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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ALU 64

2.6.2　32位ALU 65

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CISC 146

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