計(jì)算機(jī)組成原理

前言

本書根據(jù)普通高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的教學(xué)需求，遵照“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)大綱的規(guī)定，圍繞如何理解和構(gòu)建一臺(tái)簡單的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)來安排核心內(nèi)容，全面而系統(tǒng)地講解計(jì)算機(jī)組成的原理知識(shí)和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。作為課程的預(yù)備性知識(shí)，提供了數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容；作為補(bǔ)充性知識(shí)，給出了并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)，以便更好地適應(yīng)不同院校不盡相同的培養(yǎng)目標(biāo)、各有特色的課程安排。在教材內(nèi)容選擇方面，要求能提供計(jì)算機(jī)組成更完整、系統(tǒng)的知識(shí)，在硬件知識(shí)為主的前提下，適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合更底層的軟件內(nèi)容，把課程教學(xué)架設(shè)在硬軟件有一定完整性的系統(tǒng)平臺(tái)之上。在計(jì)算機(jī)組成原理被納入全國碩士研究生入學(xué)統(tǒng)考的主要課程之后，其教學(xué)質(zhì)量無疑會(huì)對(duì)授課教師和每名學(xué)生形成一定的壓力，期望本書能夠?qū)μ岣呓虒W(xué)質(zhì)量有所幫助。本書始終堅(jiān)持突出基本原理知識(shí)學(xué)習(xí)，加強(qiáng)實(shí)踐能力的人才培養(yǎng)目標(biāo)，力求知識(shí)深淺適度，敘述簡練清晰，把作者多年來在清華大學(xué)主持建設(shè)“計(jì)算機(jī)組成原理”國家級(jí)精品課程、研制和建設(shè)豐富的教學(xué)資源所取得的成果和心得體會(huì)充分反映到教材中。在知識(shí)層次方面，把主要的教學(xué)內(nèi)容，按照基本通用原理、簡明原理示例、典型產(chǎn)品現(xiàn)狀這樣3個(gè)層次來逐層講解?；就ㄓ迷硎腔A(chǔ)，是學(xué)習(xí)與理解計(jì)算機(jī)組成與運(yùn)行機(jī)制的核心知識(shí)，其特點(diǎn)是穩(wěn)定性（不隨時(shí)間變遷而改變）和通用性（不隨具體機(jī)型而變化），是學(xué)生一定要掌握的重要部分。在簡明原理示例這個(gè)層次，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用學(xué)習(xí)到的基本原理知識(shí)，真正學(xué)懂（基本要求）或者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)（進(jìn)一步要求）一臺(tái)硬軟件基本完整，但不一定是最理想（不追求更完備的性能、更好的實(shí)用價(jià)值）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方法與過程，主要用于表明基礎(chǔ)性原理知識(shí)及其實(shí)際運(yùn)用。在典型產(chǎn)品現(xiàn)狀這個(gè)層次，將選擇某些典型、流行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)例，給出其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果及其外特性，可以體現(xiàn)用到的基本原理，但更強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)當(dāng)前的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀。可以這樣來概述3個(gè)層次內(nèi)容之間的關(guān)系：基本通用原理是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)部分，簡明原理示例用于增加對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解深度和應(yīng)用能力，典型產(chǎn)品現(xiàn)狀用于展示計(jì)算機(jī)當(dāng)前的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀。簡明原理示例是連接另外2個(gè)層次的紐帶或橋梁。

內(nèi)容概要

本書是清華大學(xué)國家精品課程“計(jì)算機(jī)組成原理”建設(shè)的重要成果。全書共分9章。第1章簡要介紹計(jì)算機(jī)組成，第2章介紹數(shù)字電路基礎(chǔ)，第3～8章講解計(jì)算機(jī)組成原理的主體內(nèi)容，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器和輸入/輸出系統(tǒng)；第9章概要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的入門性知識(shí)。    本書可作為普通高等院?！坝?jì)算機(jī)組成原理”課程的教材，也可供計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)、科研人員和其他有關(guān)人員學(xué)習(xí)參考。

作者簡介

王誠，畢業(yè)于清華大學(xué)原自動(dòng)控制系計(jì)算機(jī)專業(yè)，畢業(yè)后留校任教，除1973.4-1975.10到法國進(jìn)修之外，其他時(shí)間一直在清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系承擔(dān)教學(xué)與科研任務(wù)。 
    教學(xué)方面，先后主講多門軟件或硬件課程。出版了10多本教材，例如《PASCAL程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用》、《計(jì)算機(jī)組成與

書籍目錄

第1章  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述  1.1  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)  1.2  計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的五個(gè)功能部件及其功能  1.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要的技術(shù)與性能指標(biāo)  1.4  計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)概述  1.5  計(jì)算柳發(fā)展進(jìn)步、分類與拓展應(yīng)用的進(jìn)程  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第2章  數(shù)字電路和邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)  2.1  數(shù)字電路基礎(chǔ)    2.1.1  半導(dǎo)體材料和二極管簡介    2.1.2  三極管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性    2.1.3  應(yīng)用舉例  2.2  布爾代數(shù)知識(shí)基礎(chǔ)和基本邏輯門    2.2.1  布爾代數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)    2.2.2  基本的邏輯門電路  2.3  常用的組合邏輯、時(shí)痛陳邏輯器件及其應(yīng)用    2.3.1  組合邏輯電路    2.3.2  時(shí)序邏輯電路    2.3.3  應(yīng)用舉例  2.4  可編程器件及其編程概述    2.4.1  可編程器件概述    2.4.2  可編程器件的功能設(shè)計(jì)與VHDL語言簡介  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第3章  數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)運(yùn)算算法  3.1  數(shù)字化信息編碼的概念和二進(jìn)制編碼知識(shí)    3.1.1  數(shù)字化信息編碼的概念    3.1.2  二進(jìn)制編碼和碼制轉(zhuǎn)換  3.2  數(shù)據(jù)表示——常用的信息編碼    3.2.1  邏輯類型數(shù)據(jù)的表示    3.2.2  字符類型數(shù)據(jù)的表示    3.2.3  多媒體信息的概述及其計(jì)算機(jī)表示    3.2.4  數(shù)值類型數(shù)據(jù)的表示  3.3  二進(jìn)制數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼方案與運(yùn)算算法    3.3.1  原碼、反碼、補(bǔ)碼的定義    3.3.2  補(bǔ)碼加、減運(yùn)算規(guī)則和電路實(shí)現(xiàn)    3.3.3  原碼一位乘法、除法的實(shí)現(xiàn)方案  3.4  檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼    3.4.1  碼距    3.4.2  三種常見的校驗(yàn)碼  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第4章  計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件  4.1  算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的線路實(shí)現(xiàn)  4.2  計(jì)算機(jī)的定點(diǎn)運(yùn)算器    4.2.1  定點(diǎn)運(yùn)算器的功能、組成與控制    4.2.2  示例計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件的功能、組成與實(shí)現(xiàn)    4.2.3  MIPS計(jì)算機(jī)多周期CPU系統(tǒng)中的運(yùn)算器部件的功能與組成  4.3  浮點(diǎn)運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算器    4.3.1  浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算規(guī)則    4.3.2  浮點(diǎn)運(yùn)算器舉例  4.4  提高運(yùn)算器部件處理能力的可行途徑    4.4.1  計(jì)算機(jī)性能的提高和并行性發(fā)展概述    4.4.2  提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算器處理能力的可行途徑  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第5章  指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計(jì)  5.1  指令格式和指令系統(tǒng)概述    5.1.1  操作碼的組織與編碼    5.1.2  有關(guān)操作數(shù)的個(gè)數(shù)、來源、去向和地址安排    5.1.3  指令的分類  5.2  基本尋址方式概述  5.3  指令系統(tǒng)舉例    5.3.1  MIPS計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)    5.3.2  TH_FPGA示例計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)  5.4  計(jì)算機(jī)的匯編語言程序設(shè)計(jì)    5.4.1  匯編語言程序設(shè)計(jì)中的有關(guān)概念    5.4.2  示例計(jì)算機(jī)的匯編語言程序設(shè)計(jì)舉例  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第6章  計(jì)算機(jī)的控制器部件  6.1  控制器的功能、組成與指令執(zhí)行步驟概述    6.1.1  控制器部件的功能和組成概述    6.1.2  指令的執(zhí)行步驟概述  6.2  硬連線控制器部件    6.2.1  硬連線控制器的組成和運(yùn)行原理簡介    6.2.2  TH_FPGA示例計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬連線控制器部件    6.2.3  MIPS計(jì)算機(jī)的控制器部件  6.3  微程序的控制器部件    6.3.1  微程序控制器的基本組成和運(yùn)行原理簡介    6.3.2  微程序設(shè)計(jì)中的下地址形成邏輯和微程序設(shè)計(jì)  6.4  指令流水線的概念和實(shí)現(xiàn)技術(shù)    6.4.1  流水線的基本概念和主要性能指標(biāo)    6.4.2  指令流水線中的相關(guān)問題及其解決思路    6.4.3  TH FPGA系統(tǒng)中的指令流水線方案    6.4.4  指令級(jí)并行技術(shù)  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第7章  多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)  7.1  存儲(chǔ)系統(tǒng)概述    7.1.1  存儲(chǔ)器分類    7.1.2  存儲(chǔ)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和存儲(chǔ)體系的實(shí)現(xiàn)  7.2  存儲(chǔ)器芯片    7.2.1  基本存儲(chǔ)位    7.2.2  存儲(chǔ)器芯片的組成    7.2.3  只讀存儲(chǔ)器  7.3  主存儲(chǔ)器    7.3.1  主存儲(chǔ)器概述    7.3.2  示例計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器組成和設(shè)計(jì)  7.4  高速緩沖存儲(chǔ)器    7.4.1  cache的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理    7.4.2  主存與cache的地址映射    7.4.3  cache的命中率、寫入與替換策略  7.5  外部存儲(chǔ)器設(shè)備    7.5.1  外部存儲(chǔ)設(shè)備概述    7.5.2  磁記錄原理與記錄方式    7.5.3  硬磁盤設(shè)備    7.5.4  光盤設(shè)備    7.5.5  U盤簡介  7.6  虛擬存儲(chǔ)器    7.6.1  虛擬存儲(chǔ)器概述    7.6.2  段式虛擬存儲(chǔ)器    7.6.3  頁式虛擬存儲(chǔ)器    7.6.4  段頁式虛擬存儲(chǔ)器  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第8章  總線與輸入/輸出系統(tǒng)  8.1  總線    8.1.1  總線概述    8.1.2  總線結(jié)構(gòu)    8.1.3  總線控制    8.1.4  總線舉例  8.2  輸入/輸出系統(tǒng)    8.2.1  輸入/輸出系統(tǒng)概述    8.2.2  輸入/輸出設(shè)備    8.2.3  輸入/輸出接口    8.2.4  輸入/輸出控制方式  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第9章  并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)  9.1  基礎(chǔ)知識(shí)與基本概念    9.1.1  計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類    9.1.2  并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能問題    9.1.3  并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件技術(shù)  9.2  SIMD計(jì)算機(jī)簡介  9.3  基于共享內(nèi)存的多處理機(jī)系統(tǒng)    9.3.1  一致性內(nèi)存訪問的IMA多處理機(jī)系統(tǒng)    9.3.2  非一致性內(nèi)存訪問的NUMA多處理機(jī)系統(tǒng)    9.3.3  僅高速緩存訪問的COMA多處理機(jī)系統(tǒng)  9.4  基于消息傳遞的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)    9.4.1  大規(guī)模并行處理機(jī)    9.4.2  工作站集群  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：在指令執(zhí)行周期，不同指令要完成不同的操作功能。對(duì)沒有內(nèi)存儲(chǔ)器讀寫操作、也不涉及控制器資源的12條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令（R型），將完成通用寄存器之間的運(yùn)算。取指之后可以用一個(gè)的執(zhí)行步驟完成，此時(shí)將只占用運(yùn)算器資源。由此可見，對(duì)連續(xù)的多條R型指令的執(zhí)行步驟和讀取后續(xù)指令可以并行執(zhí)行，不存在資源沖突，此時(shí)每一個(gè)時(shí)鐘周期將可以完成一條指令。對(duì)2條輸入／輸出指令，將完成接口電路的讀寫操作，要占用運(yùn)算器資源和接口電路資源，也不會(huì)與控制器部件的取指操作產(chǎn)生沖突，即同樣可以實(shí)現(xiàn)通暢的指令流水。對(duì)讀寫內(nèi)存類的4條指令，取指之后要用2個(gè)執(zhí)行步驟完成：第1步占用運(yùn)算器計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址并保存到地址寄存器（AR）；第2步將執(zhí)行運(yùn)算器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換，將占用運(yùn)算器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩項(xiàng)資源，所以計(jì)算內(nèi)存地址和讀寫內(nèi)存是不能同時(shí)執(zhí)行的，因?yàn)橛羞\(yùn)算器資源沖突問題。請(qǐng)注意，讀寫內(nèi)存期間是可以啟動(dòng)取指操作的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)的多條這類指令可用兩個(gè)步驟（含取指操作）完成每一條指令。

編輯推薦

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