计算机组成原理 第2版

党的二十大报告中指出： 教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，这三大战略共同服务于创新型国家的建设。高等教育与经济社会发展紧密相连，对促进就业创业、助力经济社会发展、增进人民福祉具有重要意义。

本书对《计算机组成原理》进行了更新，使之更能满足当前的教学要求。

本书在介绍“数字逻辑”核心内容的基础上，详细论述了计算机的主要功能部件及其相互连接，以及这些功能部件的功能与设计。全书共分13章： 第1章为“计算机系统概论”，简单介绍计算机系统的硬件组成、多级层次结构以及计算机的性能指标等； 第2章介绍数制与编码； 第3章介绍布尔代数的基本概念、公式、定律和规则，论述了布尔函数的基本形式和布尔函数的化简； 第4章介绍逻辑门电路和组合逻辑电路的分析与设计方法； 第5章介绍时序逻辑电路的分析与设计方法； 第6章用分步解析图详细介绍计算机中程序的执行过程； 第7章讲述指令系统，首先介绍计算机指令系统的基本知识，然后讨论指令系统设计的有关问题，最后介绍典型的RISC处理器MIPS的指令系统； 第8章阐述中央处理器，以一个类MIPS的模型机为例，详细讲解数据通路的建立以及控制器的设计，并介绍流水线技术； 第9章讨论微程序控制器； 第10章是“运算方法与运算器”，论述运算方法、运算器的组成以及设计； 第11章阐述存储器系统，包括各种类型存储器的基本工作原理、并行存储器、磁表面存储器等； 第12章阐述总线的工作原理及典型的总线实例，包括PCI总线、SCSI总线、USB总线等； 第13章是“输入/输出系统”，阐述各种输入/输出方式以及中断系统。

为便于教学，本书提供丰富的配套资源，包括教学大纲和教学课件，扫描封底的文泉云盘防盗码，再扫描目录上方的二维码下载。

本书按层次和模块化结构组织教学内容，授课教师可以根据需要及课时的多少，对内容进行灵活的取舍。教学课时可以安排为32～48学时。

本书的大部分内容由同济大学的张晨曦编写。其余部分分工如下： 同济大学的张惠娟负责编写第12章，山东交通学院的杨万春负责编写第11章，同济大学的王冬青负责编写第13章，同济大学的李江峰负责编写第10章，国防科技大学的刘真负责编写第4章和第5章。

本书可作为高等院校计算机、自动化、电子工程等相关专业的教学用书，也可供相关领域的科技人员参考。

本书直接或间接地引用了许多专家和学者的文献或著作，在此向他们表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正。

编者2023年10月于上海

本书系统、深入地论述了数字逻辑和计算机组成原理。全书共分13章，第2～5章为数字逻辑方面的内容，系统地讲述数字逻辑电路的分析和设计方法，包括数制与编码、布尔代数基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路。其余章为计算机组成原理方面的内容，包括计算机系统概论、计算机执行程序的过程、指令系统、中央处理器、微程序控制器、运算方法与运算器、存储器、总线系统、输入/输出系统。本书强调设计，以MIPS的一个简单实现为例，逐步、系统地讲述了中央处理器的设计。

本书内容全面，层次性好，语言简练，通俗易懂，可作为高等院校计算机、自动化、电子工程等相关专业的教学用书，也可供相关领域的科技人员参考。

配套资源

第1章计算机系统概论

1.1引言

1.2计算机系统的硬件组成

1.3计算机的软件系统

1.3.1系统软件

1.3.2应用软件

1.4计算机的性能指标

1.5计算机的发展简史

1.5.1第一台计算机

1.5.2计算机的四代变化

1.5.3计算机发展的重大事件

1.5.4微处理器的发展

1.6计算机的分类与应用

1.6.1计算机的分类

1.6.2计算机的应用

习题1

第2章数制与编码

2.1进位记数制与数制转换

2.1.1进位记数制及其表示

2．1．2数制转换

2.2带符号数的表示方法

2.2.1原码表示法

2.2.2补码表示法

2.2.3反码表示法

2.2.4移码表示法

2.3数的定点表示与浮点表示

2.3.1数的定点表示

2.3.2数的浮点表示

2.4常用的其他编码

2.4.1十进制数的二进制编码

2.4.2字符代码

2.4.3可靠性编码

习题2

第3章布尔代数基础

3．1布尔代数的基本概念

3．1．1布尔变量及其基本运算

3．1．2布尔函数及其表示方法

3．1．3布尔函数的“相等”概念

3．2布尔代数的公式、定理和规则

3．2．1布尔代数的基本公式

3．2．2布尔代数的主要定理

3．2．3布尔代数的重要规则

3．3布尔函数的基本形式

3．3．1函数的“积之和”与“和之积”形式

3．3．2函数的“标准积之和”与“标准和之积”形式

3．4不完全确定的布尔函数

3．5布尔函数的化简

3.5.1代数化简法

3.5.2卡诺图化简法

3.5．3列表化简法

习题3

第4章组合逻辑电路

4.1常用逻辑门的图形符号

4.2布尔函数的实现

4.2.1用与非门实现布尔函数

4.2.2用或非门实现布尔函数

4.2.3用与或非门实现布尔函数

4.3组合电路的分析

4.4组合电路的设计

4.5常用组合电路

4.5.1加法器

4.5.2十进制数字的七段显示

4.5.3二进制比较器

4.6二进制译码器

4.6.1二进制译码器的功能和组成

4.6.2用中规模集成译码器进行设计

4.7多路选择器

4.7.1多路选择器的逻辑功能和组成

4.7.2用多路选择器进行逻辑设计

4.8多路分配器

4.9组合电路中的险态

习题4

第5章时序逻辑电路

5.1时序电路与时序机

5.1.1时序电路的结构和特点

5.1.2时序机的定义

5.1.3时序机的状态表和状态图

5.1.4完全定义机和不完全定义机

5.2触发器

5.2.1基本RS触发器

5.2.2同步RS触发器

5.2.3JK触发器

5.2.4D触发器

5.2.5T触发器

5.3同步时序电路的分析与设计

5.3.1建立原始状态表

5.3.2状态表的化简

5.3.3状态分配

5.3.4确定激励函数和输出函数

5.3.5分析与设计举例

5.4常用的同步时序电路

5.4.1寄存器

5.4.2计数器

5.4.3节拍信号发生器

习题5

第6章计算机执行程序的过程

6.1样例程序

6.2第1条指令的执行过程

6.3第2条指令的执行过程

6.4第3条指令的执行过程

6.5第4条指令的执行过程

6.6第5条指令的执行过程

6.7第6条指令的执行过程

习题6

第7章指令系统

7.1指令格式

7.1.1指令的地址码

7.1.2指令的操作码

7.1.3指令长度

7.2数据类型

7.3寻址方式

7.4指令类型与功能

7.5指令系统的设计

7.5.1对指令系统的基本要求

7.5.2指令格式的设计

7.6指令系统的发展和改进

7.6.1沿CISC方向发展和改进指令系统

7.6.2沿RISC方向发展和改进指令系统

7.7指令系统实例： MIPS的指令系统

习题7

第8章中央处理器

8.1CPU的功能和组成

8.1.1CPU的功能

8.1.2CPU的基本组成

8.1.3指令执行的基本步骤

8.2关于模型机

8.3逻辑设计的约定和定时方法

8.3.1逻辑设计的约定

8.3.2定时方法

8.4实现MIPS的一个基本方案

8.4.1构建基本的数据通路

8.4.2ALU控制器

8.4.3单周期数据路径的控制器

8.5多周期实现方案

8.5.1为什么要采用多周期

8.5.2指令分步执行过程（按周期分步）

8.6控制器的设计

8.6.1控制器的组成

8.6.2控制方式与时序系统

8.6.3模型机控制器的设计

8.7流水线技术

8.7.1流水线的基本概念

8.7.2流水线的性能指标

8.7.3一条经典的5段流水线

8.8经典微处理器

8.8.1Intel 80386/80486

8.8.2Pentium微处理器

8.8.3Alpha微处理器

习题8

第9章微程序控制器

9.1微程序控制的基本原理

9.2微程序控制器的组成与工作过程

9.3微程序设计技术

9.3.1微指令的编码方法

9.3.2微指令格式

9.3.3微程序的顺序控制

9.3.4微指令的执行方式

9.4模型机的微程序控制器

9.4.1模型机的微指令格式

9.4.2构造微程序

习题9

第10章运算方法与运算器

10.1移位运算

10.2定点数的加减法运算

10.2.1补码加减法运算规则

10.2.2补码加减法运算的硬件实现

10.2.3溢出的判断

10.3定点数的乘除法运算

10.3.1原码一位乘法

10.3.2补码一位乘法

10.3.3阵列乘法器

10.3.4原码一位除法

10.3.5阵列除法器

10.4定点运算器的构成

10.4.1算术逻辑运算单元

10.4.2寄存器组

10.4.3运算器的基本结构

10.5浮点运算

10.5.1浮点加减法运算

10.5.2浮点乘除法运算

习题10

第11章存储器

11.1存储子系统概述

11.1.1三级存储层次

11.1.2存储器的分类

11.2主存储器

11.2.1主存储器的组成

11.2.2数据在存储器中的存放

11.2.3主存的主要技术指标

11.3随机存储器

11.3.1静态随机存储器

11.3.2动态随机存储器

11.3.3RAM芯片

11.3.4动态RAM的刷新

11.4只读存储器和闪速存储器

11.4.1只读存储器

11.4.2闪速存储器

11.5主存的设计

11.6并行主存储器

11.6.1单体多字存储器

11.6.2多体交叉存储器

11.7辅助存储器

11.7.1磁表面存储器

11.7.2磁盘存储器

11.7.3光盘存储器

习题11

第12章总线系统

12.1总线概述

12.1.1总线的基本概念

12.1.2总线的分类

12.1.3总线的连接方式

12.2总线系统的工作原理

12.2.1主设备/从设备

12.2.2总线控制器

12.2.3总线的工作过程

12.2.4总线接口

12.3仲裁、定时和数据传送

12.3.1总线的仲裁

12.3.2总线的定时

12.3.3总线的数据传送方式

12.4总线实例

12.4.1总线的标准化

12.4.2PCI总线

12.4.3ISA总线

12.4.4EISA总线

12.4.5VESA总线（VL总线）

12.4.6SCSI总线

12.4.7USB总线

12.4.8IEEE 1394总线

12.4.9EIA RS232D总线

习题12

第13章输入/输出系统

13.1I/O系统概述

13.1.1主机与外设之间的连接方式

13.1.2I/O设备的编址方式

13.1.3数据传送控制方式

13.2I/O接口

13.3程序查询方式

13.4中断系统

13.4.1中断概述 

13.4.2中断请求信号的建立、屏蔽与传送

13.4.3中断源的识别与判优

13.4.4中断响应与中断处理

13.4.5多重中断与中断屏蔽

13.5程序中断I/O控制方式

13.6直接存储器访问DMA方式

13.6.1DMA的基本概念

13.6.2DMA的传送方式

13.6.3DMA控制器的组成

13.6.4DMA的数据传送过程

习题13

参考文献

本书系统、深入地论述了数字逻辑和计算机组成原理。全书共分13章，第2～5章为数字逻辑方面的内容，系统地讲述数字逻辑电路的分析和设计方法，包括数制与编码、布尔代数基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路。其余章为计算机组成原理方面的内容，包括计算机系统概论、计算机执行程序的过程、指令系统、中央处理器、微程序控制器、运算方法与运算器、存储器、总线系统、输入/输出系统。本书强调设计，以MIPS的一个简单实现为例，逐步、系统地讲述了中央处理器的设计。

本书内容全面，层次性好，语言简练，通俗易懂，可作为高等院校计算机、自动化、电子工程等相关专业的教学用书，也可供相关领域的科技人员参考。

本书系统、深入地论述了数字逻辑和计算机组成原理。本书提供教学大纲、教学课件等配套资源。