計算機組成原理及應用（簡體書）

本書在參考和借鑒國內外相關優秀教材的基礎上，結合主流微型計算機技術的發展趨勢，系統地介紹計算機各功能子系統的邏輯組成結構和工作原理，主要內容包括計算機系統引論、計算機中數據信息的表示和運算、存儲系統、指令系統、中央處理單元、總線、輸入/輸出系統。本書在內容的組織上力求概念清楚準確、語言通俗易懂、實例深入淺出。本書通過具體的實例以及大量典型的思考題和習題來加深讀者對理論知識的理解，並給出了部分思考題和習題的參考答案，可供讀者檢驗學習效果。

丁男，1978年生，博士。大連理工大學計算機科學與技術學院副教授、博士研究生導師，大連理工大學信息技術實驗中心副主任，紐約大學計算機學院多媒體與網絡技術實驗室訪問學者。擔任國家自然科學基金項目評審專家、中國計算機學會嵌入式系統專委會委員、中國計算機學會CCF YOCSEF 大連分會委員。主要研究方向：物聯網、智能嵌入式系統、邊緣計算等。發表SCI/EI論文40餘篇。近五年主持國家自然基金面上項目2項，參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金聯合項目等多項。主編和參編多部高等學校計算機專業教材。多次獲得省部級自然科學著作成果獎。

本書依據教育部考試中心頒發的“全國計算機學科專業基礎綜合考試大綱”要求編寫

第1章 計算機系統引論 1
1.1 計算機概述 1
1.1.1 計算機發展歷程和發展趨勢 1
1.1.2 計算機的分類及應用領域 3
1.1.3 計算機的特點 6
1.2 計算機系統組成部分與層次結構 7
1.2.1 計算機系統的組成部分 8
1.2.2 計算機系統的層次結構 11
1.3 計算機的工作過程 13
1.4 計算機的主要性能指標 14
思考題和習題1 17
第2章 計算機中數據信息的表示和運算 21
2.1 數制與編碼 21
2.1.1 進位計數制及其轉換 21
2.1.2 數值數據的編碼與表示 24
2.1.3 非數值數據的編碼與表示 28
2.1.4 數據的寬度與存儲 32
2.1.5 數據校驗碼的編碼與譯碼 34
2.2 定點數的表示和運算 41
2.2.1 定點數的表示 41
2.2.2 定點數的運算 42
2.3 浮點數的表示和運算 53
2.3.1 浮點數的表示 53
2.3.2 浮點數的運算 57
2.4 運算部件的組成 59
2.4.1 定點數運算部件 60
2.4.2 浮點數運算部件 61
思考題和習題2 63

第3章 存儲系統 69
3.1 存儲系統概述 69
3.1.1 存儲器的性能指標 69
3.1.2 存儲器的分類 70
3.1.3 存儲系統的層次化結構 71
3.2 主存儲器 72
3.2.1 主存儲器概述 72
3.2.2 半導體隨機存取存儲器 73
3.2.3 半導體只讀存儲器和Flash存儲器 77
3.2.4 主存與CPU的連接及主存容量的擴展方式 78
3.2.5 Pentium計算機的主存系統組成 84
3.3 高速緩沖存儲器 85
3.3.1 Cache簡介 85
3.3.2 Cache的地址映像方式 88
3.3.3 Cache的讀/寫策略 95
3.3.4 Cache的替換算法 96
3.3.5 多層次Cache 97
3.4 存儲器性能的改進技術 98
3.4.1 分體存儲體系結構(哈佛體系結構) 98
3.4.2 雙端口存儲器 99
3.4.3 多模塊交叉存儲器 99
3.4.4 相聯存儲器 101
3.5 虛擬存儲系統 102
3.5.1 虛擬存儲器簡介 103
3.5.2 虛擬存儲器的管理方式與存儲保護 103
3.5.3 虛擬存儲器的工作過程 107
3.6 輔助存儲器 108
3.6.1 輔助存儲器簡介 109
3.6.2 磁表面存儲器 110
3.6.3 光盤存儲器 114
3.6.4 U盤和固態硬盤 115
思考題和習題3 116
第4章 指令系統 125
4.1 指令系統概述 125
4.1.1 指令與指令系統 125
4.1.2 指令系統的性能要求 126
4.2 指令格式 126
4.2.1 指令格式簡介 126
4.2.2 地址碼的格式 127
4.2.3 操作碼的格式 129
4.3 尋址方式 130
4.3.1 指令尋址方式 131
4.3.2 操作數尋址方式 131
4.4 指令的功能與類型 138
4.4.1 數據傳輸類指令 138
4.4.2 算術/邏輯運算類指令 138
4.4.3 程序控制類指令 139
4.4.4 輸入/輸出類指令 139
4.4.5 其他指令 139
4.5 指令格式示例 139
4.6 指令系統的發展 141
4.6.1 複雜指令集計算機 142
4.6.2 精簡指令集計算機 142
4.6.3 超長指令字和顯示並行指令代碼 144
思考題和習題4 144
第5章 中央處理單元 151
5.1 CPU的功能與結構 151
5.1.1 CPU的功能和性能指標 151
5.1.2 CPU的組成結構 152
5.1.3 時序系統和時序控制方式 155
5.2 指令的執行過程 156
5.2.1 指令執行簡介 157
5.2.2 指令具體執行過程 158
5.3 控制器的組成和實現方式 161
5.3.1 控制器概述 161
5.3.2 微程序控制器 162
5.3.3 硬連線控制器 171
5.4 指令流水線技術 173
5.4.1 並行性的基本概念 173
5.4.2 指令流水線簡介 174
5.4.3 流水線基本工作原理 175
5.4.4 流水線中的相關問題 176
5.4.5 流水線的性能分析 180
5.5 處理器中的新技術 182
5.5.1 超標量流水線技術 182
5.5.2 並行處理技術 182
5.5.3 雙核與多核技術 183
思考題和習題5 184
第6章 總線 193
6.1 總線簡介 193
6.1.1 概述 193
6.1.2 系統總線的結構 195
6.1.3 總線的性能指標 196
6.1.4 典型的總線標準 197
6.1.5 總線結構實例 201
6.2 總線的應用 202
6.2.1 總線的操作 202
6.2.2 總線的信息傳輸方式 203
6.2.3 總線的定時控制方式 204
6.3 總線仲裁 205
6.3.1 總線仲裁的意義 205
6.3.2 總線的仲裁方式 205
思考題和習題6 208
第7章 輸入/輸出系統 213
7.1 輸入/輸出系統簡介 213
7.2 外部設備 214
7.2.1 外部設備的作用、分類和特點 214
7.2.2 常用的輸入設備 216
7.2.3 常用的輸出設備 217
7.2.4 其他輸入/輸出設備 221
7.3 I/O接口 223
7.3.1 I/O接口的基本功能 223
7.3.2 I/O接口的分類與基本組成 224
7.3.3 I/O接口的編址方式 226
7.4 輸入/輸出信息傳輸控制方式 227
7.4.1 程序直接傳輸方式 227
7.4.2 程序中斷傳輸方式 227
7.4.3 直接存儲器訪問方式 234
7.4.4 I/O通道控制方式和外圍處理機方式 238
思考題和習題7 240
參考文獻 246