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第1章　绪论1

1.1　计算机的基本概念与计算机的工作过程1

1.1.1 为什么需要计算机1

1.1.2　软件的概念1

1.1.3　硬件的概念4

1.1.4　指令系统——软、硬件的接口5

1.2　结构化设计（研究）方法与计算机组成原理课程的研究内容7

1.2.1　分层概念和结构化设计（研究）方法7

1.2.2　结构的分解8

1.2.3 计算机组成原理课程的研究内容11

1.3　计算机组成和体系结构12

1.4　冯·诺依曼计算机13

1.5　计算机性能指标15

1.6　计算机的发展简史16

1.7　计算机的应用21

1.8　本章小结21

本章主要英汉词汇对照22

习题23

第2章　运算方法理论基础与运算器设计24

2.1　真值与机器数24

2.1.1　真值的概念24

2.1.2　机器数27

2.1.3　带符号定点数的表示方法29

2.1.4　计算机浮点数的表示方法29

2.2　二进制带符号数的表示方法30

2.2.1　原码表示方法30

2.2.2　补码表示方法32

2.2.3　反码表示方法42

2.2.4　移码表示方法44

2.3　字符与字符串的表示方法44

2.4　定点加减运算与溢出判断45

2.4.1　补码加法运算45

2.4.2　负真值的补码及补码的运算规则47

2.4.3　溢出与检测方法48

2.4.4　基本的二进制加法／减法器55

2.4.5　十进制加法57

2.4.6　定点运算器的先行进位58

2.5　逻辑运算62

2.5.1　逻辑非62

2.5.2　逻辑加62

2.5.3　逻辑乘62

2.5.4　异或63

2.6　算术逻辑单元的组织63

2.6.1　1位ALU64

2.6.2　32位ALU65

2.7　定点乘法运算66

2.7.1　原码一位乘法66

2.7.2　补码一位乘法68

2.7.3　补码两位乘法71

2.7.4　阵列乘法器75

2.8　定点除法运算76

2.8.1 定点原码除法76

2.8.2　定点补码除法79

2.8.3　阵列除法86

2.9　浮点运算89

2.9.1　浮点数的表示89

2.9.2　移码的加减法运算与溢出判断90

2.9.3　二进制浮点数表示的IEEE 754标准93

2.9.4　浮点算术运算96

2.10　同余式与同余方程式的基本概念105

2.10.1 同余式的基本概念105

2.10.2　同余方程式的基本概念107

2.11 校验码107

2.11.1 误码率107

2.11.2 奇偶校验108

2.11.3　海明码109

2.11.4　循环冗余校验110

2.12　本章小结111

本章主要英汉词汇对照118

习题119

大作业121

第3章　指令系统122

3.1　指令系统概述122

3.1.1　指令系统的基本概念122

3.1.2　指令的要素123

3.1.3　指令的表示124

3.1.4　指令系统设计应该考虑的问题126

3.2　操作数类型127

3.2.1 地址127

3.2.2　数值127

3.2.3 字符128

3.2.4　逻辑数据128

3.3　指令类型129

3.3.1　数据传送类型129

3.3.2　算术运算类型130

3.3.3 逻辑运算类型130

3.3.4　移位操作类型130

3.3.5　转移控制类型131

3.3.6　输入输出类型131

3.4　寻址方式132

3.4.1　立即寻址方式133

3.4.2　直接寻址方式134

3.4.3 间接寻址方式134

3.4.4　寄存器寻址方式135

3.4.5　寄存器间接寻址方式135

3.4.6　偏移量寻址方式136

3.5　指令格式137

3.5.1 操作码字段的确定137

3.5.2　地址码字段的确定137

3.6　本章小结140

本章主要英汉词汇对照142

习题143

第4章 中央处理器设计（RISC）145

4.1 计算机组成的层次概念145

4.2　RISC与CISC146

4.2.1 精简指令系统计算机146

4.2.2　精简指令系统计算机体系结构146

4.2.3 复杂指令系统计算机148

4.3　模型机的指令系统148

4.3.1 把模型机的汇编语句翻译成机器指令149

4.3.2　模型机的指令格式150

4.3.3　模型机寻址方式150

4.4　汇编语言概念156

4.5　指令系统——软件的接口157

4.5.1 把C语言赋值语句编译成模型机汇编语言程序157

4.5.2　把模型机的汇编语言翻译成机器语言163

4.5.3 把C语言的条件转移语句编译成模型机的汇编语言程序165

4.5.4　把C语言的循环语句编译成模型机的汇编语言程序167

4.5.5　使用无条件转移地址表编译switch语句169

4.6　CPU的设计——数据路径与控制器172

4.6.1 概述173

4.6.2　单周期数据路径174

4.6.3 单周期数据路径的控制单元的设计183

4.6.4　多周期数据路径196

4.6.5 多周期数据路径主控制单元的设计220

4.6.6　异常概念248

4.7　本章小结248

本章主要英汉词汇对照250

习题250

第5章　CISC中央处理器254

5.1　CISC的特点概述254

5.2　CPU的结构255

5.2.1　CPU内部各个部件的功能256

5.2.2　CPU的工作过程257

5.3　CPU的指令系统258

5.3.1 指令的定义258

5.3.2　指令格式260

5.4　控制信号与各类指令的工作过程262

5.4.1 控制单元中的控制信号262

5.4.2　各类指令的工作过程263

5.5　控制单元的设计271

5.5.1 机器周期的确定原则271

5.5.2　硬布线控制器的设计272

5.5.3　微程序控制器的设计275

5.6　本章小结280

本章主要英汉词汇对照282

习题282

大作业283

第6章　流水线原理及其在CPU设计中的应用284

6.1 概述284

6.2　指令流水线概念及指令的重叠运行方式284

6.3　时空图289

6.4　流水线的分类290

6.5　流水线性能指标与线性流水线性能分析291

6.5.1　线性流水线的性能分析293

6.5.2　流水线的特点（与串行顺序方式相比）298

6.6　非线性流水线299

6.6.1 引言299

6.6.2　预约表300

6.6.3 启动距离（等待时间）分析301

6.6.4　迭加原理与无冲突调度方法305

6.7　非线性流水线的性能分析313

6.7.1 引言313

6.7.2　非线性流水线TK的求法313

6.7.3　非线性流水线的吞吐率、效率、加速比以及相互间的关系314

6.7.4　非线性流水线的渐近吞吐率、渐近效率、渐近加速比以及相互间的关系314

6.8　模型机的指令级流水线317

6.8.1 模型机流水线的数据路径318

6.8.2　模型机流水线的控制322

6.9　相关及其处理324

6.9.1　相关概念324

6.9.2 结构相关324

6.9.3　数据相关327

6.9.4　控制相关344

6.10　流水线的基本性能问题356

6.11　超标量流水线概念357

6.12　本章小结358

本章主要英汉词汇对照360

习题361

第7章　存储体系364

7.1　概论364

7.1.1　存储器的功能364

7.1.2　存储器的分类365

7.1.3　存储器的主要技术指标367

7.2　存储器组织369

7.2.1　存储单元369

7.2.2　半导体存储器芯片组织逻辑369

7.2.3　静态存储器与动态存储器372

7.2.4　芯片封装375

7.3　存储器与CPU的连接376

7.4　其他类型的存储器378

7.5　并行存储器380

7.5.1 双端口存储器380

7.5.2　多体交叉存储器381

7.5.3　相联存储器383

7.6　存储体系384

7.6.1　虚拟存储器384

7.6.2　页式管理386

7.6.3　段式管理388

7.7　高速缓冲存储器（Cache）389

7.7.1 程序访问的局部性原理389

7.7.2　地址映射391

7.7.3　Cache的替换算法395

7.7.4　Cache的写策略396

7.8　两级存储器的性能397

7.9　本章小结398

本章主要英汉词汇对照399

习题399

第8章　总线与输入输出402

8.1 总线概述402

8.1.1 总线的基本概念402

8.1.2　总线的功能403

8.1.3　总线的分类403

8.1.4　总线的组成及其性能指标406

8.2　总线仲裁407

8.2.1　集中式仲裁方式408

8.2.2　分布式仲裁方式409

8.3　总线操作与定时410

8.3.1 同步定时方式410

8.3.2　异步定时方式412

8.4　总线标准415

8.5　I/O接口416

8.5.1 概述416

8.5.2　I/O接口概念416

8.5.3　I/O接口的功能和基本结构417

8.5.4　I/O接口的编址419

8.5.5　I/O方式——输入输出的基本控制方式420

8.6　主机与I/O设备间的连接方式428

8.6.1 总线方式429

8.6.2　星型连接方式430

8.7　本章小结431

本章主要英汉词汇对照432

习题433

第9章　外部设备简介434

9.1　概述434

9.2　键盘434

9.2.1　键及其工作原理434

9.2.2　键盘的组织与工作原理436

9.3 鼠标437

9.3.1 鼠标的工作原理437

9.3.2　光学式鼠标437

9.3.3　光电式鼠标438

9.3.4　机械式鼠标438

9.4　显示器438

9.4.1 液晶显示器的结构和工作原理438

9.4.2　CRT显示器的结构和工作原理440

9.4.3　字符显示440

9.4.4　位图显示441

9.5 打印机442

9.5.1　单色打印机442

9.5.2　彩色打印机445

9.6　外部存储器446

9.6.1　外存储器概述446

9.6.2　硬盘存储器447

9.6.3　磁盘阵列451

9.6.4　光盘存储器457

9.7　本章小结460

本章主要英汉词汇对照460

习题461

附录A　不同进位制之间的相互转换462

A.1　r进制整数转换成t进制整数462

A.2　r进制纯小数转换成t进制纯小数463

附录B　记数系统的理论基础466

附录C　一一映射的基本概念468

附录D　逻辑电路图形符号对照表469

参考文献470