计算机组成原理教程

目 录
第1章 绪论 1
1.1 计算机的基本概念 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 计算机的发展简史 15
第0代——机械计算机 16
第1代——电子管计算机（1945—1955） 18
第2代——晶体管计算机（1955—1965） 18
第3代——集成电路计算机（1965—1980） 18
第4代——超大规模集成电路计算机（1980— ） 19
1.6 计算机的应用 20
本章主要英汉词汇对照 20
1.7 本章小结 21
习题 22
第2章 运算方法的理论基础与运算器设计 23
2.1 真值与机器数 23
2.1.1 真值的概念 23
2.1.2 机器数 26
2.1.3 计算机带符号定点数的表示方法 26
2.1.4 计算机浮点数的表示方法 27
2.2 二进制带符号数的表示方法 28
2.2.1 原码表示方法 28
2.2.2 补码表示方法 29
2.2.3 反码表示方法 33
2.2.4 移码表示方法 35
2.3 字符与字符串的表示方法 35
2.4 定点加减运算与溢出判断 37
2.4.1 补码加法运算 37
2.4.2 负数的补码及补码的运算规则 38
2.4.3 溢出与检测方法 40
2.4.4 基本的二进制加法器/减法器 42
2.4.5 十进制加法器 44
2.4.6 定点运算器的先行进位 46
2.5 逻辑运算 49
2.5.1 逻辑非 49
2.5.2 逻辑加 49
2.5.3 逻辑乘 50
2.5.4 逻辑异或 50
2.6 算术逻辑单元的组织 51
2.6.1 1位ALU 51
2.6.2 32位ALU 52
2.7 定点乘法运算 53
2.7.1 原码一位乘法 53
2.7.2 补码一位乘法 55
2.7.3 补码两位乘法 59
2.7.4 阵列乘法器 62
2.8 定点除法运算 63
2.8.1 定点原码除法 63
2.8.2 定点补码除法 66
2.8.3 阵列除法 73
2.9 浮点运算 76
2.9.1 浮点数的表示 76
2.9.2 移码的运算 77
2.9.3 二进制浮点数表示的IEEE标准 80
2.9.4 浮点算术运算 83
2.10 同余式基本概念 92
2.11 本章小结 94
本章主要英汉词汇对照 100
习题 101
第3章 指令系统 103
3.1 指令系统概述 103
3.1.1 指令系统的基本概念 103
3.1.2 指令的要素 104
3.1.3 指令的表示 105
3.1.4 指令系统设计应该考虑的问题 107
3.2 操作数类型 107
3.2.1 地址 108
3.2.2 数值 108
3.2.3 字符 108
3.2.4 逻辑数据 109
3.2.5 数据类型举例 109
3.3 指令类型 111
3.3.1 数据传送类型 111
3.3.2 算术运算类型 112
3.3.3 逻辑运算类型 112
3.3.4 移位操作类型 112
3.3.5 转移控制类型 113
3.3.6 输入输出类型 114
3.3.7 指令类型举例 114
3.4 寻址方式 118
3.4.1 立即寻址方式 119
3.4.2 直接寻址方式 119
3.4.3 间接寻址方式 119
3.4.4 寄存器寻址方式 120
3.4.5 寄存器间接寻址方式 120
3.4.6 偏移量寻址方式 121
3.4.7 实际机器的寻址方式简介 122
3.5 指令格式 124
3.5.1 指令格式的选择 124
3.5.2 实际指令格式简介 127
3.6 本章小结 130
习题 133
第4章 中央处理器设计 135
4.1 计算机组成的层次概念 135
4.2 RISC与CISC 136
4.2.1 高级语言计算机体系结构 136
4.2.2 精简指令系统计算机体系结构 136
4.2.3 复杂指令系统的依据 138
4.3 模型机的指令系统 138
4.3.1 把模型机的汇编语句翻译成机器指令 139
4.3.2 模型机的指令格式 140
4.3.3 模型机寻址方式 141
4.4 汇编语言概念 146
4.5 指令系统——软件的接口 148
4.5.1 把C语言赋值语句编译成模型机汇编语言程序 148
4.5.2 把模型机的汇编语言翻译成机器语言 154
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 155
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 157
4.5.5 使用无条件转移地址表编译switch语句 160
4.6 CPU的设计——数据路径与控制器 163
4.6.1 概述 163
4.6.2 单周期数据路径 164
4.6.3 单周期数据路径的控制器 173
4.6.4 多周期数据路径 186
4.6.5 多周期数据路径主控制单元（控制器）的设计 209
4.6.6 异常概念 237
4.7 本章小结 237
本章主要英汉词汇对照 239
习题 239
第5章 流水线原理及其在CPU 设计中的应用 243
5.1 概述 243
5.2 指令流水线概念及指令的重叠执行方式 243
5.3 时空图 248
5.4 流水线的分类 249
5.5 流水线性能指标与线性流水线性能分析 250
5.5.1 线性流水线的性能分析 252
5.5.2 流水线的特点（与串行顺序方式相比） 257
5.6 非线性流水线 258
5.6.1 引言 258
5.6.2 预约表 259
5.6.3 启动距离（等待时间）分析 260
5.6.4 迭加原理与无冲突调度方法 264
5.7 非线性流水线的性能分析 272
5.7.1 引言 272
5.7.2 非线性流水线TK的求法 272
5.7.3 非线性流水线的吞吐率、效率、加速比和相互间的关系 273
5.7.4 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 273
5.8 模型机的指令级流水线 276
5.8.1 模型机的流水线数据路径 277
5.8.2 模型机流水线的控制 281
5.9 相关及其处理 283
5.9.1 相关概念 283
5.9.2 结构相关 283
5.9.3 数据相关 286
5.9.4 控制相关 303
5.10 流水线的基本性能问题 315
5.11 本章小结 316
本章主要英汉词汇对照 319
习题 319
第6章 存储体系 322
6.1 概论 322
6.1.1 存储器的功能 322
6.1.2 存储器的分类 323
6.1.3 存储器的主要技术指标 324
6.2 存储器组织 327
6.2.1 存储单元 327
6.2.2 半导体存储器芯片组织逻辑 327
6.2.3 静态芯片逻辑与动态芯片逻辑 330
6.2.4 芯片封装 333
6.3 存储器与CPU的连接 334
6.4 半导体只读存储器（ROM） 336
6.5 并行存储器 338
6.5.1 双端口存储器 338
6.5.2 多体交叉存储器 339
6.5.3 相联存储器 341
6.6 存储体系 342
6.6.1 虚拟存储器 342
6.6.2 页式管理 343
6.6.3 段式管理 345
6.7 高速缓冲存储器（Cache） 345
6.7.1 基本原理 345
6.7.2 地址映射与变换 348
6.7.3 替换算法 350
6.7.4 两级存储器的性能 351
6.8 本章小结 351
本章主要英汉词汇对照 353
习题 353
第7章 总线与输入输出 355
7.1 概述 355
7.2 接口概念与分类 355
7.3 输入输出的基本控制方式 357
7.4 计算机总线 359
7.4.1 总线的功能 360
7.4.2 总线的分类 361
7.4.3 总线的设计原则和工作原理 362
7.5 主机与外围设备间的连接方式 370
7.6 本章小结 374
本章主要英汉词汇对照 376
习题 376
附录 新旧逻辑电路图形符号对照表 377
参考文献 378