號;

　　ri——是第i位上的一個1所代錶的值（位權）;

　　Di×ri——是第i位上的符號所代錶的實際值;

　　∑——錶示對m+k位的各位的實際值執行纍加求和;

　　N——代錶一個數值。

　　此時該數製被稱為r進位數製(PositionalRadix�瞨NumberSystem),簡稱r進製。下麵是計算機中常用的幾種進位數製:

　　二進製r=2,基本符號0,1

　　八進製r=8,基本符號0,1,2,3,4,5,6,7

　　十六進製r=16,基本符號0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F

　　其中A～F分彆錶示十進製數10,11,12,13,14,15

　　十進製r=10,基本符號0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

　　如果每一數位都具有相同的基,即采用同樣的基本符號集來錶示,則稱該數製為固定基數製(FixedRadixNumberSystem),這是計算機內普遍采用的方案。在個彆應用中,也允許對不同的數位或位段選用不同的基,即混閤采用不同的基本符號集來錶示,則該數製被稱為混閤基數製(MixedRadixNumberSystem)。

　　2.二進製編碼和二進製數據

　　二進製編碼是計算機內使用最多的碼製。它隻使用兩個基本符號0和1,並且通過由這兩個符號組成的符號串來錶示各種信息（各種類型的數據）。二進製的數值類型的數據亦是如此,計算其所代錶的數值的運算規則是N=∑m-1i=-kDi×2iDi的取值為0或1（3.4）例如(1101.0101)2=(13.3125)10。

　　等號左右兩邊括號內的數字為兩個不同進製的數字,括號右下角的2和10分彆指明左右兩邊的數字為二進製和十進製的數。按式(3.4),計算二進製數1101.0101的實際值為1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2+0×2-3+1×2-4

　　=8+4+1+0.25+0.0625=13.3125從式中可以進一步看到,由於二進製隻用0和1兩個符號,在計算二進製位串所代錶的實際值時,隻需把符號為1的那些位的位權相加即可,則上式變為:23+22+20+2-2+2-4=13.3125熟練地記清二進製數每位上的位權是有益的。當位序號為0～12時,其各位上的位權分彆為1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048和4096。

　　3.數製轉換

　　計算機中常用幾種不同的進位數製,包括二進製、八進製、十進製和十六進製。二進製數據更容易用邏輯綫路處理,更接近計算機硬件能直接識彆和處理的數字信息的使用要求,而使用計算機的人更容易接受十進製的數據類型。二者之間的進製轉換是經常遇到的問題。

　　1)十進製數據與其他進製數據的轉換

　　式(3.3)確定的運算規則,是不同進位計數製數據之間完成進位製轉換的依據。

　　十進製到二進製的轉換,通常要區分數的整數部分和小數部分,並分彆按除2取餘數部分和乘2取整數部分兩種不同的方法來完成。

　　(1)對整數部分,要用除2取餘數辦法完成十進製到二進製的轉換,其規則是:

　　①用2除十進製數的整數部分,取其餘數為轉換後的二進製數整數部分的低位數字;

　　②再用2去除所得的商,取其餘數為轉換後的二進製數高一位的數字;

　　③重復執行第②步的操作,直到商為0,結束轉換過程。

　　例如,將十進製的37轉換成二進製整數的過程如下:

　　(2)對小數部分,要用乘2取整數辦法完成十進製到二進製的轉換,其規則是:

　　①用2乘十進製數的小數部分,取乘積的整數為轉換後的二進製數的最高位數字;

　　②再用2乘上一步乘積的小數部分,取新乘積的整數為轉換後二進製小數的低一位數字;

　　③重復第②步操作,直至乘積部分為0,或已得到的小數位數滿足要求,結束轉換過程。

　　例如,將十進製的0.43,轉換成二進製小數的過程如下(假設要求小數點後取5位):

　　對小數進行轉換的過程中,轉換後的二進製已達到要求位數,而最後一次的乘積的小數部分不為0,會使轉換結果存在誤差,其誤差值小於求得的最低一位的位權。

　　對既有整數部分又有小數部分的十進製數,可以先轉換其整數部分為二進製數的整數部分,再轉換其小數部分為二進製的小數部分,通過把得到的兩部分結果閤並起來得到轉換後的最終結果。例如,(37.43)10=(100101.01101)2。

　　在實現手工轉換時,如果對二進製數已經比較熟悉,基本上記住瞭以2為底的指數值,即二進製數每一位上的權,對十進製數進行轉換時,也可以不采用上述規則,基本上可以直接寫齣來。例如:

　　（45.625）10＝32＋8＋4＋1＋0.5＋0.125

　　＝(101101.101)2,即(101101.101)2。

　　(1105)10=1024+81=1024+64+16+1

　　=(10001010001)2,即(10001010001)2。

　　參照上述方法,也可以實現十進製到八進製、十進製到十六進製的轉換過程。例如:

　　(1)完成八進製和十進製數據之間的轉換,具體如下。

　　(2)完成十進製到十六進製數的轉換方法與前述方法類似,隻是乘除16時,手工運算不大方便。

　　2)二進製與八進製、十六進製間的轉換

　　用二進製錶示一個數值N,所用的位數K為log2N,如錶示4096,K為13,寫起來位串較長。為此,計算機中也常常采用八進製和十六進製來錶示數值數據,為錶示數值N,分彆有如下對應關係:N=∑m-1i=-kDi×8iDi的取值為0到7(3.5)例如(7.44)8=7×80+4×8-1+4×8-2=(7.5625)10。N=∑m-1i=-kDi×16iDi的取值為0到9和A到F(3.6)例如(1A.08)16=1×161+10×160+8×16-2=(26.03125)10。

　　上述二式中所用符號的意義與式(3.3)中所用符號的意義類同,但此處Di包含的基本符號分彆限於0～7和0～9、A～F,各位的碼權分彆為8i和16i。

　　把用二進製、八進製、十六進製錶示的數轉換成十進製數的值,使人能更容易地衡量這個數值的大小。

　　由於log28=3,log216=4,即1位八進製的數可以用3位二進製的數重編碼來得到,1位十六進製的數可以用4位二進製的數重編碼得到,故人們通常認為,在計算機這個領域內,八進製和十六進製數隻是二進製數的一種特定的錶示形式。錶3.1給齣瞭少量二進製、八進製、十六進製和十進製數的對應關係。錶3.1二進製、八進製、十六進製和十進製的對應關係續錶二進製數八進製數十六進製數十進製數的值00000000000101110010022200110333010004440101055501100666011107771000108810011199101012A10101113B11110014C12110115D13111016E14111117F15在把二進製數轉換成八進製或十六進製錶示時,應從小數點所在位置分彆嚮左、嚮右對每3位或每4位二進製位進行分組,寫齣每一組所對應的1位八進製數或十六進製數。若小數點左側(即整數部分)的位數不是3或4的整數倍,可以按在數的最左側補零的方法理解;對小數點右側(即小數部分),應按在數的最右側補零的方法處理,否則容易轉換錯。對不存在小數部分的二進製數(整數),應從最低位開始嚮左把每3位劃分成一組,使其對應一個八進製位,或把每4位劃分成一組,使其對應一個十六進製位。例如,(10.101)2變成八進製時,應把它理解為(010.101)2,是(2.5)8,即八進製的2.5。當把它轉換為十六進製時,應首先變為(0010.1010)2,是(2.A)16,即十六進製的2.A,而不是(2.5)16。又如:

　　(1100111.10101101)2=(147.532)8

　　(1100111.10101101)2=(67.AD)16

　　八進製和十六進製之間的轉換不是很常用,二者經過二進製的中間結果進行轉換是方便的。

　　4.二進製數的運算規則

　　二進製數之間可以執行算術運算和邏輯運算,其規則簡單,容易實現。

　　1)加法運算規則

　　2)減法運算規則

　　3)乘法運算規則

　　二進製數乘法的計算方法,與十進製數乘法的計算方法類似,按乘數每一位的值計算齣部分積,對全部部分積求纍加和則得到最終乘積。

　　4）除法運算規則

　　二進製數除法的計算與十進製數除法類似,也由減法、逐位上商等操作分步完成。例如:

　　邏輯運算是在對應的兩個二進製位的邏輯值之間進行的,與相鄰的高低位的值均無關,即不存在進位、藉位等問題。

　　5）邏輯或運算規則(運算符為∨z)

　　0∨0=0例如:

　　0∨1=11100

　　1∨0=1∨1010

　　1∨1=11110

　　6）邏輯與運算規則(運算符為∧)

　　0∧0=0例如:

　　0∧1=01100

　　1∧0=0∧1010

　　1∧1=11000

　　7）邏輯非運算規則(運算符為?瘙綈)

　　?瘙綈0=1

　　?瘙綈1=0

　　邏輯非實現對單個邏輯值的處理,而不是對兩個邏輯值的運算,邏輯非又被稱為邏輯取反操作。對邏輯數1011逐位進行取反,其結果為0100。

　　8）邏輯異或運算規則(運算符為)

　　0��0=0例如:

　　0��1=11100

　　1��0=1��1010

　　1��1=00110

前言/序言

　　名譽主任：陳火旺主任：李曉明副主任：錢德沛焦金生委員：（按姓氏筆畫排序）

　　馬殿富王誌英王曉東寜洪劉辰

　　孫茂鬆李大友李仲麟吳朝暉何炎祥

　　宋方敏張大方張長海周興社侯文永

　　袁開榜錢樂鞦黃國興蔣宗禮曾明

　　廖明宏樊孝忠秘書：張瑞慶

　　本書主審：李曉明

　　前言FOREWORD對這一版的書名做瞭一點變動，增加瞭“基本原理、設計技術與工程實現”的副標題，特意指齣書中提供3類不同性質的教學內容。第一類是計算機組成原理與運行機製的核心知識，屬於學生一定要掌握的原理性基礎知識，在絕大多數的同類教材中都會重點講解。第二類是計算機硬件係統的基本設計技術，多數同類教材中講解不多也欠具體應用實例。第三類是計算機硬件係統的入門性工程實現問題，同類教材中較少涉及，我們希望在這一版的教材中對上述3類內容都有適度的講解，其中的工程實現問題隻在主教材中簡單提及，主要部分將放到《計算機組成與體係結構實驗指導》教材中。這種安排體現瞭作者多年堅守的教學理念，從如下3個方麵予以說明。

　　(1)針對計算機組成原理這一類含有較多技術性、工程性、實踐性內容的課程，教學安排不宜過分局限於教師課堂講課、學生課上聽講和課後背書的學習方式，應該在講課聽課的基礎上再較大幅度地加強教學實踐環節，增強課程內容的實用性，促成學生用課堂學到的理論知識，設計實現一颱組成簡單完整、原理清晰實用、實驗操作方便、支持匯編語言編程的簡小計算機係統，促使學生在學習理論知識、掌握設計技術、提升實踐能力等諸方麵得到全麵成長。

　　(2)在講解計算機硬件係統組成和功能實現時，應該把口語性的一般講解和硬件描述語言的嚴謹描述恰當地結閤起來，鼓勵選用硬件描述語言設計計算機控製器和描述整機係統，既能體現計算機的最新設計技術和實現手段，保證教學內容適度的先進性，又可以培養學生嚴謹的思維方式和對硬件問題的深入理解和準確闡述，這有利於提高授課質量，降低學習和實驗的難度。

　　(3)在課程的教學安排中，需要處理好硬件子係統（重點部分）和軟件子係統（配閤部分）的關係，不能完全局限於硬件係統本身，還需要包含必要的軟件內容，匯編語言程序設計應該占有一定分量，加深對硬、軟件兩類資源各自在計算機係統中的地位和作用的理解。指令係統是連接硬、軟件係統的紐帶，匯編語言編程有助於深入瞭解指令係統、計算機整機組成與運行控製機製。因此在教學計算機係統中配備瞭3個基本程序:PC仿真終端程序、交叉匯編程序、監控程序，對多數同學來說做到會使用它們就夠瞭，鼓勵有餘力的同學探索這幾個程序的實現思路和方法。

　　本書包括瞭數字電路基礎、計算機組成、計算機體係結構3部分內容，共13章。

　　第1章是全書內容的概述部分，簡要介紹計算機組成和體係結構的基本概念，從實現功能的角度介紹計算機硬件係統的5個功能部件;從功能和層次的觀點來講解計算機組成和體係結構各自需要研究和解決的問題，並簡要說明瞭本課程的教學目標和對學習方法的建議。

　　第2章簡明講解數字電路基礎知識和幾種常用的電路芯片，是為講解計算機組成和體係結構做電子綫路方麵的準備，沒有這些知識是很難學懂計算機硬件的組成和運行原理的。

　　第3章的數據錶示和運算、第4章的運算器部件共同構成本書核心內容的第1個知識單元，主要圍繞承擔數據運算功能的運算器部件進行講解，在給齣通用的基本原理知識的同時，還提供瞭設計實現一個原理性的8位運算器模型和一個4位位片結構的運算器芯片兩個實例，展現運算器部件的設計過程和實現方法，提升學生的實踐能力。

　　前言計算機組成與體係結構（第3版）第5章的指令係統和第6章的控製器部件共同構成本書核心內容的第2個知識單元，主要圍繞指令格式選擇、指令係統設計，以及硬件係統中的硬布綫方案的控製器部件進行講解，而對微程序方案控製器隻作適當介紹。在給齣通用的基本原理知識的同時，提供瞭一套簡單實用的基本指令係統。硬件方麵，選用多指令周期方案實現這套指令係統的控製器部件的具體例子，展現控製器部件的設計過程和實現方法，提升學生的實踐能力。軟件方麵，使用這套指令係統設計瞭教學機的監控程序，可以支持匯編語言程序設計；若再擴展一部分指令，也可以支持解釋執行的BASIC高級語言程序設計，能支持浮點數運算和多種基本數學函數運算。針對這門課程的教學要求來說，此時的教學機的硬軟件係統已經比較完整，包括瞭計算機硬件軟件係統全部6個層次的基本內容。

　　第7章的主存、第8章的高速緩存和虛存、第9章的輔助存儲器設備共同構成本書核心內容的第3個知識單元，主要圍繞計算機3級結構的存儲器件係統和外存儲器設備進行講解，還給齣瞭通過字、位擴展技術，用靜態芯片構建內存儲器部件的具體例子，支持存儲器與CPU同步運行，展現內存儲器的功能和經總綫連接CPU的具體方法。

　　第10章的輸入輸齣設備和第11章的輸入輸齣係統共同構成本書核心內容的第4個知識單元，主要圍繞承擔計算機的輸入輸齣功能的設備或者部件進行講解，給齣瞭用於連接計算機各個部件的單總綫結構的實際例子，具體介紹瞭串行接口的內部綫路組成和使用方法，並通過串口連接PC仿真終端，選用程序查詢方式控製入齣設備，使教學機整機係統具備瞭輸入輸齣操作功能。

　　第12章的流水綫技術和第13章的並行計算機體係結構共同構成本書核心內容的第5個知識單元，對應計算機體係結構課程的基礎知識，針對提高計算機係統的性能，更多地強調基本概念、提齣問題的思路和解決問題的方案，基本上止步於定性說明。

　　教學過程中，可以根據不同的課程安排和教學要求，閤理分配教材中3部分內容的課時比例。針對把計算機組成和係統結構閤並成一門課程的安排，教材第3～13章的內容都屬於必學知識，建議教學學時安排為70~90。若隻是用於計算機組成原理課程，計算機體係結構的內容另外開課，則隻需講解第3～11章中的知識，建議課內學時安排為60~70，另外安排約16個實驗學時。

　　第2章用於復習先修課程的內容，簡明介紹數字電路與邏輯設計知識，約占教材總篇幅的7%，是學習計算機組成和體係結構一定會用到的電路基礎知識，也許要求並不太多也不深，但如果完全不瞭解這些內容，要聽懂課堂授課內容難度很大，設計實現一個小計算機係統更無從談起。

　　第1章、第3～11章是課程的主體部分，約占教材總篇幅的73%，主要是計算機組成方麵較為完整的係統知識，重點圍繞基本計算機硬件係統5個功能部件的功能和組成進行分析講解。

　　第12章和第13章是本課程的提高部分，約占教材總篇幅的20%，主要是計算機體係結構方麵的基礎知識，重點介紹提高計算機係統性能的各種可行思路與基本途徑。

　　在教學環節安排中，需要處理好理論教學和教學實驗的關係，可以考慮（並非一定如此）用約四分之三的課內學時（例如48學時）講授計算機組成與運行機製的核心知識，四分之一的課內學時中的一小部分（例如6學時）用於講解構建整機係統用到的設計技術和工程實現問題。剩餘的部分（例如10學時）和16個實驗學時統一安排用於教學實驗，在教師的指導下去完成設計實現小計算機硬件係統的核心工作，更好地貫徹理論指導實踐，通過實踐再進一步深入理解理論的認知過程，做到學習知識和增長能力的雙豐收。

　　本教材配套的有:①內容詳盡的教學實驗指導教材；②教學實驗設備（由清華大學科教儀器廠生産銷售，型號是TEC�瞂P�並潁�，選用教材第1～4個知識單元的部件實例組閤而成，能夠確保課堂授課內容和教學實驗項目完美的結閤；③PowerPoint教學課件；④指令級軟件模擬係統，可以直接在PC係統中運行，實現瞭與硬件設備相同的運行功能。良好的教學實踐環境和實驗條件，可以有效地加深對課堂教學內容的理解，並使得學生在一定程度上獲得開展研究工作和開展計算機硬件係統設計的實際經驗，全麵提高解決實際問題和創新思維的能力。

　　本書的第1～3章、第7～13章由宋佳興修訂，第4～6章由王誠修訂，作者有多年從事本專業教學和科研工作的經曆。

　　由於時間和作者水平所限，加上時間倉促，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

　　編者2016年6月於清華大學計算機科學與技術係這是第二版前言，不知要否，如果要，就可以用下麵的前言FOREWORD作為“21世紀大學本科計算機專業係列教材”，遵照本係列教材評審組專傢的意見，本書包括瞭數字電路基礎、計算機組成、計算機體係結構3個部分內容。本書讀者對象主要是學習計算機課程的大學生，包括計算機係的學生、軟件學院的學生和非計算機專業選修計算機課程的學生。可以根據不同的課程和教學要求，閤理分配本教材中3部分內容的課時比例。全書共13章，其中第2章屬於先修內容，約占教材總量的7%，若是學生課前未曾學習過數字電路與邏輯設計課程，還是應該用少量學時對教材第2章的內容進行適當講解；第3～11章是課程的主體部分，約占教材總量的73%，主要是計算機組成方麵的知識，重點圍繞基本計算機硬件係統5個功能部件的功能和組成進行講解分析；第12～13章是本課程的提高部分，約占教材總量的20%，主要是計算機體係結構方麵的基礎知識，重點介紹提高計算機係統性能的各種可行思路與基本途徑。其中的指令流水綫的淺顯內容已經齣現在計算機組成原理課程之中，但多數人還是願意把較為具體深入的指令流水技術安排到計算機係統結構課程中講授。

　　針對把計算機組成和係統結構閤並成一門課程的情形，教材第3～13章的內容都屬於必學知識，建議教學學時安排為70～90學時。若隻是用於計算機組成原理課程，計算機體係結構的內容另外開課，則隻需講解第3～11章中的知識，建議教學學時安排為60～70學時。教材主體部分的內容是按照基本通用原理、簡明原理示例、典型産品現狀這樣3個層次來處理的。

　　基本通用原理是基礎，是學習與理解計算機組成與運行機製的核心知識。其特點是穩定性（不隨時間變遷而改變）和通用性（不隨具體機型而變化），是學生一定要掌握的部分。要把通用原理轉化成真實的計算機係統，還有許多技術與工程、性能價格比的平衡關係等需要解決。

　　在簡明原理示例這個層次，強調運用學習到的基本原理知識，學懂或者設計實現一颱硬軟件基本完整、實現簡單（易懂、價廉）、但不一定是最理想（不追求更完備的性能、更好的實用價值）的計算機係統的技術與過程，增加對所學知識的理解深度和應用能力，力求把學習知識和增長實踐能力結閤起來。

　　在典型産品現狀這個層次，將選擇某些典型計算機係統中的實例，給齣其設計實現的結果及其外特性，可以體現用到的基本原理，更強調讓學生瞭解計算機當前的技術水平和發展現狀。對三個層次的教學要求不盡相同，對優化學生的知識結構各自發揮不同的作用。

　　在講解計算機組成和功能時，把通常的文字敘述和語言VHDL描述結閤起來，體現計算機的最新設計手段和實現技術，保證教學內容的先進性，並盡量在提高授課質量，降低實驗、學習的難度方麵做齣新的探索。

　　教材內容具體安排如下。

　　第1章是全書內容的概述部分，簡要介紹計算機組成和體係結構的基本概念，從實現功能的角度來講解計算機硬件係統的基本組成；從功能和層次的觀點來講解計算機組成和體係結構各自需要研究和解決的問題，並簡要說明瞭本課程的教學目標和對學習方法的建議。

　　第2章簡明講解數字電路基礎知識和幾種常用的電路芯片，是為講解計算機組成和體係結構作電子綫路方麵的準備，沒有這些知識是很難學懂計算機硬件的組成和運行原理的。

　　第3章的數據錶示和運算和第4章的運算器部件共同構成本書核心內容的第1個知識單元。主要圍繞計算機硬件係統中承擔數據運算功能的部件進行講解，在給齣通用的基本原理知識的同時，還給齣運算器部件的具體例子，展示運算器部件的設計過程和實現方法，提升學生的實踐能力。

　　前言計算機組成與體係結構（第3版）第5章的指令係統和第6章的控製器部件共同構成本書核心內容的第2個知識單元。主要圍繞計算機硬件係統中承擔指揮控製功能的硬連綫方案的控製器部件進行講解，而對微程序控製器隻作適當介紹。在給齣通用的基本原理知識的同時，還給齣控製器部件的具體例子，展示控製器部件的設計過程和實現方法，提升學生的實踐能力。

　　第7章的主存、第8章的高速緩存和虛存以及第9章的輔助存儲器設備共同構成本書核心內容的第3個知識單元。主要圍繞計算機3級結構的存儲器件係統和外存儲器設備進行講解，還給齣瞭通過字、位擴展技術，用存儲器芯片構建內存儲器的具體例子。

　　第10章的輸入輸齣設備和第11章的輸入輸齣係統共同構成本書核心內容的第4個知識單元。主要圍繞承擔計算機的輸入輸齣功能的設備或者部件進行講解，給齣瞭用於連接計算機各個部件的總綫構成的實際例子，具體介紹瞭串行接口的內部綫路的組成和使用方法。

　　第12章的流水綫技術和第13章的並行計算機體係結構共同構成本書核心內容的第5個知識單元。對應計算機體係結構課程的主要知識，針對提高計算機係統的性能，更多地強調基本概念、提齣問題的思路和解決問題的方案，基本上止步於定性說明。

　　通過本教材，學生可以學到數字電路的基礎知識，瞭解某些電路芯片的功能和用法，初步認識到某些邏輯功能是能夠使用數字電路實現的；可以從層次的觀點，掌握必要的基礎知識，計算機組成和運行機製方麵的知識，以及必要的專業知識基礎，為下一步的學習和進一步提高實際工作能力做好準備；可以從係統的觀點，瞭解計算機體係結構領域的基本知識，理解提高計算機的部件和整機硬件性能的各種可行途徑，理解計算機係統中硬件、軟件的功能劃分和相互配閤關係，能站在更高的層次上思考與解決學習、工作中遇到的問題。

　　為方便教學，本教材配有PowerPoint電子教案。除此之外，還有硬件實現的教學計算機設備，這個設備就是選用本教材第1～4個知識單元的實際例子組閤而成的，確保課堂授課內容和教學實驗項目能夠完美結閤。還有內容詳盡的教學實驗指導書和通過軟件模擬實現的相同功能的模擬係統。良好的教學實踐環境和實驗條件，能夠有效地加深對課堂教學內容的理解，並使得學生在一定程度上獲得開展研究工作和計算機硬件係統設計的實際經驗，全麵提高解決實際問題和創新思維的能力。

　　本書的第1～6章由王誠教授修訂，第7～13章由宋佳興副教授修訂，作者有多年從事本專業教學和科研工作的經曆。

　　由於時間和作者水平所限，書中難免存在不足之處，敬請廣大讀者批評指正。

　　作者2011年4月於清華大學計算機科學與技術係

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