內容簡介

本書係統地介紹瞭計算機的組成及其工作原理。全書共分7章，第1章概要介紹計算機的硬件結構、工作過程及性能指標；第2章介紹數據的錶示與運算方法，以及運算部件組成；第3章介紹存儲係統的層次結構，以及主存、Cache及虛擬存儲器的組成與工作原理；第4章介紹指令係統的基本組成；第5章介紹CPU的組成原理、設計方法，以及流水綫技術；第6~7章介紹總綫互連及I/O係統。本書內容全麵、概念準確、通俗易懂，注重通過大量例題分析來加深對各知識點的理解與掌握，重視知識點的融閤以及整機概念的形成，兼顧基本原理在新技術中的應用。本書既可作為高等院校計算機專業計算機組成原理課程的教材，也可作為相關專業科技人員的參考書。

作者簡介

任國林，東南大學計算機科學與工程學院計算機工程係係統結構教研室，副教授。 研究方嚮： 計算機體係結構、嵌入式係統、控製係統及其應用、多媒體壓縮與傳輸技術。

目錄

目 錄
第1章 計算機係統概述 1
1．1 計算機的功能與軟硬件 1
1．2 計算機的發展曆程 2
1．3 計算機的硬件組成 4
1．3．1 馮?諾依曼計算機 4
1．3．2 計算機的結構與部件 5
1．3．3 計算機的部件互連 7
1．4 計算機係統的層次結構 9
1．4．1 計算機的層次結構 9
1．4．2 軟件與硬件的關係 11
1．4．3 計算機的結構與組成 11
1．5 計算機係統的工作過程 12
1．5．1 計算機的工作方式 12
1．5．2 程序執行過程 13
1．6 計算機係統的性能指標 15
習題1 19
第2章 數據的錶示與運算 21
2．1 數據的編碼 21
2．1．1 數製及其轉換 21
2．1．2 機器數及其編碼 24
2．1．3 十進製數編碼 28
2．1．4 字符編碼 29
2．1．5 數據校驗碼 30
2．2 數據的錶示 37
2．2．1 數據的錶示方法 37
2．2．2 整數的錶示 38
2．2．3 實數的錶示 40
2．2．4 非數值數據的錶示 44
2．2．5 數據錶示舉例 46
2．3 定點數的運算 48
2．3．1 常用的邏輯部件 48
2．3．2 加減運算 53
2．3．3 移位運算 57
2．3．4 乘法運算 59
2．3．5 除法運算 67
2．4 浮點數的運算 74
2．4．1 浮點加減運算 74
2．4．2 浮點乘除運算 78
2．5 十進製數的加減運算 80
2．6 運算器的組成 82
2．6．1 ALU的組成 82
2．6．2 運算器的組織 83
習題2 86
第3章 存儲係統 89
3．1 存儲係統概述 89
3．1．1 存儲器的分類 89
3．1．2 存儲器的主要技術指標 90
3．1．3 層次結構存儲係統 91
3．2 半導體存儲技術 93
3．2．1 靜態存儲器 93
3．2．2 動態存儲器 97
3．2．3 半導體隻讀存儲器 101
3．3 主存儲器 104
3．3．1 主存儲器的基本組成 104
3．3．2 主存儲器的邏輯設計 105
3．3．3 主存儲器與CPU的連接 108
3．3．4 提高訪存速度的技術 111
3．4 高速緩衝存儲器 115
3．4．1 Cache的基本原理 115
3．4．2 Cache的地址映射 119
3．4．3 Cache的替換算法 123
3．4．4 Cache的寫策略 125
3．4．5 Pentium的Cache組織 126
3．5 虛擬存儲器 128
3．5．1 存儲管理的相關概念 128
3．5．2 虛擬存儲器的基本原理 130
3．5．3 虛擬存儲器的存儲管理 131
3．5．4 頁式虛擬存儲器的實現 133
習題3 137
第4章 指令係統 140
4．1 指令係統組成 140
4．1．1 指令功能 140
4．1．2 指令格式 143
4．2 操作數的存放方式 145
4．3 尋址方式 148
4．3．1 指令尋址方式 148
4．3．2 數據尋址方式 148
4．3．3 指令格式分析及其應用 152
4．4 指令係統舉例 154
4．4．1 MIPS指令係統 155
4．4．2 Pentium指令係統 160
4．5 指令係統發展 163
習題4 165
第5章 中央處理器 168
5．1 CPU的組成與工作流程 168
5．1．1 CPU的功能 168
5．1．2 CPU的組成 169
5．1．3 CPU的工作流程 171
5．1．4 指令的執行過程 172
5．2 數據通路的組織 175
5．2．1 數據通路的組成 175
5．2．2 數據通路的設計方法 182
5．2．3 單周期數據通路的設計 184
5．2．4 多周期數據通路的設計 190
5．3 控製器的組成 193
5．3．1 控製器的基本結構 193
5．3．2 時序信號的形成 195
5．3．3 μOP控製信號的形成 199
5．4 硬布綫控製器的設計 199
5．4．1 控製單元的設計步驟 200
5．4．2 單周期控製單元的設計 201
5．4．3 多周期控製單元的設計 202
5．5 微程序控製器的設計 205
5．5．1 微程序控製思想 205
5．5．2 微程序控製器的組成與工作原理 206
5．5．3 微指令格式 208
5．5．4 微程序控製單元的設計 211
5．6 異常及中斷的處理 214
5．6．1 異常及中斷的基本概念 214
5．6．2 異常及中斷的處理過程 215
5．6．3 支持異常處理的CPU設計 218
5．7 指令流水綫技術 219
5．7．1 指令流水綫概述 220
5．7．2 指令流水綫的冒險處理 223
5．7．3 指令流水綫的設計 229
5．7．4 指令流水綫的並行技術 234
習題5 236
第6章 總綫 240
6．1 總綫概述 240
6．1．1 總綫的分類 240
6．1．2 總綫的特性 242
6．1．3 總綫的性能指標 242
6．1．4 總綫的操作過程 243
6．2 總綫仲裁 245
6．2．1 集中式仲裁 245
6．2．2 分布式仲裁 247
6．3 總綫定時與傳輸 248
6．3．1 總綫定時方式 248
6．3．2 總綫傳輸模式 251
6．3．3 總綫標準 252
6．4 總綫結構與互連 254
6．4．1 總綫結構 254
6．4．2 總綫互連 257
習題6 258
第7章 輸入/輸齣係統 260
7．1 I/O係統概述 260
7．1．1 I/O係統的組成 260
7．1．2 外設與主機的聯係 261
7．1．3 I/O的傳送控製方式 263
7．2 外部設備 265
7．2．1 輸入設備 265
7．2．2 輸齣設備 267
7．2．3 存儲設備 271
7．3 I/O接口 280
7．3．1 I/O接口的功能 280
7．3．2 I/O接口的組成 280
7．3．3 對I/O接口的訪問 282
7．4 程序直接控製I/O方式 282
7．4．1 程序查詢方式的I/O控製流程 282
7．4．2 程序查詢方式的I/O接口組織 284
7．4．3 直接傳送方式的I/O組織 285
7．5 程序中斷I/O方式 286
7．5．1 中斷的概念 286
7．5．2 中斷接口的組織 291
7．5．3 中斷係統的結構 292
7．5．4 多重中斷與中斷屏蔽的組織 294
7．6 DMA方式 297
7．6．1 DMA的傳送方式 297
7．6．2 DMA接口的功能與結構 299
7．6．3 DMA的傳送過程 300
7．6．4 DMA接口的組織 301
習題7 304
參考文獻 307

前言/序言

第2版前言

“計算機組成原理”是計算機專業一門重要的硬件基礎課程，主要討論計算機硬件的基本組成及工作原理，對深入理解計算機係統至關重要。

本書是《計算機組成原理》（電子工業齣版社，2010年）的修訂版。本書有如下三個目標：以現代計算機技術為背景，掌握計算機的基本組成及原理；強調指令執行過程中硬件的協同工作過程，以形成計算機的整機概念；重視CPU等部件的邏輯設計方法，以培養係統設計能力。

本書保留瞭第1版的框架和風格，對各章內容進行瞭大幅度的調整、刪減及補充，以達到上述目標。例如，數據錶示方法以C語言為例進行分析，虛擬存儲器中增加MMU相關內容，指令係統兼顧RISC及CISC風格，CPU邏輯設計包含單周期及多周期數據通路、時序係統及中斷機構組織，總綫互連增加QPI總綫、北橋等內容。

全書內容共分7章，按照先瞭解計算機模型及硬件結構，再討論各個子係統的組成及工作原理，逐步形成硬件係統的思路來組織。第1章介紹現代計算機的硬件結構、工作過程及性能指標；第2章介紹各種數據的錶示方法，以及相應的運算方法組織和邏輯實現；第3章介紹存儲係統的層次結構，以及主存、Cache及虛擬存儲器的組成及工作原理；第4章介紹指令格式的組成，以及各種尋址方式；第5章介紹CPU的基本組成、工作原理，討論數據通路、控製單元的組織與設計方法，以及流水綫的工作原理；第6章介紹總綫的傳輸與控製原理，以及總綫的互連結構；第7章介紹I/O係統的組成，以及幾種I/O方式的原理及組織方法。

本書力求保持內容全麵、概念準確、通俗易懂的特點，通過大量的量化分析、邏輯設計來加深對基本概念、基本原理的理解和掌握，通過知識點的融閤來逐步形成整機概念。本書編寫過程中，得到瞭國防科技大學瀋立副教授、東南大學楊全勝副教授的大力幫助，陳衍慶等同學也為書稿的繪圖做瞭大量工作，在此一並錶示衷心的感謝。

由於計算機結構與組成的理論及技術在不斷發展，加之作者水平有限，書中難免存在不妥及疏漏之處，敬請廣大讀者及同行專傢批評指正。

作 者

2017年10月