計算機組成原理

第1章 計算機系統的基本概念 1
1.1　引言 1
1.1.1 計算機的發展史 2
1.1.2 計算機系統的組成和特點 4
1.2 計算機的應用分類 7
1.2.1 摩爾定律與計算機行業應用 7
1.2.2 實體計算機分類 8
1.2.3 計算機的典型應用場景 10
1.3 計算機的性能指標 12
1.3.1 與空間相關的指標 13
1.3.2 與時間相關的指標 14
習題1 15
第2章 計算機系統的工作原理 17
2.1 從高級語言到機器語言 17
2.1.1 計算機系統的層次結構 18
2.1.2 程序如何在計算機中運行 19
2.2 馮·諾依曼體系結構與現代計算機組成 20
2.2.1 馮·諾依曼體系結構的基本組成和特點 20
2.2.2 哈佛體系結構 24
2.3 計算機的工作過程 25
2.3.1 一間特別的工廠 25
2.3.2 計算機“工廠” 27
2.3.3 典型指令的執行過程 30
習題2 31
第3章 數制及邏輯設計基礎 34
3.1 數字系統 34
3.1.1 按位計數系統 34
3.1.2 二進制系統 35
3.1.3 二進制數和十進制數之間的轉換 36
3.1.4 十六進制表示法 38
3.2 邏輯設計基礎 40
3.2.1 基本門電路 40
3.2.2 邏輯代數 42
3.2.3 觸發器 50
3.2.4 集成電路 57
3.3 課堂實踐一：DS-VLAB簡介 65
3.3.1 初次使用 66
3.3.2 繪制第一個電路 68
3.3.3 電路圖設置 70
3.3.4 電路圖的保存與加載 72
習題3 72
第4章 總線與I/O設備 74
4.1 總線的基本概念 74
4.1.1 總線的分類 75
4.1.2 總線的特性 77
4.1.3 總線的性能指標 78
4.2 總線結構和總線標準 79
4.2.1 總線結構 79
4.2.2 總線標準 82
4.3 課堂實踐二：總線時序仿真 86
4.3.1 實驗目的 86
4.3.2 實驗要求 86
4.3.3 實驗原理 87
4.3.4 實驗內容與步驟 89
4.3.5 實驗思考 90
4.4 I/O設備 90
4.4.1 I/O設備的發展簡況 90
4.4.2 常見的I/O設備 92
4.5 I/O接口與控制方式 94
4.5.1 I/O接口 94
4.5.2 程序查詢方式 95
4.5.3 中斷方式 98
4.5.4 DMA方式 102
4.5.5 通道方式 104
習題4 106
第5章 存儲器 108
5.1 存儲系統 108
5.1.1 常見的存儲器及其分類 108
5.1.2 存儲器的性能指標 111
5.1.3 存儲系統的層次結構 112
5.1.4 存儲系統的層次結構實戰案例——華為新一代高端混合閃存 114
5.2 主存儲器 115
5.2.1 主存的基本結構 115
5.2.2 主存中數據的存儲 116
5.2.3 CPU與主存的連接 120
5.2.4 存儲器的擴展 122
5.2.5 並行主存系統 126
5.3 輔助存儲器 129
5.3.1 常見的輔存及其分類 130
5.3.2 輔存的發展 137
5.4 高速緩沖存儲器 145
5.4.1 程序訪問的局部性 146
5.4.2 Cache的基本概念 148
5.4.3 地址映射 149
5.4.4 替換算法 154
5.4.5 寫入策略 155
5.5 課堂實踐三：存儲器仿真 156
5.5.1 實驗目的 156
5.5.2 實驗要求 157
5.5.3 實驗原理 157
5.5.4 實驗內容與步驟 159
5.5.5 實驗思考 162
習題5 162
第6章 中央處理器 167
6.1 計算機的運算 167
6.1.1 無符號數和有符號數 167
6.1.2 數的定點表示和浮點表示 171
6.1.3 定點運算 173
6.1.4 算術邏輯單元 179
6.2 課堂實踐四：運算器仿真 183
6.2.1 實驗目的 183
6.2.2 實驗要求 184
6.2.3 實驗原理 184
6.2.4 實驗內容與步驟 188
6.2.5 實驗思考 191
6.3 CPU的組成 192
6.3.1 CPU的結構框圖 192
6.3.2 CPU的寄存器 193
6.3.3 CPU的主要性能指標 194
6.3.4 國產CPU 195
6.4 課堂實踐五：累加器仿真 196
6.4.1 實驗目的 196
6.4.2 實驗要求 196
6.4.3 實驗原理 197
6.4.4 實驗內容與步驟 199
6.4.5 實驗思考 201
6.5 指令系統 201
6.5.1 指令格式 201
6.5.2 尋址方式 203
6.5.3 中斷處理機制 207
6.5.4 國內外指令系統發展 211
6.6 課堂實踐六：程序計數器仿真 212
6.6.1 實驗目的 212
6.6.2 實驗要求 213
6.6.3 實驗原理 213
6.6.4 實驗內容與步驟 215
6.6.5 實驗思考 218
6.7 流水線技術 218
6.7.1 指令流水線的工作原理 218
6.7.2 指令流水線的相關性問題 220
6.7.3 指令流水線的主要性能指標 224
6.8 課堂實踐七：指令控制流仿真 226
6.8.1 實驗目的 226
6.8.2 實驗要求 226
6.8.3 實驗原理 226
6.8.4 實驗內容與步驟 228
6.7.5 實驗思考 231
6.9 並行處理系統 231
6.9.1 並行處理系統概述 231
6.9.2 GPU架構 235
習題6 237
第7章 控制單元 242
7.1 指令周期 242
7.1.1 指令周期的概念 242
7.1.2 指令周期的數據流 244
7.2 控制單元的功能 247
7.2.1 控制器的組成 247
7.2.2 控制單元的外特性 248
7.2.3 控制器的硬件實現 249
7.2.4 時序控制與微命令 250
7.3 微程序控制器 253
7.3.1 微程序設計思想 253
7.3.2 微程序控制單元 255
7.3.3 微指令的設計 259
7.3.4 微程序的設計 262
7.4 課堂實踐八：微程序控制器仿真 265
7.4.1 實驗目的 265
7.4.2 實驗要求 265
7.4.3 實驗原理 265
7.4.4 實驗內容與步驟 268
7.4.5 實驗思考 269
習題7 269
第8章 簡單模型機設計 272
8.1 簡單模型機概述 272
8.1.1 實驗目的 272
8.2.2 實驗任務 273
8.2 實驗原理與簡單模型機總體設計 273
8.2.1 總體設計 273
8.2.2 指令系統設計 276
8.2.3 微指令與微程序設計 278
8.3 實驗內容與步驟 283
8.3.1 組建實驗電路 283
8.3.2 電路預設置 283
8.3.3 運行程序 283
8.4 實驗思考 286
習題8 286
第9章 簡單模型機編程 288
9.1 簡單模型機編程概述 288
9.1.1 實驗目的 288
9.1.2 實驗任務 288
9.2 實驗原理 289
9.2.1 指令系統 289
9.2.2 程序與數據 290
9.3 實驗內容與步驟 291
9.3.1 微程序流程圖設計 291
9.3.2 設置微命令 291
9.3.3 運行程序 293
9.4 實驗思考 295
習題9 296
第10章 指令集進階 297
10.1 指令集進階實驗概述 297
10.1.1 實驗目的 297
10.1.2 實驗任務 298
10.2 實驗設計思路分析 298
10.2.1 模型機指令集 298
10.2.2 匯編程序設計分析 299
10.2.3 模型機設計思路分析 300
10.3 實驗內容 300
10.3.1 模型機總體設計 300
10.3.2 機器指令格式 302
10.3.3 微指令格式設計 302
10.3.4 組建實驗電路 302
10.3.5 微程序流程圖設計 305
10.3.6 程序和微程序設計 306
10.3.7 運行程序 309
10.4 實驗思考 309
習題10 309