計(jì)算機(jī)組成原理教程

目 錄
第1章 緒論 1
1.1 計(jì)算機(jī)的基本概念 1
1.1.1 為什么需要計(jì)算機(jī) 1
1.1.2 軟件的概念 1
1.1.3 硬件的概念 4
1.1.4 指令系統(tǒng)——軟、硬件的接口 5
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內(nèi)容 7
1.2.1 分層概念和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)（研究）方法 7
1.2.2 結(jié)構(gòu)的分解 8
1.2.3 計(jì)算機(jī)組成原理課程的研究內(nèi)容 11
1.3 計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu) 12
1.4 馮·諾依曼計(jì)算機(jī) 13
1.5 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 15
第0代——機(jī)械計(jì)算機(jī) 16
第1代——電子管計(jì)算機(jī)（1945—1955） 18
第2代——晶體管計(jì)算機(jī)（1955—1965） 18
第3代——集成電路計(jì)算機(jī)（1965—1980） 18
第4代——超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1980— ） 19
1.6 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 20
本章主要英漢詞匯對(duì)照 20
1.7 本章小結(jié) 21
習(xí)題 22
第2章 運(yùn)算方法的理論基礎(chǔ)與運(yùn)算器設(shè)計(jì) 23
2.1 真值與機(jī)器數(shù) 23
2.1.1 真值的概念 23
2.1.2 機(jī)器數(shù) 26
2.1.3 計(jì)算機(jī)帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)的表示方法 26
2.1.4 計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 27
2.2 二進(jìn)制帶符號(hào)數(shù)的表示方法 28
2.2.1 原碼表示方法 28
2.2.2 補(bǔ)碼表示方法 29
2.2.3 反碼表示方法 33
2.2.4 移碼表示方法 35
2.3 字符與字符串的表示方法 35
2.4 定點(diǎn)加減運(yùn)算與溢出判斷 37
2.4.1 補(bǔ)碼加法運(yùn)算 37
2.4.2 負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼及補(bǔ)碼的運(yùn)算規(guī)則 38
2.4.3 溢出與檢測(cè)方法 40
2.4.4 基本的二進(jìn)制加法器/減法器 42
2.4.5 十進(jìn)制加法器 44
2.4.6 定點(diǎn)運(yùn)算器的先行進(jìn)位 46
2.5 邏輯運(yùn)算 49
2.5.1 邏輯非 49
2.5.2 邏輯加 49
2.5.3 邏輯乘 50
2.5.4 邏輯異或 50
2.6 算術(shù)邏輯單元的組織 51
2.6.1 1位ALU 51
2.6.2 32位ALU 52
2.7 定點(diǎn)乘法運(yùn)算 53
2.7.1 原碼一位乘法 53
2.7.2 補(bǔ)碼一位乘法 55
2.7.3 補(bǔ)碼兩位乘法 59
2.7.4 陣列乘法器 62
2.8 定點(diǎn)除法運(yùn)算 63
2.8.1 定點(diǎn)原碼除法 63
2.8.2 定點(diǎn)補(bǔ)碼除法 66
2.8.3 陣列除法 73
2.9 浮點(diǎn)運(yùn)算 76
2.9.1 浮點(diǎn)數(shù)的表示 76
2.9.2 移碼的運(yùn)算 77
2.9.3 二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)表示的IEEE標(biāo)準(zhǔn) 80
2.9.4 浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算 83
2.10 同余式基本概念 92
2.11 本章小結(jié) 94
本章主要英漢詞匯對(duì)照 100
習(xí)題 101
第3章 指令系統(tǒng) 103
3.1 指令系統(tǒng)概述 103
3.1.1 指令系統(tǒng)的基本概念 103
3.1.2 指令的要素 104
3.1.3 指令的表示 105
3.1.4 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的問題 107
3.2 操作數(shù)類型 107
3.2.1 地址 108
3.2.2 數(shù)值 108
3.2.3 字符 108
3.2.4 邏輯數(shù)據(jù) 109
3.2.5 數(shù)據(jù)類型舉例 109
3.3 指令類型 111
3.3.1 數(shù)據(jù)傳送類型 111
3.3.2 算術(shù)運(yùn)算類型 112
3.3.3 邏輯運(yùn)算類型 112
3.3.4 移位操作類型 112
3.3.5 轉(zhuǎn)移控制類型 113
3.3.6 輸入輸出類型 114
3.3.7 指令類型舉例 114
3.4 尋址方式 118
3.4.1 立即尋址方式 119
3.4.2 直接尋址方式 119
3.4.3 間接尋址方式 119
3.4.4 寄存器尋址方式 120
3.4.5 寄存器間接尋址方式 120
3.4.6 偏移量尋址方式 121
3.4.7 實(shí)際機(jī)器的尋址方式簡(jiǎn)介 122
3.5 指令格式 124
3.5.1 指令格式的選擇 124
3.5.2 實(shí)際指令格式簡(jiǎn)介 127
3.6 本章小結(jié) 130
習(xí)題 133
第4章 中央處理器設(shè)計(jì) 135
4.1 計(jì)算機(jī)組成的層次概念 135
4.2 RISC與CISC 136
4.2.1 高級(jí)語言計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 136
4.2.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 136
4.2.3 復(fù)雜指令系統(tǒng)的依據(jù) 138
4.3 模型機(jī)的指令系統(tǒng) 138
4.3.1 把模型機(jī)的匯編語句翻譯成機(jī)器指令 139
4.3.2 模型機(jī)的指令格式 140
4.3.3 模型機(jī)尋址方式 141
4.4 匯編語言概念 146
4.5 指令系統(tǒng)——軟件的接口 148
4.5.1 把C語言賦值語句編譯成模型機(jī)匯編語言程序 148
4.5.2 把模型機(jī)的匯編語言翻譯成機(jī)器語言 154
4.5.3 把C語言的條件轉(zhuǎn)移語句編譯成模型機(jī)的匯編語言程序 155
4.5.4 把C語言的循環(huán)語句編譯成模型機(jī)的匯編語言程序 157
4.5.5 使用無條件轉(zhuǎn)移地址表編譯switch語句 160
4.6 CPU的設(shè)計(jì)——數(shù)據(jù)路徑與控制器 163
4.6.1 概述 163
4.6.2 單周期數(shù)據(jù)路徑 164
4.6.3 單周期數(shù)據(jù)路徑的控制器 173
4.6.4 多周期數(shù)據(jù)路徑 186
4.6.5 多周期數(shù)據(jù)路徑主控制單元（控制器）的設(shè)計(jì) 209
4.6.6 異常概念 237
4.7 本章小結(jié) 237
本章主要英漢詞匯對(duì)照 239
習(xí)題 239
第5章 流水線原理及其在CPU 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 243
5.1 概述 243
5.2 指令流水線概念及指令的重疊執(zhí)行方式 243
5.3 時(shí)空?qǐng)D 248
5.4 流水線的分類 249
5.5 流水線性能指標(biāo)與線性流水線性能分析 250
5.5.1 線性流水線的性能分析 252
5.5.2 流水線的特點(diǎn)（與串行順序方式相比） 257
5.6 非線性流水線 258
5.6.1 引言 258
5.6.2 預(yù)約表 259
5.6.3 啟動(dòng)距離（等待時(shí)間）分析 260
5.6.4 迭加原理與無沖突調(diào)度方法 264
5.7 非線性流水線的性能分析 272
5.7.1 引言 272
5.7.2 非線性流水線TK的求法 272
5.7.3 非線性流水線的吞吐率、效率、加速比和相互間的關(guān)系 273
5.7.4 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(guān)系 273
5.8 模型機(jī)的指令級(jí)流水線 276
5.8.1 模型機(jī)的流水線數(shù)據(jù)路徑 277
5.8.2 模型機(jī)流水線的控制 281
5.9 相關(guān)及其處理 283
5.9.1 相關(guān)概念 283
5.9.2 結(jié)構(gòu)相關(guān) 283
5.9.3 數(shù)據(jù)相關(guān) 286
5.9.4 控制相關(guān) 303
5.10 流水線的基本性能問題 315
5.11 本章小結(jié) 316
本章主要英漢詞匯對(duì)照 319
習(xí)題 319
第6章 存儲(chǔ)體系 322
6.1 概論 322
6.1.1 存儲(chǔ)器的功能 322
6.1.2 存儲(chǔ)器的分類 323
6.1.3 存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo) 324
6.2 存儲(chǔ)器組織 327
6.2.1 存儲(chǔ)單元 327
6.2.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組織邏輯 327
6.2.3 靜態(tài)芯片邏輯與動(dòng)態(tài)芯片邏輯 330
6.2.4 芯片封裝 333
6.3 存儲(chǔ)器與CPU的連接 334
6.4 半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器（ROM） 336
6.5 并行存儲(chǔ)器 338
6.5.1 雙端口存儲(chǔ)器 338
6.5.2 多體交叉存儲(chǔ)器 339
6.5.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器 341
6.6 存儲(chǔ)體系 342
6.6.1 虛擬存儲(chǔ)器 342
6.6.2 頁式管理 343
6.6.3 段式管理 345
6.7 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 345
6.7.1 基本原理 345
6.7.2 地址映射與變換 348
6.7.3 替換算法 350
6.7.4 兩級(jí)存儲(chǔ)器的性能 351
6.8 本章小結(jié) 351
本章主要英漢詞匯對(duì)照 353
習(xí)題 353
第7章 總線與輸入輸出 355
7.1 概述 355
7.2 接口概念與分類 355
7.3 輸入輸出的基本控制方式 357
7.4 計(jì)算機(jī)總線 359
7.4.1 總線的功能 360
7.4.2 總線的分類 361
7.4.3 總線的設(shè)計(jì)原則和工作原理 362
7.5 主機(jī)與外圍設(shè)備間的連接方式 370
7.6 本章小結(jié) 374
本章主要英漢詞匯對(duì)照 376
習(xí)題 376
附錄 新舊邏輯電路圖形符號(hào)對(duì)照表 377
參考文獻(xiàn) 378