计算机组成原理

《计算机组成原理》按照教育部考试中心颁发的“全国计算机学科专业基础综合考试大纲”的要求，系统介绍了计算机单机系统的组成结构和工作原理。《计算机组成原理》分为7章，主要内容包括：计算机系统概述、计算机中数据信息的表示和运算、存储系统、指令系统、中央处理单元CPU、总线、输入／输出系统。
《计算机组成原理》内容充实而又力求精练、重点突出，体现出基础性、时代性和系统性的特色。书中概念清晰、语言通俗易懂、实例丰富，涵盖了计算机组成原理的基本内容并增加了一些当前计算机系统结构技术发展的新内容。每章都提供了大量典型的习题，并配有部分答案供读者练习和参考。
《计算机组成原理》可作为高等院校计算机及相关专业的“计算机组成原理”课程教材、计算机专业研究生入学考试的复习用书，也可以作为成人自学考试用书。 

前言
教学建议
第1章 计算机系统概述
1.1 计算机发展历程
1.1.1 古代计算阶段
1.1.2 现代计算阶段
1.2 计算机层次结构
1.2.1 计算机硬件基本组成及特点
1.2.2 计算机的软件及其分类
1.2.3 计算机系统的层次结构
1.3 计算机的分类及应用
1.3.1 计算机的分类
1.3.2 计算机的应用领域
1.4 计算机性能指标
习题1

第2章 计算机中数据信息的表示和运算
2.1 数制与编码
2.1.1 进位计数制及其转换
2.1.2 数值数据的编码与表示
2.1.3 校验码
2.2 定点数的表示和运算
2.2.1 定点数的表示
2.2.2 定点数的运算
2.3 浮点数的表示和运算
2.3.1 浮点数的表示
2.3.2 浮点数的运算
2.4 算术逻辑单元ALU
2.4.1 串行进位加法器和并行进位加法器
2.4.2 多功能算术逻辑部件的结构
习题2

第3章 存储系统
3.1 存储系统概述
3.1.1 存储器的性能指标
3.1.2 存储器分类
3.1.3 存储系统的层次化结构
3.2 主存储器
3.2.1 主存储器概述
3.2.2 半导体随机存取存储器RAM
3.2.3 半导体只读存储器ROM
3.2.4 主存容量的扩展方式
3.3 高速缓冲存储器Cache
3.3.1 Cache的组成原理
3.3.2 Cache的地址映像方式
3.3.3 Cache的替换算法
3.3.4 Cache的更新(写)策略
3.3.5 分体存储体系结构(哈佛体系结构)
3.4 其他形式的高速存储器
3.4.1 双端口存储器
3.4.2 多模块交叉形式存储器
3.4.3 相联存储器
3.5 虚拟存储器系统
3.5.1 虚拟存储器概述
3.5.2 虚拟存储器的管理方式与存储保护
3.5.3 虚拟存储器的工作过程
3.6 辅助存储器
3.6.1 辅助存储器概述
3.6.2 磁表面存储器
3.6.3 光盘存储器
3.6.4 U盘存储器
习题3

第4章 指令系统
4.1 指令系统概述
4.1.1 指令与指令系统
4.1.2 指令系统的性能要求
4.2 指令格式
4.2.1 地址码字段的格式
4.2.2 操作码字段的格式
4.2.3 数据在存储器中的存放方式
4.3 寻址方式
4.3.1 立即数寻址
4.3.2 寄存器寻址
4.3.3 直接寻址
4.3.4 寄存器间接寻址
4.3.5 存储器间接寻址
4.3.6 变址寻址
4.3.7 基址寻址
4.3.8 相对寻址
4.3.9 堆栈寻址
4.4 指令的类型
4.4.1 数据传送类指令
4.4.2 算术／逻辑运算类指令
4.4.3 程序控制类指令
4.4.4 输入／输出类指令
4.4.5 其他指令
4.5 指令格式举例
4.6 常用指令系统
4.6.1 复杂指令系统计算机
4.6.2 精简指令系统计算机
习题4

第5章 中央处理单元OPU
5.1 CPU的功能和基本结构
5.1.1 CPU的功能和性能
5.1.2 CPU的基本组成结构
5.1.3 时序系统和时序控制方式
5.2 指令的执行过程
5.2.1 概述
5.2.2 具体执行过程
5.3 控制器的组成和工作原理
5.3.1 控制器概述
5.3.2 微程序控制器
5.3.3 组合逻辑控制器
5.4 指令流水线
5.4.1 指令流水线概述
5.4.2 流水线基本工作原理
5.4.3 流水线中的相关问题
5.4.4 超标量流水线技术
习题5

第6章 总线
6.1 总线概述
6.1.1 总线的基本概念
6.1.2 系统总线的结构
6.1.3 总线的主要性能指标
6.1.4 典型的总线标准
6.2 总线信息传输
6.2.1 总线的操作
6.2.2 信息传输方式
6.2.3 总线定时方式
6.3 总线仲裁
6.3.1 总线仲裁的概念
6.3.2 总线仲裁方式
习题6

第7章 输入／输出系统
7.1 外围设备
7.1.1 输入／输出设备概述
7.1.2 常用输入设备
7.1.3 常用输出设备
7.2 输入／输出接口
7.2.1 I／O接口的基本功能
7.2.2 I／O接口电路的分类与基本组成
7.2.3 I／O端口的编址方式
7.3 输入／输出信息传送控制方式
7.3.1 程序直接传送方式
7.3.2 程序中断传送方式
7.3.3 直接存储器存取(DMA)方式
7.3.4 I／O通道控制方式和外围
处理机方式
习题7
习题答案
参考文献

    计算机模型中的运算器用来完成数据的暂存、变换、逻辑运算和算术运算功能。控制器完成对计算机各部件协同运行的指挥控制，保证了指令按照预定次序、步骤执行，并且能够处理各种紧急事件。存储器则是用来存放计算机运行过程中所要执行的指令代码和所需数据。输入设备的主要功能是向计算机系统输送用户操作指令、程序和数据。输出设备则把计算机系统的运行结果输出给用户。输入／输出设备完成了计算机系统和计算机用户的交流任务。

    冯·诺依曼计算机模型体系结构属于典型的单指令流单数据流的系统，其结构特点主要体现在如下六个方面：

    1）计算机内部以运算器为中心，输入／输出设备与存储器之间的数据传送都要途经运算器。同时，各部分的操作及其相互之间的联系都要由控制器集中控制。

    2）采用存储器程序原理，将程序和数据事先存放在存储器中，运行时顺序取出指令一条条地执行。存储器按地址访问，它是一个顺序、线性编址的一维空间，每个单元的位数是固定的。

    3）指令在存储器中基本是按其执行顺序依次存储，由指令计数器指明要执行的指令在存储器中的地址。一般情况下，每执行完一条指令，指令计数器自动增加一个固定值，也可以根据运算结果改变指令计数器的值来变更其执行顺序。

    4）指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明本指令在存储器中的地址。操作数的数据类型由操作码指明，操作数本身不能判定出它是何种数据类型。例如，是定点数、浮点数、十进制数、双精度数、逻辑数，还是字符串等。

    5）数据以二进制编码，并采用二进制运算。

    6）软件与硬件完全分开，硬件结构采用固定性逻辑，依靠不同的软件来适应不同的应用需要。

    1.2.2 计算机的软件及其分类

    计算机系统本身的资源分为两类，即硬件资源和软件资源。软件资源主要完成的任务其一是解决计算机自身资源管理问题，其二是完成计算机语言和机器语言转换问题，其三是完成用户的一般任务。通常将完成计算机自身资源管理的软件和语言翻译软件称为系统软件，而将完成用户一般任务的软件称为应用软件。系统软件包括管理系统资源的操作系统软件，各类语言解释和翻译软件，数据库管理系统，网络软件以及一些系统服务程序。应用软件包括按用户任务需求编制的各种程序。

    ……