計算機組成原理

目錄

第1章計算機概論1

1.1計算機及其發展1

1.1.1計算機發展史1

1.1.2中國計算機發展史4

1.1.3計算機的分類6

1.1.4計算機的應用領域8

1.2馮·諾依曼計算機及系統組成10

1.2.1馮·諾依曼計算機的特點10

1.2.2計算機硬件系統11

1.2.3計算機軟件系統12

1.2.4計算機硬件與軟件的關系13

1.3計算機系統的基本概念13

1.3.1計算機系統中的層次概念13

1.3.2計算機體系結構15

1.3.3存儲程序計算機體系結構及其發展15

1.3.4計算機實現技術及其發展16

1.4計算機性能評價指標17

1.4.1機器字長17

1.4.2存儲容量18

1.4.3網絡帶寬19

1.4.4運算速度20

1.4.5兼容性21

課後習題21

參考答案21

第2章數字邏輯基礎和計算機中的數據表示23

2.1進位記數制及其相互轉換23

2.1.1進位記數制23

2.1.2進位制之間的相互轉換252.1.3BCD碼27

2.2邏輯代數、邏輯函數和門電路基礎29

2.2.1邏輯代數基礎29

2.2.2真值表與邏輯函數的標準形式31

2.2.3邏輯函數的代數化簡方法34

2.2.4邏輯函數的卡諾圖化簡法35

2.2.5邏輯門電路37

2.3組合邏輯電路40

2.3.1組合電路分析40

2.3.2組合電路設計42

2.3.3組合電路的冒險與競爭43

2.4觸發器45

2.4.1RS觸發器45

2.4.2主從JK觸發器47

2.4.3T型觸發器49

2.4.4維持阻塞D型觸發器50

2.4.5觸發器應用舉例51

2.5時序邏輯電路分析與設計52

2.5.1同步時序電路分析52

2.5.2同步時序電路設計54

2.5.3異步時序電路分析57

2.5.4異步時序電路設計59

2.5.5時序電路的冒險與競爭60

2.6計算機中數值數據的表示62

2.6.1真值與機器碼62

2.6.2原碼表示法62

2.6.3反碼表示法63

2.6.4補碼表示法63

2.6.5移碼表示法64

2.6.6原碼、反碼、補碼的相互轉換65

2.7定點數和浮點數65

2.7.1定點數的表示65

2.7.2浮點數的表示67

2.7.3IEEE 754浮點數標準69

2.8計算機中非數值數據的表示70

2.8.1ASCII碼70

2.8.2Unicode碼72

2.8.3漢字國標碼GB 2312—1980、區位碼72

2.8.4漢字的內碼、外碼和漢字點陣顯示73

2.8.5校驗碼74

課後習題78

參考答案79

第3章運算方法與運算器83

3.1二進制補碼加減法原理及邏輯實現83

3.1.1補碼加法運算83

3.1.2補碼減法運算84

3.1.3二進制溢出判別方法及邏輯實現85

3.2二進制定點原碼乘法和補碼乘法的邏輯實現87

3.2.1原碼一位乘法87

3.2.2原碼兩位乘法88

3.2.3補碼一位乘法90

3.2.4補碼兩位乘法93

3.2.5補碼乘法器的邏輯實現和陣列乘法器94

3.3二進制定點原碼除法和補碼除法的邏輯實現95

3.3.1原碼恢復余數法95

3.3.2原碼加減交替法96

3.3.3補碼加減交替法97

3.3.4補碼除法器邏輯實現和陣列除法器98

3.4浮點數的運算方法100

3.4.1浮點加法和減法100

3.4.2浮點乘法運算101

3.4.3浮點除法運算102

3.5運算器電路103

3.5.1加法器103

3.5.2減法器105

3.5.3比較器105

3.5.4算術邏輯單元106

3.5.5移位器和循環移位器106

3.6算術邏輯運算的硬件實現108

3.6.174LS181算術邏輯單元的工作原理108

3.6.274LS181功能測試109

課後習題109

參考答案110

第4章系統總線112

4.1總線的基本概念112

4.2總線的特性及性能指標113

4.2.1總線的特性113

4.2.2總線的性能指標114

4.2.3總線的標準115

4.3總線的結構117

4.3.1單總線結構117

4.3.2多總線結構117

4.3.3高性能總線結構119

4.4總線操作119

4.4.1總線判優控制119

4.4.2總線通信控制121

4.5目前常用總線介紹124

4.5.1USB總線124

4.5.2FireWire總線126

4.5.3TypeC總線129

4.5.4Apple Lightning總線131

4.5.5Thunderbolt技術131

課後習題132

參考答案133

第5章存儲系統136

5.1計算機存儲系統的層次結構136

5.1.1存儲器的層次結構136

5.1.2存儲器的分類137

5.2半導體存儲器139

5.2.1半導體存儲器分類139

5.2.26管靜態存儲器的工作原理140

5.2.34管動態存儲器的工作原理140

5.2.4單管動態隨機存儲器的工作原理143

5.2.5只讀存儲器的工作原理143

5.2.6存儲器的擴展方式144

5.2.7存儲器與CPU的連接147

5.2.8提高訪存速度的措施148

5.3相聯存儲器153

5.3.1相聯存儲器的工作原理154

5.3.2相聯存儲器的操作155

5.4高速緩存存儲器Cache156

5.4.1Cache的工作機制157

5.4.2Cache的映射方法158

5.4.3Cache的替換算法162

5.4.4Cache的回寫策略162

5.5輔助存儲器163

5.5.1磁記錄原理和記錄方式163

5.5.2磁盤設備164

5.5.3磁盤冗余陣列165

5.5.4磁帶設備168

5.5.5光盤設備169

5.5.6NAND Flash171

5.5.7SSD存儲器172

課後習題174

參考答案176

第6章指令系統181

6.1指令系統的發展181

6.2指令系統的概念及分類182

6.2.1指令系統的介紹182

6.2.2指令的分類183

6.3指令格式183

6.3.1指令格式設計原則184

6.3.2指令的基本格式184

6.3.3指令格式舉例186

6.4尋址方式188

6.4.1指令尋址188

6.4.2數據尋址189

6.5指令系統的設計192

6.5.1CISC指令集結構的功能設計193

6.5.2RISC指令集結構的功能設計195

6.5.3控制指令功能設計196

6.5.4指令集格式的設計198

6.6CISC指令集和RISC指令集比較200

6.7主流指令集203

6.7.1X86指令集203

6.7.2ARM指令集205

6.7.3RISCV指令集208

6.8國產CPU采用的指令集212

6.8.1LoongArch指令集212

6.8.2申威指令集215

課後習題217

參考答案218

第7章中央處理器224

7.1CPU結構和功能224

7.1.1CPU的功能224

7.1.2CPU結構框圖225

7.1.3CPU中的主要寄存器225

7.2指令周期227

7.2.1指令周期的基本概念227

7.2.2非訪問內存指令的指令周期228

7.2.3直接訪問內存指令的指令周期229

7.2.4間接訪問內存指令的指令周期230

7.2.5程序控制指令的指令周期231

7.2.6用RTL語言表示指令周期232

7.2.7指令周期的數據流234

7.2.8典型指令執行過程分析237

7.3控制器的功能及其設計思路238

7.3.1控制器的功能及結構框圖238

7.3.2控制方式及時序部件240

7.3.3中斷系統244

7.4組合邏輯控制器的實現方式246

7.5微程序控制器的工作原理及實現250

7.5.1微命令和微操作250

7.5.2微指令和微程序251

7.5.3微程序控制原理框圖252

7.5.4微程序設計技術254

7.6CPU多核的工作原理257

7.6.1多核CPU所使用的技術258

7.6.2ARM架構多核CPU的工作原理260

7.6.3NVIDIA GPU262

7.7國產化CPU的功能特點264

課後習題266

參考答案268

第8章輸入/輸出設備271

8.1輸入/輸出系統的功能和構成271

8.1.1輸入/輸出系統的發展概況271

8.1.2輸入/輸出系統的組成272

8.2常用的輸入/輸出設備273

8.2.1輸入設備273

8.2.2輸出設備276

8.2.3其他I/O設備277

8.3I/O接口277

8.3.1接口的功能及組成278

8.3.2接口類型279

8.3.3I/O端口的編址280

8.4程序查詢方式280

8.4.1程序查詢流程281

8.4.2程序查詢方式的接口電路282

8.5中斷方式282

8.5.1中斷的概念282

8.5.2I/O中斷的產生283

8.5.3程序中斷方式的接口284

8.5.4程序中斷工作流程285

8.5.5中斷服務程序的流程286

8.6DMA方式286

8.6.1DMA方式的特點287

8.6.2DMA接口的功能和組成287

8.6.3DMA的工作過程289

8.6.4DMA接口的類型292

課後習題293

參考答案294