計算機組成原理

無第 1 章　計算機系統概論.................001
1.1　計算機的發展與應用 ...............................001
1.1.1　計算機的發展簡史 ........................... 001
1.1.2　計算機的主要特點 ........................... 004
1.1.3　計算機的發展趨勢 ........................... 005
1.1.4　計算機的分類 ................................... 006
1.1.5　計算機的應用 ................................... 008
1.1.6　我國計算機發展概述 ....................... 009
1.2　計算機系統 .............................................010
1.2.1　計算機硬件系統 ............................... 011
1.2.2　計算機軟件系統 ............................... 011
1.2.3　計算機系統的層次結構 ................... 012
1.3　計算機的基本組成 ..................................014
1.3.1　馮·諾依曼計算機的特點 ............... 014
1.3.2　馮·諾依曼計算機的硬件組成 ....... 015
1.3.3　計算機的總線結構 ........................... 016
1.3.4　計算機的語言 ................................... 017
1.3.5　計算機的工作步驟 ........................... 018
1.4　計算機硬件的主要性能指標 ....................022
1.4.1　機器字長 ........................................... 022
1.4.2　主頻 ................................................... 023
1.4.3　主存容量 ........................................... 023
1.4.4　時鐘周期 ........................................... 024
1.4.5　運算速度 ........................................... 024
1.4.6　兼容性 ............................................... 025
第 2 章　運算方法和運算部件.......028
2.1　計算機中的進制及其相互轉換 ................028
2.1.1　計算機中的數據存儲單位 ............... 028
2.1.2　計算機中的常見進制 ....................... 029
2.1.3　常見進制的相互轉換 ....................... 032
2.2　計算機中數值型數據的表示方法 .............036
2.2.1　無符號數和有符號數 ....................... 036
2.2.2　原碼表示法 ....................................... 037
2.2.3　補碼表示法 ....................................... 038
2.2.4　反碼表示法 ....................................... 040
2.2.5　移碼表示法 ....................................... 040
2.3　計算機中的數據編碼與校驗 ....................042
2.3.1　計算機中的數據編碼 ....................... 042
2.3.2　計算機中的數據校驗方式 ............... 045
2.4　算術運算和邏輯運算基礎 .......................046
2.4.1　移位運算 ........................................... 046
2.4.2　邏輯運算 ........................................... 050
2.5　計算機中定點數的表示與運算 ................051
2.5.1　定點數的表示方法 ........................... 051
2.5.2　定點數補碼加/減運算和溢出判斷 ... 052
2.5.3　定點數原碼乘法運算 ....................... 054
2.5.4　定點數補碼乘法運算 ....................... 057
2.5.5　定點數原碼除法運算 ....................... 062
2.6　計算機中浮點數的表示與運算 ................066
2.6.1　浮點數的表示方法 ........................... 066
2.6.2 IEEE 754 標準 .................................. 067
2.6.3　浮點數補碼加/減運算 ...................... 068
2.6.4　浮點數的乘/除法運算 ...................... 071
2.6.5　定點數和浮點數的比較 ................... 071
2.7 C 語言中常用數據類型轉換 ....................072
2.7.1　自動類型轉換和強制類型轉換 ....... 072
2.7.2　有符號數和無符號數的相互轉換 ... 072
2.7.3　短數據和長數據的相互轉換 ........... 073
2.8　運算器 ....................................................073
VI
2.8.1　加法器 ............................................... 073
2.8.2　算術邏輯單元 ................................... 077
2.8.3　定點運算器 ....................................... 079
2.8.4　浮點運算器 ....................................... 081
第 3 章　存儲系統...............................087
3.1　存儲系統的組織 ......................................087
3.1.1　存儲器的分類 ................................... 087
3.1.2　存儲系統的層次結構 ....................... 089
3.1.3　存儲器的性能指標 ........................... 091
3.2　主存儲器.................................................092
3.2.1　數據在存儲器中的存放方式 ........... 092
3.2.2　隨機存取存儲器 ............................... 096
3.2.3　只讀存儲器 ....................................... 104
3.2.4　主存儲器邏輯設計 ........................... 105
3.2.5　主存儲器與 CPU 的連接 ................. 108
3.3　高速緩沖存儲器 ......................................112
3.3.1 Cache 的作用 .................................... 112
3.3.2 Cache 的工作原理 ............................ 113
3.3.3 Cache 與主存的地址映射 ................ 115
3.3.4　替換算法 ........................................... 119
3.3.5 Cache 的讀和寫（更新） ................ 120
3.3.6 Cache 的改進 .................................... 121
3.4　虛擬存儲器與輔助存儲器 .......................122
3.4.1　虛擬存儲器 ....................................... 122
3.4.2　輔助存儲器 ....................................... 124
第 4 章　指令系統...............................128
4.1　指令系統概述 .........................................128
4.1.1　指令與指令系統 ............................... 128
4.1.2　指令系統的描述語言 ....................... 129
4.2　指令格式.................................................131
4.2.1　地址碼字段格式 ............................... 131
4.2.2　操作碼字段格式 ............................... 136
4.3　指令類型.................................................138
4.4　尋址方式.................................................141
4.4.1　指令尋址方式 ................................... 142
4.4.2　操作數尋址方式 ............................... 142
4.5 RISC 和 CISC ........................................152
4.5.1 RISC 的產生和發展 ......................... 152
4.5.2 RISC 的特點 ..................................... 153
4.5.3 CISC 和 RISC 的比較 ...................... 153
第 5 章　中央處理器 ..........................157
5.1　概述 ........................................................157
5.1.1　發展概況 ........................................... 157
5.1.2　中央處理器的功能 ........................... 160
5.1.3　中央處理器的組成 ........................... 161
5.2　指令周期.................................................164
5.2.1　基本概念 ........................................... 164
5.2.2　指令周期及數據通路 ....................... 166
5.3　時序與控制 .............................................172
5.3.1 CPU 時序 .......................................... 172
5.3.2　控制方式 ........................................... 174
5.3.3　時序部件 ........................................... 176
5.4　操作控制器 .............................................177
5.4.1　組合邏輯控制器 ............................... 177
5.4.2　微程序控制器 ................................... 179
5.5　指令流水.................................................189
5.5.1　指令流水原理與結構 ....................... 189
5.5.2　流水線性能 ....................................... 192
5.5.3　流水線性能的影響因素及處理 ....... 194
5.6　微處理器中的新技術 ...............................196
5.7　現代中央處理器 ......................................199
第６章　總線系統................................206
6.1　總線的基本概念 ......................................206
6.1.1　發展概況 ........................................... 206
6.1.2　總線的分類 ....................................... 207
6.1.3　總線特性 ........................................... 207
6.1.4　總線性能指標 ................................... 208
6.1.5　總線標準 ........................................... 210
6.2　總線的連接方式 ......................................215
6.2.1　總線接口 ........................................... 215
6.2.2　連接方式 ........................................... 216
6.2.3　內部結構 ........................................... 218
VII
6.2.4　信息傳輸模式 ................................... 219
6.3　總線控制.................................................220
6.3.1　總線判優控制 ................................... 220
6.3.2　總線通信控制 ................................... 223
第 7 章　計算機外部設備.................230
7.1　外部設備的分類 ......................................230
7.2　常見輸入設備 .........................................230
7.2.1　鍵盤 ................................................... 230
7.2.2　鼠標 ................................................... 232
7.2.3　掃描儀 ............................................... 233
7.3　常見輸出設備 .........................................234
7.3.1　顯示器 ............................................... 234
7.3.2　打印機 ............................................... 238
7.3.3　音箱 ................................................... 240
7.4　常見外存設備 .........................................241
7.4.1　機械硬盤 ........................................... 241
7.4.2　固態硬盤 ........................................... 242
7.4.3 U（優）盤 ........................................ 243
7.4.4　閃速存儲器 ....................................... 244
7.5　外部設備的作用 ......................................245
第 8 章　輸入/輸出系統....................247
8.1　概述 ........................................................247
8.1.1　發展概況 ........................................... 247
8.1.2 I/O 系統的組成 ................................ 248
8.1.3 I/O 控制方式 .................................... 249
8.2 I/O 接口和 I/O 端口 .................................250
8.2.1 I/O 接口的功能、類型和
基本結構 ........................................... 250
8.2.2 I/O 端口的概念及編址方式 ............ 252
8.3　程序直接控制方式 ..................................253
8.3.1　立即程序傳送方式 ........................... 254
8.3.2　程序查詢方式 ................................... 254
8.4　程序中斷方式 .........................................255
8.4.1　中斷的特點及應用 ........................... 256
8.4.2　關鍵概念 ........................................... 258
8.4.3　中斷的分類 ....................................... 259
8.4.4　中斷屏蔽技術 ................................... 260
8.4.5　中斷處理過程 ................................... 264
8.4.6　程序中斷設備接口的組成 ............... 268
8.5 DMA 方式 ...............................................270
8.5.1 DMA 方式的特點及比較 ................ 270
8.5.2 DMA 方式的訪存控制方式 ............ 272
8.5.3 DMA 接口的功能和組成 ................ 274
8.5.4 DMA 的工作過程 ............................ 276
8.5.5 DMA 接口的連接方式及類型 ........ 278
8.6　通道控制方式和外圍處理機方式 .............280
8.6.1　通道的基本概念 ............................... 281
8.6.2　通道的類型 ....................................... 284
8.6.3　通道的工作過程 ............................... 287
參考文獻...................................................292