计算机组成原理（第4版）

本书系统地介绍了计算机的基本组成原理和内部工作机制。主要内容分成两个部分,由9章组成： □□、□章介绍计算机的基础知识；第3～9章介绍计算机的各子系统（包括运算器、存储器、控制器、总线、外部设备和输入输出子系统等）的基本组成原理、设计方法、相互关系以及各子系统互相连接构成整机系统的技术。

本书讲述了计算机的基本原理和基本概念，并注意与实用性和先进性相结合。全书内容由浅入深，通俗易懂，每章之后均附有习题，便于自学。

本书可以作为高等院校计算机及相关专业“计算机组成原理”课程的教材，也可供从事计算机工作的工程技术人员参考。

第1章概论1

1.1电子计算机与存储程序控制1

1.1.1电子计算机的发展1

1.1.2存储程序概念2

1.2计算机的硬件组成3

1.2.1计算机的主要部件3

1.2.2计算机各大部件之间连接4

1.2.3不同对象观察到的计算机硬件系统5

1.2.4冯·诺依曼结构和哈佛结构的存储器设计思想7

1.3计算机系统9

1.3.1硬件与软件的关系9

1.3.2系列机和软件兼容9

1.3.3计算机系统的多层次结构10

1.3.4实际机器和虚拟机器11

1.4计算机的工作过程和主要性能指标11

1.4.1计算机的工作过程11

1.4.2计算机的主要性能指标12

习题14

第2章数据的机器层次表示15

2.1数值数据的表示15

2.1.1计算机中的数值数据15

2.1.2无符号数和带符号数15

2.1.3原码表示法16

2.1.4补码表示法17

2.1.5反码表示法18

2.1.63种机器数的比较与转换19

2.2机器数的定点表示与浮点表示20

2.2.1定点表示法20

2.2.2浮点表示法第1

2.2.3浮点数阶码的移码表示法24

2.2.4浮点数尾数的基数25

2.2.5IEEE 754标准浮点数26

2.2.6定点、浮点表示法与定点、浮点计算机28

2.3非数值数据的表示29

2.3.1字符和字符串的表示29

2.3.2汉字的表示30

2.3.3统一代码33

2.4十进制数和数串的表示34

2.4.1十进制数的编码34

2.4.2十进制数串35

2.5不同类型的数据表示举例36

2.5.1C语言中的数据表示36

2.5.2现代微型计算机系统中的数据表示38

2.6数据校验码39

2.6.1奇偶校验码40

2.6.2汉明校验码42

2.6.3循环冗余校验码45

习题46

3.1指令格式49

3.1.1机器指令的基本格式49

3.1.2地址码结构50

3.1.3指令的操作码52

3.2寻址技术54

3.2.1编址方式54

3.2.2指令寻址和数据寻址55

3.2.3基本的数据寻址方式56

3.2.4变型或组合寻址方式61

3.3堆栈与堆栈操作63

3.3.1堆栈结构63

3.3.2堆栈操作65

3.4指令类型65

3.4.1数据传送类指令65

3.4.2运算类指令66

3.4.3程序控制类指令67

3.4.4输入输出类指令69

3.4.580x86指令系统举例70

3.5指令系统的发展72

3.5.1x86架构的扩展指令集72

3.5.2从复杂指令系统到精简指令系统74

3.5.3VLIW和EPIC74

习题76

第4章数值的机器运算79

4.1基本算术运算的实现79

4.1.1加法器79

4.1.2进位的产生和传递80

4.1.3并行加法器的快速进位81

4.2定点加减运算83

4.2.1原码加减运算83

4.2.2补码加减运算84

4.2.3补码的溢出判断与检测方法86

4.2.4补码定点加减运算的实现88

4.3带符号数的移位和舍入操作89

4.3.1带符号数的移位操作89

4.3.2带符号数的舍入操作90

4.4定点乘法运算91

4.4.1原码一位乘法91

4.4.2补码一位乘法93

4.4.3补码两位乘法96

4.4.4阵列乘法器98

4.5定点除法运算99

4.5.1原码除法运算99

4.5.2补码除法运算102

4.5.3阵列除法器105

4.6规格化浮点运算106

4.6.1浮点加减运算106

4.6.2浮点乘除运算108

4.6.3浮点运算器的实现110

4.7十进制整数的加法运算110

4.7.1一位十进制加法运算110

4.7.2十进制加法器112

4.7.3多位十进制加法113

4.8逻辑运算与实现114

4.9运算器的基本组成与实例115

4.9.1运算器结构115

4.9.2ALU举例117

4.9.3浮点运算器举例119

习题121

第5章存储系统和结构123

5.1存储系统的组成123

5.1.1存储器分类123

5.1.2存储系统层次结构125

5.2主存储器的组织126

5.2.1主存储器的基本结构126

5.2.2主存储器的存储单元127

5.2.3主存储器的主要技术指标128

5.2.4数据在主存中的存放129

5.3半导体随机存储器和只读存储器130

5.3.1RAM记忆单元电路130

5.3.2动态RAM的刷新133

5.3.3RAM芯片分析135

5.3.4半导体只读存储器138

5.3.5半导体存储器的封装139

5.4主存储器的连接与控制140

5.4.1主存容量的扩展140

5.4.2存储芯片的地址分配和片选143

5.4.3主存储器和CPU的连接145

5.4.4主存的校验146

5.4.5PC系列微型计算机的存储器接口147

5.5提高主存读写速度的技术150

5.5.1主存与CPU速度的匹配150

5.5.2FPM DRAM151

5.5.3EDO DRAM151

5.5.4SDRAM152

5.5.5DDR SDRAM152

5.5.6DDR2、DDR3、DDR4和DDR5 SDRAM153

5.5.7Rambus DRAM154

5.5.8多通道内存技术155

5.6多体交叉存储技术156

5.6.1并行访问存储器156

5.6.2交叉访问存储器157

5.7高速缓冲存储器158

5.7.1高速缓存工作原理158

5.7.2Cache的读写操作159

5.7.3地址映像159

5.7.4替换算法161

5.7.5更新策略161

5.7.6微机中Cache技术的实现162

5.8虚拟存储器163

5.8.1虚拟存储器的基本概念163

5.8.2页式虚拟存储器164

5.8.3段式虚拟存储器164

5.8.4段页式虚拟存储器165

5.8.5快表与慢表166

习题166

第6章中央处理器169

6.1中央处理器的功能和组成169

6.1.1CPU的功能169

6.1.2CPU中的主要寄存器169

6.1.3CPU的组成171

6.1.4CPU的主要技术参数172

6.2控制器的组成和实现方法176

6.2.1控制器的基本组成176

6.2.2控制器的硬件实现方法177

6.3时序系统与控制方式178

6.3.1时序系统178

6.3.2控制方式180

6.3.3指令运行的基本过程181

6.3.4指令的微操作序列183

6.4微程序控制原理184

6.4.1微程序控制的基本概念185

6.4.2微指令编码法186

6.4.3微程序控制器的组成和工作过程188

6.4.4微程序入口地址的形成189

6.4.5后继微地址的形成190

6.4.6微程序设计191

6.5控制单元的设计193

6.5.1简单的CPU模型193

6.5.2组合逻辑控制单元设计196

6.5.3微程序控制单元设计200

6.6流水线技术202

6.6.1重叠控制203

6.6.2先行控制原理204

6.6.3流水工作原理205

6.7精简指令系统计算机207

6.7.1RISC的特点和优势207

6.7.2RISC基本技术209

6.8微处理器中的新技术209

6.8.1超标量和超流水线技术209

6.8.2EPIC的指令级并行处理210

6.8.3超线程技术210

6.8.4双核与多核技术211

6.8.5睿频加速技术213

习题214

第7章总线217

7.1总线概述217

7.1.1总线的基本概念217

7.1.2总线的分类218

7.1.3总线的组成及性能指标219

7.2总线仲裁221

7.2.1集中仲裁方式221

7.2.2分布仲裁方式223

7.3总线定时控制223

7.3.1同步定时方式223

7.3.2异步定时方式224

7.4总线标准224

7.4.1系统总线标准225

7.4.2外部总线标准227

习题230

第8章外部设备231

8.1外部设备概述231

8.1.1外部设备的分类231

8.1.2外部设备的地位和作用232

8.2磁介质存储器的性能和原理233

8.2.1磁介质存储器的读写233

8.2.2磁介质存储器的技术指标234

8.2.3数字磁记录方式235

8.2.4编码方式的比较238

8.3磁介质存储设备239

8.3.1硬盘存储器的基本结构与分类239

8.3.2硬盘驱动器239

8.3.3硬盘的信息分布和磁盘地址240

8.3.4硬盘存储器的技术参数241

8.3.5硬盘的分区域记录244

8.3.6硬盘的NCQ技术245

8.4磁盘阵列245

8.4.1RAID简介245

8.4.2RAID的分级246

8.5光盘存储器247

8.5.1光盘存储器的类型248

8.5.2光盘存储器的组成及工作原理248

8.5.3光盘驱动器252

8.6新型辅助存储器253

8.6.1基于磁或磁光介质的可移动存储器253

8.6.2基于电子器件的存储器255

8.7键盘输入设备258

8.7.1键开关与键盘类型258

8.7.2键盘扫描258

8.7.3微型计算机键盘260

8.8其他输入设备262

8.8.1鼠标器262

8.8.2其他定位设备263

8.8.3扫描仪264

8.9打印输出设备265

8.9.1打印机概述266

8.9.2打印机的主要性能指标266

8.9.3针式打印机工作原理267

8.9.4喷墨打印机工作原理269

8.9.5激光打印机工作原理270

8.10显示设备271

8.10.1显示器概述271

8.10.2CRT显示器271

8.10.3字符显示器的工作原理275

8.10.4图形显示器的工作原理277

8.10.5LCD显示器279

8.10.6第1显示标准281

8.10.7微型计算机的显示适配器282

习题283

第9章输入输出系统286

9.1主机与外设的连接286

9.1.1输入输出接口286

9.1.2接口的功能和基本组成287

9.1.3外设的识别与端口寻址289

9.1.4输入输出信息传送控制方式290

9.2程序查询方式及其接口291

9.2.1程序查询方式292

9.2.2程序查询方式接口293

9.3中断系统和程序中断方式295

9.3.1中断的基本概念295

9.3.2中断请求和中断判优297

9.3.3中断响应和中断处理300

9.3.4多重中断与中断屏蔽303

9.3.5中断全过程307

9.3.6程序中断接口结构307

9.4DMA方式及其接口308

9.4.1DMA方式的基本概念308

9.4.2DMA接口310

9.4.3DMA传送方法与传送过程312

9.5通道控制方式314

9.5.1通道的基本概念314

9.5.2通道的类型与结构315

9.5.3通道程序317

9.5.4通道工作过程320

习题320

索引323

参考文献333