計算機組成原理教程

前言

“計算機組成原理”課程對計算機專業(yè)來說是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，可以掌握單處理器計算機系統(tǒng)中各個部件的工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互的連接方式，掌握其中的主要部件的設(shè)計方法，建立完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。本書是全國普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，內(nèi)容覆蓋了研究生入學(xué)考試大綱要求的所有知識點。本書內(nèi)容的選材既考慮國內(nèi)的實際情況，又盡可能與國際先進教材接軌。本書注重闡明基本思想、基本理論和基本方法，使讀者不僅知其然，還知其所以然。這非常有助于培養(yǎng)讀者的創(chuàng)造精神和創(chuàng)新能力，以及分析問題和解決問題的能力。全書共分9章，各章內(nèi)容如下。第1章是緒論。主要介紹計算機的基本概念，包括軟、硬件以及指令系統(tǒng)（軟、硬件的接口）等基本概念。這一章里還介紹了“結(jié)構(gòu)化設(shè)計（研究）方法”與“計算機組成原理”課程的研究內(nèi)容。分層概念和結(jié)構(gòu)化設(shè)計（研究）方法對于理解計算機的組成是很有幫助的，希望讀者能夠掌握其思想方法。另外還介紹了計算機組成和體系結(jié)構(gòu)的基本概念，討論了計算機的工作過程，介紹了馮·諾依曼（John Von Neumann）計算機的基本概念，給出了主要的計算機性能指標，最后簡要介紹了計算機的發(fā)展簡史和計算機的應(yīng)用。第2章是運算方法理論基礎(chǔ)與運算器設(shè)計。這是本書的重點內(nèi)容之一。本章詳細討論了運算方法的基本原理和運算器的設(shè)計，包括真值與機器數(shù)、二進制帶符號數(shù)的表示方法、字符與字符串的表示方法、定點加減運算與溢出判斷、邏輯運算、算術(shù)邏輯單元的組織、定點乘法運算、定點除法運算、浮點運算、同余式基本概念、校驗碼等內(nèi)容。本章包含本書作者在定點運算理論、浮點運算理論等方面的一些研究成果和教學(xué)經(jīng)驗，具體是：嚴謹、明確地定義了真值的概念，以區(qū)別于機器數(shù)。一給出了補碼的一個一般定義。通常人們熟悉的補碼是這個一般定義的一個特例。根據(jù)這個定義，可以直接導(dǎo)出定點小數(shù)和定點整數(shù)的補碼定義。深入地解釋了變形補碼的概念，使其在判斷溢出和補碼乘、除法中能夠從容應(yīng)用。讀者根據(jù)作者的論述，不難將變形補碼的概念進行進一步的應(yīng)用。溢出分析對于獲得正確的計算結(jié)果是非常重要的。對于無符號數(shù)、補碼和移碼的溢出問題進行了深入的分析，證明了若干判斷溢出的定理。在浮點數(shù)的IEEE 754標準中，階碼用移碼表示。本書作者建立了移碼的加法和減法的運算公式。-給出了IEEE 754標準的浮點數(shù)的乘、除法運算中，尾數(shù)部分的整數(shù)結(jié)果的分析過程，這有助于深入理解浮點運算器的設(shè)計。將同余式的基本原理應(yīng)用于補碼運算規(guī)則的證明，使得證明過程獨特、邏輯嚴謹、思路清晰、便于讀者理解。_運用同余式原理，對補碼兩位乘法公式進行了嚴格推導(dǎo)。

內(nèi)容概要

本書是全國普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，系統(tǒng)地介紹了計算機組成的基本概念、基本原理和基本設(shè)計方法。作者希望、也相信讀者能將本書視為精品。    內(nèi)容的選材既考慮國內(nèi)的實際情況，又盡可能與國際先進教材接軌。作者在編寫本書時，查閱了大量國際、國內(nèi)相關(guān)資料，并融入了多年的教學(xué)經(jīng)驗和科研成果。內(nèi)容覆蓋了研究生入學(xué)考試大綱要求的所有知識點，共九章，包括緒論、運算方法理論基礎(chǔ)與運算器設(shè)計、指令系統(tǒng)、中央處理器設(shè)計（RISC）、CISC中央處理器、流水線原理及其在CPU設(shè)計中的應(yīng)用、存儲體系、總線與輸入輸出、外部設(shè)備簡介。    本書可作為高等院校計算機、電子工程、信息類專業(yè)的本科生教材，也可作為相關(guān)專業(yè)的研究生教材。    對于希望提高計算機知識修養(yǎng)、希望通過全國計算機專業(yè)碩士研究生統(tǒng)考的青年學(xué)子，以及相關(guān)專業(yè)的廣大科技工作者來說，本書都是非常有益的。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 計算機的基本概念與計算機的工作過程    1.1.1 為什么需要計算機    1.1.2 軟件的概念    1.1.3 硬件的概念    1.1.4 指令系統(tǒng)——軟、硬件的接口  1.2 結(jié)構(gòu)化設(shè)計（研究）方法與計算機組成原理課程的研究內(nèi)容    1.2.1 分層概念和結(jié)構(gòu)化設(shè)計（研究）方法    1.2.2 結(jié)構(gòu)的分解    1.2.3 計算機組成原理課程的研究內(nèi)容  1.3 計算機組成和體系結(jié)構(gòu)  1.4 馮·諾依曼計算機  1.5 計算機性能指標  1.6 計算機的發(fā)展簡史  1.7 計算機的應(yīng)用  1.8 本章小結(jié)  本章主要英漢詞匯對照  習(xí)題第2章 運算方法理論基礎(chǔ)與運算器設(shè)計  2.1 真值與機器數(shù)    2.1.1 真值的概念    2.1.2 機器數(shù)    2.1.3 帶符號定點數(shù)的表示方法    2.1.4 計算機浮點數(shù)的表示方法  2.2 二進制帶符號數(shù)的表示方法    2.2.1 原碼表示方法    2.2.2 補碼表示方法    2.2.3 反碼表示方法    2.2.4 移碼表示方法  2.3 字符與字符串的表示方法  2.4 定點加減運算與溢出判斷    2.4.1 補碼加法運算    2.4.2 負真值的補碼及補碼的運算規(guī)則    2.4.3 溢出與檢測方法    2.4.4 基本的二進制加法/減法器    2.4.5 十進制加法    2.4.6 定點運算器的先行進位  2.5 邏輯運算    2.5.1 邏輯非    2.5.2 邏輯加    2.5.3 邏輯乘    2.5.4 異或  2.6 算術(shù)邏輯單元的組織    2.6.1 1位ALU    2.6.2 32位ALU  2.7 定點乘法運算    2.7.1 原碼一位乘法    2.7.2 補碼一位乘法    2.7.3 補碼兩位乘法    2.7.4 陣列乘法器  2.8 定點除法運算    2.8.1 定點原碼除法    2.8.2 定點補碼除法    2.8.3 陣列除法  2.9 浮點運算  ……第3章 指令系統(tǒng)第4章 中央處理器設(shè)計（RISC）第5章 CISC中央處理器第6章 流水線原理及其在CPU 設(shè)計中的應(yīng)用第7章 存儲體系第8章 總線與輸入輸出第9章 外部設(shè)備簡介附錄A 不同進位制之間的相互轉(zhuǎn)換附錄B 記數(shù)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)附錄C 一一映射的基本概念附錄D 邏輯電路圖形符號對照表參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 運算方法理論基礎(chǔ)與運算器設(shè)計2.3 字符與字符串的表示方法在計算機中除了能處理數(shù)值數(shù)據(jù)信息外，還能處理大量的非數(shù)值數(shù)據(jù)信息，如字符、圖像及漢字信息等，這些信息在計算機中也必須用二進制代碼形式表示。要想用計算機對文本進行處理，首先遇到的一個問題是如何用二進制數(shù)來表示字符，UPOn何對字符編碼，例如，字符A的編碼是什么？字符a的編碼又是什么？本節(jié)主要討論字符數(shù)據(jù)的表示。在使用各種高級語言或匯編語言編制程序時，除了使用數(shù)字外，常常大量使用英文字母及一些符號，因此信息的字符表示是不可缺少的。字符表示主要涉及到選擇哪些常用字符，采用什么編碼表示字符，如何壓縮編碼信息以減少所占有的存儲空問等問題。目前被廣泛應(yīng)用的字符編碼是由美國國家標準局（American National Standards）制訂的美國信息交換標準碼——AsCII（America Standard Code for Information Interchange）碼。ASCIl碼共定義了128個字符，每個字符的ASCIl碼用7位二進制數(shù)表示（表2．2）。用二進制數(shù)來表示字符（例如字符A），即對字符進行編碼，其中定義的有些字符是不能被打印或被顯示出來的，稱之為控制字符（表2．3）。在計算機存儲ASCIl字符或用ASCIl字符通信時，一個字符通常用一個字節(jié)（8位）來表示。最高位或者設(shè)置成0，或者用做奇偶檢驗（parity）。后者設(shè)置最高位的方法如下：若是奇校驗（odd parity），應(yīng)使8位中1的個數(shù)為奇數(shù)；偶校驗（even parity）時，應(yīng)使1的個數(shù)為偶數(shù)。

編輯推薦

《計算機組成原理教程(第2版)》：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。系統(tǒng)地介紹了計算機組成的基本概念、基本原理和基本設(shè)計方法。注重闡明基本思想、基本理論和基本方法，使讀者不僅知其然，而且知其所以然。融入了作者多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗和科研成果。論述嚴謹、講解清晰、深入淺出、通俗易懂、便于自學(xué)。內(nèi)容覆蓋了研究生入學(xué)考試大綱要求的所有知識點。

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