計算機組成原理教程（第二版）

《計算機組成原理教程（第二版）》是2013年清華大學出版社出版的圖書，作者是張代遠。

基本介紹

• 書名：計算機組成原理教程（第二版）
• 作者：張代遠
• ISBN：9787302208068
• 定價：49元
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2013年
• 裝幀：平裝
• 印次：2-2
• 印刷日期：2013-3-12

圖書簡介

本書是全國普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，系統地介紹了計算機組成的基本概念、基本原理和基本設計方法。作者希望、也相信讀者能將本書視為精品。

內容的選材既考慮國內的實際情況，又儘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、國內相關資料，並融入了多年的教學經驗和科研成果。內容覆蓋了研究生入學考試大綱要求的所有知識點，共九章，包括緒論、運算方法理論基礎與運算器設計、指令系統、中央處理器設計（RISC）、CISC中央處理器、流水線原理及其在CPU設計中的套用、存儲體系、匯流排與輸入輸出、外部設備簡介。

本書可作為高等院校計算機、電子工程、信息類專業的本科生教材，也可作為相關專業的研究生 教材。

對於希望提高計算機知識修養、希望通過全國計算機專業碩士研究生統考的青年學子，以及相關專業的廣大科技工作者來說，本書都是非常有益的。

目錄

第1章緒論 1

1.1計算機的基本概念與計算機的工作過程 1

1.1.1為什麼需要計算機 1

1.1.2軟體的概念 1

1.1.3硬體的概念 4

1.1.4指令系統——軟、硬體的接口 5

1.2結構化設計（研究）方法與計算機組成原理課程的研究內容 7

1.2.1分層概念和結構化設計（研究）方法 7

1.2.2結構的分解 8

1.2.3計算機組成原理課程的研究內容 11

1.3計算機組成和體系結構 12

1.4馮·諾依曼計算機 13

1.5計算機性能指標 15

1.6計算機的發展簡史 16

1.7計算機的套用 21

1.8本章小結 21

本章主要英漢辭彙對照 22

習題 23

第2章運算方法理論基礎與運算器設計 24

2.1真值與機器數 24

2.1.1真值的概念 24

2.1.2機器數 27

2.1.3帶符號定點數的表示方法 29

2.1.4計算機浮點數的表示方法 29

2.2二進制帶符號數的表示方法 30

2.2.1原碼錶示方法 30

2.2.2補碼錶示方法 32

2.2.3反碼錶示方法 42

2.2.4移碼錶示方法 44

2.3字元與字元串的表示方法 44

2.4定點加減運算與溢出判斷 45

2.4.1補碼加法運算 45

2.4.2負真值的補碼及補碼的運算規則 47

2.4.3溢出與檢測方法 48

2.4.4基本的二進制加法/減法器 55

2.4.5十進制加法 57

2.4.6定點運算器的先行進位 58

2.5邏輯運算 62

2.5.1邏輯非 62

2.5.2邏輯加 62

2.5.3邏輯乘 62

2.5.4異或 63

2.6算術邏輯單元的組織 63

2.6.11位ALU 64

2.6.232位ALU 65

2.7定點乘法運算 66

2.7.1原碼一位乘法 66

2.7.2補碼一位乘法 68

2.7.3補碼兩位乘法 71

2.7.4陣列乘法器 75

2.8定點除法運算 76

2.8.1定點原碼除法 76

2.8.2定點補碼除法 79

2.8.3陣列除法 86

2.9浮點運算 89

2.9.1浮點數的表示 89

2.9.2移碼的加減法運算與溢出判斷 90

2.9.3二進制浮點數表示的IEEE754標準 93

2.9.4浮點算術運算 96

2.10同餘式與同餘方程式的基本概念 105

2.10.1同餘式的基本概念 105

2.10.2同餘方程式的基本概念 107

2.11校驗碼 107

2.11.1誤碼率 107

2.11.2奇偶校驗 108

2.11.3海明碼 109

2.11.4循環冗餘校驗 110

2.12本章小結 111

本章主要英漢辭彙對照 118

習題 119

大作業 121

第3章指令系統 122

3.1指令系統概述 122

3.1.1指令系統的基本概念 122

3.1.2指令的要素 123

3.1.3指令的表示 124

3.1.4指令系統設計應該考慮的問題 126

3.2運算元類型 127

3.2.1地址 127

3.2.2數值 127

3.2.3字元 128

3.2.4邏輯數據 128

3.3指令類型 129

3.3.1數據傳送類型 129

3.3.2算術運算類型 130

3.3.3邏輯運算類型 130

3.3.4移位操作類型 130

3.3.5轉移控制類型 131

3.3.6輸入輸出類型 131

3.4定址方式 132

3.4.1立即定址方式 133

3.4.2直接定址方式 134

3.4.3間接定址方式 134

3.4.4暫存器定址方式 135

3.4.5暫存器間接定址方式 135

3.4.6偏移量定址方式 136

3.5指令格式 137

3.5.1操作碼欄位的確定 137

3.5.2地址碼欄位的確定 137

3.6本章小結 140

本章主要英漢辭彙對照 142

習題 143

第4章中央處理器設計（RISC） 145

4.1計算機組成的層次概念 145

4.2RISC與CISC 146

4.2.1精簡指令系統計算機 146

4.2.2精簡指令系統計算機體系結構 146

4.2.3複雜指令系統計算機 148

4.3模型機的指令系統 148

4.3.1把模型機的彙編語句翻譯成機器指令 149

4.3.2模型機的指令格式 150

4.3.3模型機定址方式 150

4.4彙編語言概念 156

4.5指令系統——軟體的接口 157

4.5.1把C語言賦值語句編譯成模型機彙編語言程式 157

4.5.2把模型機的彙編語言翻譯成機器語言 163

4.5.3把C語言的條件轉移語句編譯成模型機的彙編語言程式 165

4.5.4把C語言的循環語句編譯成模型機的彙編語言程式 167

4.5.5使用無條件轉移地址表編譯switch語句 169

4.6CPU的設計——數據路徑與控制器 172

4.6.1概述 173

4.6.2單周期數據路徑 174

4.6.3單周期數據路徑的控制單元的設計 183

4.6.4多周期數據路徑 196

4.6.5多周期數據路徑主控制單元的設計 220

4.6.6異常概念 248

4.7本章小結 248

本章主要英漢辭彙對照 250

習題 250

第5章CISC中央處理器 254

5.1CISC的特點概述 254

5.2CPU的結構 255

5.2.1CPU內部各個部件的功能 256

5.2.2CPU的工作過程 257

5.3CPU的指令系統 258

5.3.1指令的定義 258

5.3.2指令格式 260

5.4控制信號與各類指令的工作過程 262

5.4.1控制單元中的控制信號 262

5.4.2各類指令的工作過程 263

5.5控制單元的設計 271

5.5.1機器周期的確定原則 271

5.5.2硬布線控制器的設計 272

5.5.3微程式控制器的設計 275

5.6本章小結 280

本章主要英漢辭彙對照 282

習題 282

大作業 283

第6章流水線原理及其在CPU設計中的套用 284

6.1概述 284

6.2指令流水線概念及指令的重疊運行方式 284

6.3時空圖 289

6.4流水線的分類 290

6.5流水線性能指標與線性流水線性能分析 291

6.5.1線性流水線的性能分析 293

6.5.2流水線的特點（與串列順序方式相比） 298

6.6非線性流水線 299

6.6.1引言 299

6.6.2預約表 300

6.6.3啟動距離（等待時間）分析 301

6.6.4迭加原理與無衝突調度方法 305

6.7非線性流水線的性能分析 313

6.7.1引言 313

6.7.2非線性流水線TK的求法 313

6.7.3非線性流水線的吞吐率、效率、加速比以及相互間的關係 314

6.7.4非線性流水線的漸近吞吐率、漸近效率、漸近加速比

以及相互間的關係 314

6.8模型機的指令級流水線 317

6.8.1模型機流水線的數據路徑 318

6.8.2模型機流水線的控制 322

6.9相關及其處理 324

6.9.1相關概念 324

6.9.2結構相關 324

6.9.3數據相關 327

6.9.4控制相關 344

6.10流水線的基本性能問題 356

6.11超標量流水線概念 357

6.12本章小結 358

本章主要英漢辭彙對照 360

習題 361

第7章存儲體系 364

7.1概論 364

7.1.1存儲器的功能 364

7.1.2存儲器的分類 365

7.1.3存儲器的主要技術指標 367

7.2存儲器組織 369

7.2.1存儲單元 369

7.2.2半導體存儲器晶片組織邏輯 369

7.2.3靜態存儲器與動態存儲器 372

7.2.4晶片封裝 375

7.3存儲器與CPU的連線 376

7.4其他類型的存儲器 378

7.5並行存儲器 380

7.5.1雙連線埠存儲器 380

7.5.2多體交叉存儲器 381

7.5.3相聯存儲器 383

7.6存儲體系 384

7.6.1虛擬存儲器 384

7.6.2頁式管理 386

7.6.3段式管理 388

7.7高速緩衝存儲器（Cache） 389

7.7.1程式訪問的局部性原理 389

7.7.2地址映射 391

7.7.3Cache的替換算法 395

7.7.4Cache的寫策略 396

7.8兩級存儲器的性能 397

7.9本章小結 398

本章主要英漢辭彙對照 399

習題 399

第8章匯流排與輸入輸出 402

8.1匯流排概述 402

8.1.1匯流排的基本概念 402

8.1.2匯流排的功能 403

8.1.3匯流排的分類 403

8.1.4匯流排的組成及其性能指標 406

8.2匯流排仲裁 407

8.2.1集中式仲裁方式 408

8.2.2分散式仲裁方式 409

8.3匯流排操作與定時 410

8.3.1同步定時方式 410

8.3.2異步定時方式 412

8.4匯流排標準 415

8.5I/O接口 416

8.5.1概述 416

8.5.2I/O接口概念 416

8.5.3I/O接口的功能和基本結構 417

8.5.4I/O接口的編址 419

8.5.5I/O方式——輸入輸出的基本控制方式 420

8.6主機與I/O設備間的連線方式 428

8.6.1匯流排方式 429

8.6.2星型連線方式 430

8.7本章小結 431

本章主要英漢辭彙對照 432

習題 433

第9章外部設備簡介 434

9.1概述 434

9.2鍵盤 434

9.2.1鍵及其工作原理 434

9.2.2鍵盤的組織與工作原理 436

9.3滑鼠 437

9.3.1滑鼠的工作原理 437

9.3.2光學式滑鼠 437

9.3.3光電式滑鼠 438

9.3.4機械式滑鼠 438

9.4顯示器 438

9.4.1液晶顯示器的結構和工作原理 438

9.4.2CRT顯示器的結構和工作原理 440

9.4.3字元顯示 440

9.4.4點陣圖顯示 441

9.5印表機 442

9.5.1單色印表機 442

9.5.2彩色印表機 445

9.6外部存儲器 446

9.6.1外存儲器概述 446

9.6.2硬碟存儲器 447

9.6.3磁碟陣列 451

9.6.4光碟存儲器 457

9.7本章小結 460

本章主要英漢辭彙對照 460

習題 461

附錄A不同進位制之間的相互轉換 462

A.1r進制整數轉換成t進制整數 462

A.2r進制純小數轉換成t進制純小數 463

附錄B記數系統的理論基礎 466

附錄C一一映射的基本概念 468

附錄D邏輯電路圖形符號對照表 469

參考文獻 470

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