计算机组成原理

第1章计算机系统概述

1.1计算机系统的基本组成及其层次结构

1.2计算机硬件系统的五个功能部件及其功能

1.3计算机系统主要的技术与性能指标

1.4计算机的体系结构、组成和实现概述

1.5计算柳发展进步、分类与拓展应用的进程

本章小结

习题与思考题

第2章数字电路和逻辑设计基础

2.1数字电路基础

2.1.1半导体材料和二极管简介

2.1.2三极管的结构及其伏安特性

2.1.3应用举例

2.2布尔代数知识基础和基本逻辑门

2.2.1布尔代数基础知识

2.2.2基本的逻辑门电路

2.3常用的组合逻辑、时痛陈逻辑器件及其应用

2.3.1组合逻辑电路

2.3.2时序逻辑电路

2.3.3应用举例

2.4可编程器件及其编程概述

2.4.1可编程器件概述

2.4.2可编程器件的功能设计与VHDL语言简介

本章小结

习题与思考题

第3章数据表示和数据运算算法

3.1数字化信息编码的概念和二进制编码知识

3.1.1数字化信息编码的概念

3.1.2二进制编码和码制转换

3.2数据表示常用的信息编码

3.2.1逻辑类型数据的表示

3.2.2字符类型数据的表示

3.2.3多媒体信息的概述及其计算机表示

3.2.4数值类型数据的表示

3.3二进制数值数据的编码方案与运算算法

3.3.1原码、反码、补码的定义

3.3.2补码加、减运算规则和电路实现

3.3.3原码一位乘法、除法的实现方案

3.4检错纠错码

3.4.1码距

3.4.2三种常见的校验码

本章小结

习题与思考题

第4章计算机的运算器部件

4.1算术逻辑运算单元的线路实现

4.2计算机的定点运算器

4.2.1定点运算器的功能、组成与控制

4.2.2示例计算机的运算器部件的功能、组成与实现

4.2.3MIPS计算机多周期CPU系统中的运算器部件的功能与组成

4.3浮点运算与浮点运算器

4.3.1浮点数的运算规则

4.3.2浮点运算器举例

4.4提高运算器部件处理能力的可行途径

4.4.1计算机性能的提高和并行性发展概述

4.4.2提高计算机运算器处理能力的可行途径

本章小结

习题与思考题

第5章指令系统和汇编语言程序设计

5.1指令格式和指令系统概述

5.1.1操作码的组织与编码

5.1.2有关操作数的个数、来源、去向和地址安排

5.1.3指令的分类

5.2基本寻址方式概述

5.3指令系统举例

5.3.1MIPS计算机的指令系统

5.3.2TH_FPGA示例计算机的指令系统

5.4计算机的汇编语言程序设计

5.4.1汇编语言程序设计中的有关概念

5.4.2示例计算机的汇编语言程序设计举例

本章小结

习题与思考题

第6章计算机的控制器部件

6.1控制器的功能、组成与指令执行步骤概述

6.1.1控制器部件的功能和组成概述

6.1.2指令的执行步骤概述

6.2硬连线控制器部件

6.2.1硬连线控制器的组成和运行原理简介

6.2.2TH_FPGA示例计算机系统的硬连线控制器部件

6.2.3MIPS计算机的控制器部件

6.3微程序的控制器部件

6.3.1微程序控制器的基本组成和运行原理简介

6.3.2微程序设计中的下地址形成逻辑和微程序设计

6.4指令流水线的概念和实现技术

6.4.1流水线的基本概念和主要性能指标

6.4.2指令流水线中的相关问题及其解决思路

6.4.3THFPGA系统中的指令流水线方案

6.4.4指令级并行技术

本章小结

习题与思考题

第7章多级存储器系统

7.1存储系统概述

7.1.1存储器分类

7.1.2存储器系统设计目标和存储体系的实现

7.2存储器芯片

7.2.1基本存储位

7.2.2存储器芯片的组成

7.2.3只读存储器

7.3主存储器

7.3.1主存储器概述

7.3.2示例计算机的主存储器组成和设计

7.4高速缓冲存储器

7.4.1cache的基本结构和运行原理

7.4.2主存与cache的地址映射

7.4.3cache的命中率、写入与替换策略

7.5外部存储器设备

7.5.1外部存储设备概述

7.5.2磁记录原理与记录方式

7.5.3硬磁盘设备

7.5.4光盘设备

7.5.5U盘简介

7.6虚拟存储器

7.6.1虚拟存储器概述

7.6.2段式虚拟存储器

7.6.3页式虚拟存储器

7.6.4段页式虚拟存储器

本章小结

习题与思考题

第8章总线与输入/输出系统

8.1总线

8.1.1总线概述

8.1.2总线结构

8.1.3总线控制

8.1.4总线举例

8.2输入/输出系统

8.2.1输入/输出系统概述

8.2.2输入/输出设备

8.2.3输入/输出接口

8.2.4输入/输出控制方式

本章小结

习题与思考题

第9章并行计算机体系结构

9.1基础知识与基本概念

9.1.1计算机体系结构的分类

9.1.2并行计算机系统的性能问题

9.1.3并行计算机系统的软件技术

9.2SIMD计算机简介

9.3基于共享内存的多处理机系统

9.3.1一致性内存访问的IMA多处理机系统

9.3.2非一致性内存访问的NUMA多处理机系统

9.3.3仅高速缓存访问的COMA多处理机系统

9.4基于消息传递的多计算机系统

9.4.1大规模并行处理机

9.4.2工作站集群

本章小结

习题与思考题

参考文献

　　本书的核心内容将围绕如何学懂和构建一台简单的计算机硬件系统来安排，希望把作者多年来在清华大学主持建设“计算机组成原理”国家级精品课程、研制和建设丰富的教学资源所取得的成果和心得体会充分反映到教材中。在知识层次方面，强调基本通用原理是基础，应重点关注，并通过简明原理示例的具体内容来体现原理的应用方法与价值，深化对原理知识的理解，并为开展实践教学搭建平台。进一步在典型产品现状这个层次，引导学生了解计算机当前的技术水平和发展现状。　　在讲解计算机组成和功能时，把通常的文字叙述和用硬件描述语言VHDL程序的严格描述结合起来，体现计算机的最新设计手段和实现技术。　　本书是清华大学国家精品课程“计算机组成原理”建设的重要成果。全书共分9章。第1章简要介绍计算机组成，第2章介绍数字电路基础，第3～8章讲解计算机组成原理的主体内容，包括计算机系统的中央处理器(CPU)、存储器和输入/输出系统；第9章概要介绍计算机系统结构课程的入门性知识。　　本书可作为普通高等院校“计算机组成原理”课程的教材，也可供计算机相关专业、科研人员和其他有关人员学习参考。【作者简介】　　王诚，毕业于清华大学原自动控制系计算机专业，毕业后留校任教，除1973.4-1975.10到法国进修之外，其他时间一直在清华大学计算机系承担教学与科研任务。　　教学方面，先后主讲多门软件或硬件课程。出版了10多本教材，例如《PASCAL程序设计及其应用》、《计算机组成与设计》、《计算机组成原理》和《计算机组成与体系结构》等，几本书或者被评为部委级优秀教材，或者入选北京市精品教材和国家级规划教材。研制并发的教学计算机系统已经形成系列产品并有配套的软件模拟系统，教学课件包括教学全部内容。主持的“计算机组成原理”课程教学改革获北京市教学成果一等奖。并于2004年被评为清华大学、北京市和国家三个级别的精品课。　　科研方向主要在计算机系统结构、网络和分布式信息系统领域，先后主持或承担过近20项国家、部委省市级的攻关课题和横向科研课题。其中应用面最广、影响较大的当属“全国普通高校招生网上录取系统”和“全国成人高校招生网上录取系统”，该系统在全国全面应用，为贯彻招生录取工作的“公正、公平和公开”原则提供了技术上的保证，产生明显的社会和经济效益，得到各级领导和考生及其家长的高度认可和称赞。　　教学和科研成果总共8次获得部委或北京市级奖励，更多次数获得清华大学的各种奖励。