計算機組成原理 (微課版)

書主要介紹電腦的基本組成原理及內部工作機制，全書共9章，分別介紹電腦系統概論、電腦中的數據表示、運算方法及運算器設計、存儲系統、指令系統、中央處理器的工作原理和設計方法、指令流水線的實現機理、總線系統、輸入輸出系統。

本書嘗試站在硬件工程師的視角，利用數字邏輯課程中組合邏輯、同步時序邏輯電路設計的相關知識，從邏輯門開始逐步構建運算器、存儲器、數據通路和控制器，設計流水線沖突冒險機制直至完整的MIPS流水CPU，讓學生從設計者的角度體會電腦部件構成以及運行的基本原理，努力幫助學生從程序運行的角度深入理解電腦硬件系統，掌握軟硬件協同的概念。

譚志虎，博士，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，副院長，開設有“計算機組成原理”（*家級線上*流課程）、“計算機硬件系統設計”慕課課程，以及“自己動手畫CPU”在線實訓課程。
榮獲2019 年度高校計算機*秀教師、華中科技大學教學名師、寶鋼*秀教師獎、湖北省教學成果一等獎、華中科技大學課堂教學*越獎和教學質量一等獎等。

1章計算機系統概論 
1.1計算機的發展 
1.1.1計算機發展概況 
1.1.2摩爾定律 
1.1.3集成電路工藝發展 
1.1.4我國計算機發展 
1.1.5後PC時代 
1.2計算機系統的組成 
1.2.1計算機硬件系統 
1.2.2計算機的軟件系統 
1.2.2計算機系統的工作過程 
1.3計算機系統性能評價 
1.3.1基本性能指標 
1.3.2與時間有關的性能指標 
1.3.3 CPU性能公式及其應用 
1.3.4性能測試及其工具 
1.4計算機系統的層次結構 
1.4.1計算機系統的層次結構 
1.4.3硬件和軟件邏輯功能的等價性 
1.5課程導學 
本章小結 
習題1 
實踐訓練 

2章數據信息的表示 
2.1數據表示關鍵因素 
2.2數值數據的表示 
2.2.1機器碼表示 
2.2.2定點數表示 
2.2.3浮點數表示 
2.3非數值數據的表示 
2.3.1字符的表示 
2.3.2漢字編碼方法 
2.4數據信息的校驗 
2.4.1碼距與數據校驗 
2.4.2奇偶校驗 
2.4.3海明校驗 
2.4.4循環冗餘校驗 
本章小結 
習題2 
實踐訓練 

3章運算方法與運算器 
3.1定點數加減法運算 
3.1.1補碼加減法運算方法 
3.1.2溢出及檢測 
3.1.3補碼加減法的邏輯實現 
3.1.3快速加法器實現 
3.2.1機器數的移位作 
3.2.2補碼一位乘法 
3.2.3陣列乘法器 
3.4定點數除法運算 
3.4.1原碼一位除法 
3.4.2補碼一位除法 
3.4.3陣列除法器 
3.5浮點數運算 
3.5.1浮點數加減運算 
3.5.2浮點乘法運算 
3.6邏輯與移位運算 
3.7運算器設計 
3.7.1定點運算器 
3.7.2浮點運算器 
3.7.3 ALU設計 
本章小結 
習題3 
實踐訓練 

4章存儲系統 
4.1存儲器概述 
4.1.1存儲器分類 
4.1 .2存儲器主要技術指標 
4.1.3主存中數據的存放 
4.1.4主存的基本結構和工作過程 
4.1.5存儲系統層次結構 
4.2半導體存儲器 
4.2.1靜態MOS存儲器（SRAM) 
4.2.2動態MOS存儲器（DRAM) 
4.2. 3只讀存儲器 
4.2.4新型存儲器 
4.3主存與CPU的連接 
4.3.1存儲器的擴展 
4.3.2存儲器接口 
4.4並行主存系統 
4.5高速緩衝存儲器(cache) 
4.5.1局部性原理 
4.5.2 cache的工作原理 
4.5.3相聯存儲器 
4.5.4地址映 
4.5.5替換算法 
4.5.6 cache寫策略 
4.5.7多cache結構 
4.6虛擬存儲器 
4.6.1虛擬存儲器的工作原理 
4.6.3頁式虛擬存儲器 
4.6. 4段式虛擬存儲器 
4.6.4段頁式虛擬存儲器 
4.6.5存儲保護 
4.8輔助存儲器 
4.8.1磁表面存儲器 
4.8.2光盤存儲器 
4.8.3冗餘磁盤陣列 
本章小結 
習題4 
實踐訓練 

5章指令系統 
5.1指令系統概述 
5.2指令格式 
5.2.1作碼 
5.2.2地址碼 
5.2.3定長與變長指令 
5.3指令和作數的尋址方式 
5.3.1指令尋址 
5.3.2數據尋址 
5.3.3常見尋址方式 
5.4指令類型 
5.5指令格式設計及優化 
5.5.1指令格式的設計 
5.5.2指令格式的優化 
5.6 CISC和RISC的基本概念 
5.6.1複雜指令系統計算機(CISC) 
5.6.2精簡指令系統計算機(RISC) 
5.7指令系統舉例 
5.7.1 8O88/8O86指令系統 
5.7.2 MIPS指令系統 
5.7.3 RISC-V指令系統 

6章處理器 
6.1處理器概述 
6.1.1處理器的功能 
6.1.2處理器的組成 
6.2指令周期 
6.2.1指令執行的一般流程 
6.2.2指令周期的基本概念 
6.2.3寄存器傳送語言 
6.3數據通路及指令作流程 
6.3.1數據通路模型與定時 
6.3.2基於單總線結構的數據通路 
6.3.3基於專用通路結構的數據通路 
6.4時序與控制 
6.4.1處理器的時序 
6.4.2控制方式 
6.4.3時序發生器 
6.5硬佈線控制器 
6.5.1三級時序硬佈線控制器 
6.5.2三級時序硬佈線控制器設計 
6.5.3現代時序硬佈線控制器 
6.5.4現代時序硬佈線控制器設計 
6.6微程序控制器 
6.6.1微程序控制的基本概念 
6.6.2微程序控制器組成原理 
6.6.3微程序控制器設計 
6.6.4微指令及其編碼方法 
6.7異常與中斷處理 
6.7.1異常與中斷概念 
6.7.2異常與中斷處理過程 
6.7.3支持中斷的CPU設計 
本章小結 
習題6 
實踐訓練 

7章指令流水線 
7.1流水線概述 
7.1.1流水線的概念 
7.1.2 MIPS指令流水線 
7.1.3流水線的時空圖表示 
7.2流水線數據通路 
7.2.1單週期數據通路流水改造 
7.2.2流水數據通路中的控制信號及傳遞 
7.2.3指令在流水線中的執行過程 
7.3流水線衝突與處理 
7.3.1流水線衝突 
7.3.2結構衝突處理 
7.3.3控制衝突處理 
7.3.4插入氣泡解決數據衝突 
7.3.5使用重定向解決衝突 
7.3. 6動態分支預測技術 
7.3.7流水線性能分析 
7.4流水線異常與中斷 
7.5指令級並行技術 
本章小結 
習題7 
實踐訓練 

8章系統總線 
8.1總線基本概念 
8.1.1總線分類 
8.1.2總線組成 
8.1.3總線標準 
8.1.4總線與三態門 
8.1.5總線性能指標 
8.2總線傳輸機制 
8.2.1總線傳輸過程 
8.2.2總線的信息傳送 
8.2.3總線仲裁 
8.2.4總線定時 
8.3總線結構 
8.3.1單總線結構 
8.3.2雙總線結構 
8.3.3三總線結構 
8.3.4高性能總線 
8.4常用總線 
8.4.1常用片內總線 
8.4.2常用系統總線 
8.4.3常用I/O總線 
8.4.4常用外部總線 
本章小結 
習題8 

9章輸入輸出系統 
9.1輸入輸出特性 
9.2 I/O接口 
9.2.1 I/O接口的功能 
9.2.2 I/O接口的結構 
9.2.3接口的分類 
9.2.4 I/O的連接方式 
9.2.5 I/O設備的編址 
9.3輸入輸出數據傳輸控制方式概述 
9.4程序查詢控制方式 
9.4.1程序查詢控制方式的接口 
9.4.2設備狀態寄存器的格式 
9.4.3程序查詢方式數據輸入輸出流程 
9.5程序中斷控制方式 
9.5.1中斷基本概念 
9.5.2中斷響應過程 
9.5.4中斷源識別 
9.5.5中斷處理流程 
9.6 DMA方式 
9.6.1 DMA的基本概念 
9.6.2 DMA傳送過程 
9.6.3 DMA控制器的基本組成 
9.7通道方式 
9.7.1通道概念 
9.7.2通道的類型 
9.7.3 CPU對通道的控制 
9.7.4通道結構的發展 
9.8輸入輸出設備 
9.7.1輸入設備（鍵盤、鼠標） 
9.7.2輸出設備（打印機、顯示器） 
本章小結 
習題9 
實踐訓練