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1.1.1 为什么需要计算机1

目录1

1.1.2 软件的概念1

2.6.1 1位ALU 51

1.1 计算机的基本概念1

第1章 绪论1

1.1.3 硬件的概念4

1.1.4 指令系统——软、硬件的接口5

1.2 结构化设计（研究）方法与计算机组成原理课程的研究内容7

1.2.1 分层概念和结构化设计（研究）方法7

1.2.2 结构的分解8

1.2.3 计算机组成原理课程的研究内容11

1.3 计算机组成和体系结构12

1.4 冯·诺依曼计算机13

1.5 计算机的发展简史15

第0代——机械计算机16

第2代——晶体管计算机（1955—1965）18

第3代——集成电路计算机（1965—1980）18

第1代——电子管计算机（1945—1955）18

第4代——超大规模集成电路计算机（1980— ）19

1.6 计算机的应用20

本章主要英汉词汇对照20

1.7 本章小结21

习题22

2.1.1 真值的概念23

2.1 真值与机器数23

第2章 运算方法的理论基础与运算器设计23

2.1.2 机器数26

2.1.3 计算机带符号定点数的表示方法26

2.1.4 计算机浮点数的表示方法27

2.2 二进制带符号数的表示方法28

2.2.1 原码表示方法28

2.2.2 补码表示方法29

2.2.3 反码表示方法33

2.2.4 移码表示方法35

2.3 字符与字符串的表示方法35

2.4 定点加减运算与溢出判断37

2.4.1 补码加法运算37

2.4.2 负数的补码及补码的运算规则38

2.4.3 溢出与检测方法40

2.4.4 基本的二进制加法器／减法器42

2.4.5 十进制加法器44

2.4.6 定点运算器的先行进位46

2.5 逻辑运算49

2.5.1 逻辑非49

2.5.2 逻辑加49

2.5.3 逻辑乘50

2.5.4 逻辑异或50

2.6 算术逻辑单元的组织51

2.6.2 32位ALU52

2.7 定点乘法运算53

2.7.1 原码一位乘法53

2.7.2 补码一位乘法55

2.7.3 补码两位乘法59

2.7.4 阵列乘法器62

2.8 定点除法运算63

2.8.1 定点原码除法63

2.8.2 定点补码除法66

2.8.3 阵列除法73

2.9 浮点运算76

2.9.1 浮点数的表示76

2.9.2 移码的运算77

2.9.3 二进制浮点数表示的IEEE标准80

2.9.4 浮点算术运算83

2.10 同余式基本概念92

2.11 本章小结94

本章主要英汉词汇对照100

习题101

第3章 指令系统103

3.1 指令系统概述103

3.1.1 指令系统的基本概念103

3.1.2 指令的要素104

3.1.3 指令的表示105

3.2 操作数类型107

3.1.4 指令系统设计应该考虑的问题107

3.2.1 地址108

3.2.2 数值108

3.2.3 字符108

3.2.4 逻辑数据109

3.2.5 数据类型举例109

3.3 指令类型111

3.3.1 数据传送类型111

3.3.2 算术运算类型112

3.3.3 逻辑运算类型112

3.3.4 移位操作类型112

3.3.5 转移控制类型113

3.3.7 指令类型举例114

3.3.6 输入输出类型114

3.4 寻址方式118

3.4.1 立即寻址方式119

3.4.2 直接寻址方式119

3.4.3 间接寻址方式119

3.4.4 寄存器寻址方式120

3.4.5 寄存器间接寻址方式120

3.4.6 偏移量寻址方式121

3.4.7 实际机器的寻址方式简介122

3.5 指令格式124

3.5.1 指令格式的选择124

3.5.2 实际指令格式简介127

3.6 本章小结130

习题133

第4章 中央处理器设计135

4.1 计算机组成的层次概念135

4.2 RISC与CISC136

4.2.1 高级语言计算机体系结构136

4.2.2 精简指令系统计算机体系结构136

4.2.3 复杂指令系统的依据138

4.3 模型机的指令系统138

4.3.1 把模型机的汇编语句翻译成机器指令139

4.3.2 模型机的指令格式140

4.3.3 模型机寻址方式141

4.4 汇编语言概念146

4.5.1 把C语言赋值语句编译成模型机汇编语言程序148

4.5 指令系统——软件的接口148

4.5.2 把模型机的汇编语言翻译成机器语言154

4.5.3 把C语言的条件转移语句编译成模型机的汇编语言程序155

4.5.4 把C语言的循环语句编译成模型机的汇编语言程序157

4.5.5 使用无条件转移地址表编译switch语句160

4.6 CPU的设计——数据路径与控制器163

4.6.1 概述163

4.6.2 单周期数据路径164

4.6.3 单周期数据路径的控制器173

4.6.4 多周期数据路径186

4.6.5 多周期数据路径主控制单元（控制器）的设计209

4.7 本章小结237

4.6.6 异常概念237

本章主要英汉词汇对照239

习题239

第5章 流水线原理及其在CPU设计中的应用243

5.1 概述243

5.2 指令流水线概念及指令的重叠执行方式243

5.3 时空图248

5.4 流水线的分类249

5.5 流水线性能指标与线性流水线性能分析250

5.5.1 线性流水线的性能分析252

5.5.2 流水线的特点（与串行顺序方式相比）257

5.6.1 引言258

5.6 非线性流水线258

5.6.2 预约表259

5.6.3 启动距离（等待时间）分析260

5.6.4 迭加原理与无冲突调度方法264

5.7 非线性流水线的性能分析272

5.7.1 引言272

5.7.2 非线性流水线Tk的求法272

5.7.3 非线性流水线的吞吐率、效率、加速比和相互间的关系273

5.7.4 非线性流水线的渐近吞吐率、渐近效率、渐近加速比以及相互间的关系273

5.8 模型机的指令级流水线276

5.8.1 模型机的流水线数据路径277

5.8.2 模型机流水线的控制281

5.9.2 结构相关283

5.9 相关及其处理283

5.9.1 相关概念283

5.9.3 数据相关286

5.9.4 控制相关303

5.10 流水线的基本性能问题315

5.11 本章小结316

本章主要英汉词汇对照319

习题319

第6章 存储体系322

6.1 概论322

6.1.1 存储器的功能322

6.1.2 存储器的分类323

6.1.3 存储器的主要技术指标324

6.2 存储器组织327

6.2.1 存储单元327

6.2.2 半导体存储器芯片组织逻辑327

6.2.3 静态芯片逻辑与动态芯片逻辑330

6.2.4 芯片封装333

6.3 存储器与CPU的连接334

6.4 半导体只读存储器（ROM）336

6.5 并行存储器338

6.5.1 双端口存储器338

6.5.2 多体交叉存储器339

6.5.3 相联存储器341

6.6.1 虚拟存储器342

6.6 存储体系342

6.6.2 页式管理343

6.6.3 段式管理345

6.7 高速缓冲存储器（Cache）345

6.7.1 基本原理345

6.7.2 地址映射与变换348

6.7.3 替换算法350

6.7.4 两级存储器的性能351

6.8 本章小结351

本章主要英汉词汇对照353

习题353

7.2 接口概念与分类355

7.1 概述355

第7章 总线与输入输出355

7.3 输入输出的基本控制方式357

7.4 计算机总线359

7.4.1 总线的功能360

7.4.2 总线的分类361

7.4.3 总线的设计原则和工作原理362

7.5 主机与外围设备间的连接方式370

7.6 本章小结374

本章主要英汉词汇对照376

习题376

附录 新旧逻辑电路图形符号对照表377

参考文献378