计算机组成原理（微课版 ）（第2版）

本书利用组合逻辑、同步时序逻辑电路设计的相关知识，从逻辑门开始逐步构建运算器、存储器、数据通路和控制器，最终集成为完整的CPU原型系统，使读者从设计者的角度理解计算机部件构成及运行的基本原理，掌握软硬件协同的概念。 全书共9章，主要内容包括计算机系统概述、数据信息的表示、运算方法与运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、指令流水线、总线系统、输入输出系统。 本书可作为高等学校计算机相关专业“计算机组成原理”课程的教材，也可作为硕士研究生入学考试的参考书，还可作为计算机工程技术人员的参考书。

谭志虎，华中科技大学教授，院长助理，主要研究方向为计算机系统结构，网络存储，科研成果获湖北省科技进步一等奖。主要承担《计算机组成原理》、《计算机组织与结构》、《计算机系统基础》、《Verilog语言》、《计算机系统能力综合训练》等课程的教学工作，在中国大学慕课上开设《计算机组成原理》、《计算机硬件系统设计》两门慕课课程，主编《计算机组成原理实践教程---从逻辑门到CPU》教材一部。主持省部级教改项目5项，发表CSSCI类教研论文7篇，先后获湖北省教学成果一等奖，校实验技术成果一等奖，宝钢优秀教师奖，校教师教学竞赛一等奖，教学质量一等奖，课堂教学卓越奖。

第 1章　计算机系统概论1 1.1　计算机发展历程　1 1.1.1　国外计算机发展概况　1 1.1.2　摩尔定律　2 1.1.3　集成电路工艺发展概况　2 1.1.4　我国计算机发展概况　3 1.2　计算机系统的组成　4 1.2.1　计算机硬件系统　4 1.2.2　计算机软件系统　7 1.3　计算机系统的层次结构　8 1.3.1　系统层次结构　8 1.3.2　各层之间的关系　10 1.3.3　软件和硬件的逻辑功能等价性　10 1.4　计算机性能指标和评价　10 1.4.1　基本性能指标　10 1.4.2　与时间有关的性能指标　11 1.4.3　CPU性能公式应用　14 1.4.4　性能测试及其工具　15 1.5　课程学习的建议　16 习题1　17 实践训练　18 第　2章 数据信息的表示　19 2.1　数据表示的作用　19 2.2　数值数据的表示　19 2.2.1　数的机器码表示　19 2.2.2　定点数表示　25 2.2.3　浮点数表示　26 2.2.4　十进制编码*　31 2.2.5　计算机中的数据类型　33 2.3　非数值数据的表示　40 2.3.1　字符表示　40 2.3.2　汉字编码　40 2.4　数据信息的校验　42 2.4.1　码距与校验　43 2.4.2　奇偶校验　44 2.4.3　海明校验　45 2.4.4　循环冗余校验　49 习题2　53 实践训练　56 第3章　运算方法与运算器　57 3.1　计算机中的运算　57 3.1.1　C语言中的位运算　57 3.1.2　C语言中的逻辑运算　57 3.1.3　C语言中的移位运算　58 3.1.4　C语言中的算术运算　59 3.2　定点加减法运算　60 3.2.1　补码加减法运算方法　60 3.2.2　溢出及检测　62 3.2.3　加减法的逻辑实现　64 3.3　定点乘法运算　69 3.3.1　原码一位乘法　69 3.3.2　补码一位乘法　72 3.3.3　阵列乘法器　75 3.3.4　补码阵列乘法器　76 3.3.5　乘法器性能优化*　77 3.4　定点除法运算　77 3.4.1　原码一位除法　78 3.4.2　阵列除法器　81 3.5　浮点运算　83 3.5.1　浮点加减法运算　83 3.5.2　浮点乘法运算　86 3.5.3　浮点除法运算　86 3.6　运算器　87 3.6.1　定点运算器　87 3.6.2　浮点运算器　91 习题3　92 实践训练　94 第4章　存储系统　95 4.1　存储器概述　95 4.1.1　存储器分类　95 4.1.2　存储器技术指标　96 4.1.3　存储系统层次结构　97 4.1.4　主存的基本结构　97 4.1.5　主存中数据的存放　98 4.2　半导体存储器　100 4.2.1　静态MOS存储器　100 4.2.2　动态MOS存储器　105 4.2.3　只读存储器　110 4.2.4　DRAM的发展*　112 4.3　主存的组织及与CPU的连接　116 4.3.1　存储器与CPU的连接　116 4.3.2　存储器的扩展　116 4.4　并行主存系统　118 4.5　高速缓冲存储器　121 4.5.1　cache工作原理　121 4.5.2　程序局部性　122 4.5.3　cache的基本概念　122 4.5.4　cache读、写流程与关键技术　123 4.5.5　相联存储器　125 4.5.6　地址映射　126 4.5.7　替换算法　134 4.5.8　写入策略　136 4.5.9　cache应用　137 4.6　虚拟存储器　138 4.6.1　虚拟存储器的工作原理　138 4.6.2　虚拟存储器的地址映射与变换　139 4.6.3　页式虚拟存储器　139 习题4　147 实践训练　152 第5章　指令系统　153 5.1　指令系统概述　153 5.2　指令格式　154 5.2.1　指令字长度　154 5.2.2　指令地址码　155 5.2.3　指令操作码　156 5.3　寻址方式　157 5.3.1　指令寻址方式　157 5.3.2　操作数寻址方式　158 5.4　指令类型　164 5.5　指令格式设计　166 5.6　CISC和RISC　167 5.6.1　复杂指令系统计算机　168 5.6.2　精简指令系统计算机　168 5.7　指令系统举例　169 5.7.1　PDP-11指令系统　169 5.7.2　Intel x86指令系统*　170 5.7.3　MIPS指令系统　175 5.7.4　RISC-V指令系统*　178 习题5　182 实践训练　185 第6章　中央处理器　186 6.1　中央处理器概述　186 6.1.1　中央处理器的功能　186 6.1.2　中央处理器的组成　186 6.2　指令周期　189 6.2.1　指令执行的一般流程　189 6.2.2　指令周期的基本概念　189 6.2.3　寄存器传送语言　191 6.3　数据通路及指令操作流程　191 6.3.1　数据通路模型与定时　192 6.3.2　单总线结构的数据通路　193 6.3.3　专用通路结构的数据通路　201 6.4　时序与控制　218 6.4.1　中央处理器的时序　218 6.4.2　控制方式　219 6.4.3　时序发生器　220 6.5　硬布线控制器　223 6.5.1　三级时序硬布线控制器　223 6.5.2　三级时序硬布线控制器设计　224 6.5.3　现代时序硬布线控制器　225 6.5.4　现代时序硬布线控制器设计　226 6.6　微程序控制器　229 6.6.1　微程序控制的基本概念　229 6.6.2　微程序控制器组成原理　231 6.6.3　微程序控制器设计　234 6.6.4　微指令及其编码方法　239 6.7　异常与中断处理　241 6.7.1　异常与中断的基本概念　241 6.7.2　异常与中断处理过程　242 6.7.3　支持中断的CPU设计　243 习题6　247 实践训练　253 第7章　指令流水线　254 7.1　流水线概述　254 7.1.1　流水线的基本概念　254 7.1.2　MIPS指令流水线　254 7.1.3　流水线的时空图表示　255 7.2　流水线数据通路　257 7.2.1　单周期数据通路流水改造　257 7.2.2　流水线中的控制信号及传递　259 7.2.3　指令在流水线中的执行过程　260 7.3　流水线冲突与处理　263 7.3.1　流水线冲突　263 7.3.2　结构冲突处理　265 7.3.3　控制冲突处理　265 7.3.4　插入气泡解决数据冲突　267 7.3.5　使用重定向解决数据冲突　271 7.3.6　动态分支预测技术*　275 7.3.7　流水线性能分析　279 7.4　流水线的异常与中断　280 7.5　指令级并行技术　282 习题7　283 实践训练　286 第8章　总线系统　287 8.1　总线概述　287 8.1.1　总线分类　287 8.1.2　总线组成　289 8.1.3　总线标准　291 8.1.4　总线与三态门　291 8.1.5　总线性能指标　293 8.2　总线传输机制　294 8.2.1　总线传输过程　294 8.2.2　总线的信息传送　295 8.2.3　总线仲裁　298 8.2.4　总线定时　301 8.3　总线结构　306 8.3.1　单总线结构　306 8.3.2　双总线结构　307 8.3.3　三总线结构　308 8.3.4　高性能总线结构　309 8.4　常用总线　312 8.4.1　常用片内总线　312 8.4.2　常用系统总线　313 8.4.3　常用I/O总线　315 8.4.4　常用外部总线　317 习题8　318 第9章　输入输出系统　321 9.1　输入输出设备与特性　321 9.2　I/O接口　322 9.2.1　I/O接口的功能　322 9.2.2　I/O接口的结构　322 9.2.3　I/O接口的编址　323 9.2.4　I/O接口的软件　325 9.2.5　I/O接口的分类　326 9.3　数据传输控制方式　326 9.4　程序控制方式　327 9.4.1　简单设备程序查询流程　328 9.4.2　复杂设备程序查询流程　329 9.4.3　程序查询特点　330 9.5　程序中断控制方式　332 9.5.1　中断的基本概念　333 9.5.2　中断请求　337 9.5.3　中断响应　341 9.5.4　中断识别　341 9.5.5　中断处理　343 9.6　DMA方式　347 9.6.1　DMA的基本概念　347 9.6.2　内存争用问题　347 9.6.3　DMA控制器　348 9.6.4　DMA传输流程　349 9.7　通道方式　351 9.7.1　通道的基本概念　351 9.7.2　通道的类型　352 9.7.3　CPU对通道的控制　354 9.7.4　通道结构的发展　354 9.8　常见I/O设备*　354 9.8.1　键盘　354 9.8.2　鼠标　355 9.8.3　打印机　356 9.8.4　显示器　358 9.8.5　硬盘存储器　359 9.8.6　磁盘阵列　362 9.8.7　光盘存储器　365 习题9　368 实践训练　371 参考文献　372