計(jì)算機(jī)組成原理教程

前言

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程對(duì)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)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(jì)方法，建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。本書是全國普通高等教育“十一五”國家級(jí)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(shí)點(diǎn)。本書內(nèi)容的選材既考慮國內(nèi)的實(shí)際情況，又盡可能與國際先進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)（研究）方法”與“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的研究?jī)?nèi)容。分層概念和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)（研究）方法對(duì)于理解計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)的基本概念，討論了計(jì)算機(jī)的工作過程，介紹了馮·諾依曼（John Von Neumann）計(jì)算機(jī)的基本概念，給出了主要的計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)，最后簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。第2章是運(yùn)算方法理論基礎(chǔ)與運(yùn)算器設(shè)計(jì)。這是本書的重點(diǎn)內(nèi)容之一。本章詳細(xì)討論了運(yùn)算方法的基本原理和運(yùn)算器的設(shè)計(jì)，包括真值與機(jī)器數(shù)、二進(jìn)制帶符號(hào)數(shù)的表示方法、字符與字符串的表示方法、定點(diǎn)加減運(yùn)算與溢出判斷、邏輯運(yùn)算、算術(shù)邏輯單元的組織、定點(diǎn)乘法運(yùn)算、定點(diǎn)除法運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、同余式基本概念、校驗(yàn)碼等內(nèi)容。本章包含本書作者在定點(diǎn)運(yùn)算理論、浮點(diǎn)運(yùn)算理論等方面的一些研究成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，具體是：嚴(yán)謹(jǐn)、明確地定義了真值的概念，以區(qū)別于機(jī)器數(shù)。一給出了補(bǔ)碼的一個(gè)一般定義。通常人們熟悉的補(bǔ)碼是這個(gè)一般定義的一個(gè)特例。根據(jù)這個(gè)定義，可以直接導(dǎo)出定點(diǎn)小數(shù)和定點(diǎn)整數(shù)的補(bǔ)碼定義。深入地解釋了變形補(bǔ)碼的概念，使其在判斷溢出和補(bǔ)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(bǔ)碼的概念進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用。溢出分析對(duì)于獲得正確的計(jì)算結(jié)果是非常重要的。對(duì)于無符號(hào)數(shù)、補(bǔ)碼和移碼的溢出問題進(jìn)行了深入的分析，證明了若干判斷溢出的定理。在浮點(diǎn)數(shù)的IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算公式。-給出了IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)的乘、除法運(yùn)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(diǎn)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)。將同余式的基本原理應(yīng)用于補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則的證明，使得證明過程獨(dú)特、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、思路清晰、便于讀者理解。_運(yùn)用同余式原理，對(duì)補(bǔ)碼兩位乘法公式進(jìn)行了嚴(yán)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(jí)規(guī)劃教材，系統(tǒng)地介紹了計(jì)算機(jī)組成的基本概念、基本原理和基本設(shè)計(jì)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(shí)際情況，又盡可能與國際先進(jìn)教材接軌。作者在編寫本書時(shí)，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(yàn)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(shí)點(diǎn)，共九章，包括緒論、運(yùn)算方法理論基礎(chǔ)與運(yùn)算器設(shè)計(jì)、指令系統(tǒng)、中央處理器設(shè)計(jì)（RISC）、CISC中央處理器、流水線原理及其在CPU設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、存儲(chǔ)體系、總線與輸入輸出、外部設(shè)備簡(jiǎn)介。    本書可作為高等院校計(jì)算機(jī)、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(duì)于希望提高計(jì)算機(jī)知識(shí)修養(yǎng)、希望通過全國計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的基本概念與計(jì)算機(jī)的工作過程    1.1.1 為什么需要計(jì)算機(jī)    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(jì)（研究）方法與計(jì)算機(jī)組成原理課程的研究?jī)?nèi)容    1.2.1 分層概念和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)（研究）方法    1.2.2 結(jié)構(gòu)的分解    1.2.3 計(jì)算機(jī)組成原理課程的研究?jī)?nèi)容  1.3 計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)  1.4 馮·諾依曼計(jì)算機(jī)  1.5 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)  1.6 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史  1.7 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用  1.8 本章小結(jié)  本章主要英漢詞匯對(duì)照  習(xí)題第2章 運(yùn)算方法理論基礎(chǔ)與運(yùn)算器設(shè)計(jì)  2.1 真值與機(jī)器數(shù)    2.1.1 真值的概念    2.1.2 機(jī)器數(shù)    2.1.3 帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)的表示方法    2.1.4 計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)數(shù)的表示方法  2.2 二進(jìn)制帶符號(hào)數(shù)的表示方法    2.2.1 原碼表示方法    2.2.2 補(bǔ)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(diǎn)加減運(yùn)算與溢出判斷    2.4.1 補(bǔ)碼加法運(yùn)算    2.4.2 負(fù)真值的補(bǔ)碼及補(bǔ)碼的運(yùn)算規(guī)則    2.4.3 溢出與檢測(cè)方法    2.4.4 基本的二進(jìn)制加法/減法器    2.4.5 十進(jìn)制加法    2.4.6 定點(diǎn)運(yùn)算器的先行進(jìn)位  2.5 邏輯運(yùn)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(diǎn)乘法運(yùn)算    2.7.1 原碼一位乘法    2.7.2 補(bǔ)碼一位乘法    2.7.3 補(bǔ)碼兩位乘法    2.7.4 陣列乘法器  2.8 定點(diǎn)除法運(yùn)算    2.8.1 定點(diǎn)原碼除法    2.8.2 定點(diǎn)補(bǔ)碼除法    2.8.3 陣列除法  2.9 浮點(diǎn)運(yùn)算  ……第3章 指令系統(tǒng)第4章 中央處理器設(shè)計(jì)（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(jì)中的應(yīng)用第7章 存儲(chǔ)體系第8章 總線與輸入輸出第9章 外部設(shè)備簡(jiǎn)介附錄A 不同進(jìn)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(hào)對(duì)照表參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 運(yùn)算方法理論基礎(chǔ)與運(yùn)算器設(shè)計(jì)2.3 字符與字符串的表示方法在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中也必須用二進(jìn)制代碼形式表示。要想用計(jì)算機(jī)對(duì)文本進(jìn)行處理，首先遇到的一個(gè)問題是如何用二進(jìn)制數(shù)來表示字符，UPOn何對(duì)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(jí)語言或匯編語言編制程序時(shí)，除了使用數(shù)字外，常常大量使用英文字母及一些符號(hào)，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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)局（American National Standards）制訂的美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼——AsCII（America Standard Code for Information Interchange）碼。ASCIl碼共定義了128個(gè)字符，每個(gè)字符的ASCIl碼用7位二進(jìn)制數(shù)表示（表2．2）。用二進(jìn)制數(shù)來表示字符（例如字符A），即對(duì)字符進(jìn)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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)ASCIl字符或用ASCIl字符通信時(shí)，一個(gè)字符通常用一個(gè)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(yàn)（parity）。后者設(shè)置最高位的方法如下：若是奇校驗(yàn)（odd parity），應(yīng)使8位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)（even parity）時(shí)，應(yīng)使1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。

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《計(jì)算機(jī)組成原理教程(第2版)》：普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材。系統(tǒng)地介紹了計(jì)算機(jī)組成的基本概念、基本原理和基本設(shè)計(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果。論述嚴(yán)謹(jǐn)、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(shí)點(diǎn)。

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