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计算机组成原理与系统结构(第3版)


作者:
冯建文 章复嘉 赵建勇 包健 编著
定价:
72.00 元
版面字数:
850千字
开本:
16开
装帧形式:
平装
版次:
3
最新版次
印刷时间:
2025年
ISBN:
978-7-04-060615-7
物料号:
60615-00
出版时间:
2024-01-22
读者对象:
高等教育
一级分类:
计算机/教育技术类
二级分类:
计算机类专业核心课程
三级分类:
计算机组织与体系结构

本书从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发,较为详细、系统地论述了计算机单机系统的基本组成、工作原理和设计方法;并从提高计算机性能的角度做了进一步分析和探讨。全书共分10章,主要内容包括计算机组成原理概论、总线、信息编码与数据表示、运算方法与运算器、存储系统、指令系统、控制器、RISC-V与ARM模型机设计实例、输入输出系统、流水线与并行处理技术。

本书配有相应的FPGA实验系统、Yy-z02计算机组成原理实验系统及其实验软件,使理论教学与实践环节相结合,提高学生的学习兴趣及动手能力。

本书可作为高等学校计算机相关专业本科“计算机组成原理”课程的教材,也可供从事计算机专业的科技人员、计算机爱好者及各类自学人员参考。

  • 目录
    • 前辅文
      • 第1章 计算机组成原理概论
        • 1.1 计算机的产生与发展
          • 1.1.1 计算机的产生
            • 1.1.2 计算机的发展
              • 1.1.3 微型计算机的发展
                • 1.1.4 中国计算机的发展
                • 1.2 计算机的分类和应用
                  • 1.2.1 计算机的分类
                    • 1.2.2 计算机的应用
                    • 1.3 计算机系统的组成和层次结构
                      • 1.3.1 计算机硬件、软件及其关系
                        • 1.3.2 计算机硬件系统
                          • 1.3.3 计算机软件系统与计算机语言
                            • 1.3.4 计算机系统的层次结构
                            • 1.4 计算机的性能指标
                              • 本章小结
                                • 习题
                                • 第2章 总线
                                  • 2.1 总线的基本概念
                                    • 2.1.1 总线的特性
                                      • 2.1.2 总线的分类
                                        • 2.1.3 总线的性能指标
                                        • 2.2 总线系统结构
                                          • 2.2.1 单总线结构
                                            • 2.2.2 多总线结构
                                            • 2.3 总线标准
                                              • 2.3.1 总线标准与接口标准
                                                • 2.3.2 常用的总线与接口标准
                                                • 2.4 总线控制
                                                  • 2.4.1 总线仲裁
                                                    • 2.4.2 总线定时
                                                    • 本章小结
                                                      • 习题
                                                      • 第3章 信息编码与数据表示
                                                        • 3.1 数制
                                                          • 3.1.1 进位记数制
                                                            • 3.1.2 数制转换
                                                              • 3.1.3 十进制数的编码
                                                              • 3.2 数值数据的格式
                                                                • 3.2.1 无符号数和有符号数
                                                                  • 3.2.2 定点和浮点表示
                                                                  • 3.3 定点机器数表示方法
                                                                    • 3.3.1 原码表示法
                                                                      • 3.3.2 补码表示法
                                                                        • 3.3.3 反码表示法
                                                                          • 3.3.4 移码表示法
                                                                          • 3.4 浮点机器数表示方法
                                                                            • 3.4.1 浮点数的格式
                                                                              • 3.4.2 浮点数的规格化表示
                                                                                • 3.4.3 浮点数的表示范围
                                                                                  • 3.4.4 IEEE 754浮点数标准
                                                                                  • 3.5 非数值数据的表示
                                                                                    • 3.5.1 字符编码
                                                                                      • 3.5.2 汉字编码
                                                                                      • 3.6 校验码
                                                                                        • 3.6.1 校验码概述
                                                                                          • 3.6.2 奇偶校验码
                                                                                            • 3.6.3 海明校验码
                                                                                            • 3.7 现代计算机系统的数据类型
                                                                                              • 3.7.1 CPU硬件支持的数据类型
                                                                                                • 3.7.2 高级语言支持的数据类型
                                                                                                • 本章小结
                                                                                                  • 习题
                                                                                                  • 第4章 运算方法与运算器
                                                                                                    • 4.1 计算机中的运算操作
                                                                                                      • 4.1.1 从高级语言到机器语言的运算
                                                                                                        • 4.1.2 移位运算
                                                                                                        • 4.2 定点数的加减运算
                                                                                                          • 4.2.1 补码加减运算及运算器
                                                                                                            • 4.2.2 移码加减运算与判溢
                                                                                                              • 4.2.3 十进制加法运算
                                                                                                              • 4.3 定点数的乘法运算
                                                                                                                • 4.3.1 乘除法实现方法概述
                                                                                                                  • 4.3.2 原码串行乘法器
                                                                                                                    • 4.3.3 补码串行乘法器
                                                                                                                      • 4.3.4 阵列乘法器
                                                                                                                      • 4.4 定点数的除法运算
                                                                                                                        • 4.4.1 原码串行除法器
                                                                                                                          • 4.4.2 阵列除法器
                                                                                                                          • 4.5 定点运算器的组成与结构
                                                                                                                            • 4.5.1 定点运算器的组成
                                                                                                                              • 4.5.2 运算器结构与数据通路
                                                                                                                                • 4.5.3 多端口寄存器堆
                                                                                                                                  • 4.5.4 标志寄存器
                                                                                                                                  • 4.6 浮点运算及运算器
                                                                                                                                    • 4.6.1 浮点加减运算
                                                                                                                                      • 4.6.2 浮点乘法运算
                                                                                                                                        • 4.6.3 浮点除法运算
                                                                                                                                          • 4.6.4 浮点运算器结构
                                                                                                                                          • 4.7 现代计算机的运算器
                                                                                                                                            • 4.7.1 超级计算机及微处理器中的运算器
                                                                                                                                              • 4.7.2 Intel 80387浮点运算器
                                                                                                                                                • 4.7.3 运算操作的流水线
                                                                                                                                                • 本章小结
                                                                                                                                                  • 习题
                                                                                                                                                  • 第5章 存储系统
                                                                                                                                                    • 5.1 存储系统概述
                                                                                                                                                      • 5.1.1 基本概念和存储器分类
                                                                                                                                                        • 5.1.2 存储器的性能指标
                                                                                                                                                          • 5.1.3 存储器的层次结构
                                                                                                                                                          • 5.2 主存储器
                                                                                                                                                            • 5.2.1 主存储器工作原理
                                                                                                                                                              • 5.2.2 SRAM
                                                                                                                                                                • 5.2.3 DRAM
                                                                                                                                                                  • 5.2.4 SDRAM
                                                                                                                                                                    • 5.2.5 ROM
                                                                                                                                                                      • 5.2.6 主存中的数据存储方式
                                                                                                                                                                      • 5.3 主存储器与CPU的连接
                                                                                                                                                                        • 5.3.1 存储器芯片介绍
                                                                                                                                                                          • 5.3.2 存储容量的扩展
                                                                                                                                                                            • 5.3.3 主存储器与CPU的连接
                                                                                                                                                                              • 5.3.4 内存条和内存插槽
                                                                                                                                                                              • 5.4 高速存储器
                                                                                                                                                                                • 5.4.1 弥补速度差异的策略
                                                                                                                                                                                  • 5.4.2 双端口存储器
                                                                                                                                                                                    • 5.4.3 多体交叉存储器
                                                                                                                                                                                      • 5.4.4 相联存储器
                                                                                                                                                                                      • 5.5 高速缓冲存储器(Cache)
                                                                                                                                                                                        • 5.5.1 Cache的基本原理
                                                                                                                                                                                          • 5.5.2 主存与Cache的地址映射方式
                                                                                                                                                                                            • 5.5.3 替换算法
                                                                                                                                                                                              • 5.5.4 写策略
                                                                                                                                                                                                • 5.5.5 Cache设计
                                                                                                                                                                                                • 5.6 虚拟存储器
                                                                                                                                                                                                  • 5.6.1 基本概念
                                                                                                                                                                                                    • 5.6.2 页式虚拟存储器
                                                                                                                                                                                                      • 5.6.3 段式和段页式虚拟存储器
                                                                                                                                                                                                        • 5.6.4 存储保护
                                                                                                                                                                                                        • 5.7 Cache设计实例
                                                                                                                                                                                                          • 5.7.1 P6微架构下的Cache
                                                                                                                                                                                                            • 5.7.2 Intel NetBurst微架构下的Cache
                                                                                                                                                                                                              • 5.7.3 Intel Haswell微架构下的Cache设计
                                                                                                                                                                                                              • 5.8 磁盘存储器
                                                                                                                                                                                                                • 5.8.1 硬盘存储器
                                                                                                                                                                                                                  • 5.8.2 独立磁盘冗余阵列(RAID)
                                                                                                                                                                                                                  • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                    • 习题
                                                                                                                                                                                                                    • 第6章 指令系统
                                                                                                                                                                                                                      • 6.1 指令系统概述
                                                                                                                                                                                                                        • 6.1.1 机器指令与指令系统
                                                                                                                                                                                                                          • 6.1.2 指令信息
                                                                                                                                                                                                                            • 6.1.3 指令集体系结构
                                                                                                                                                                                                                            • 6.2 指令格式
                                                                                                                                                                                                                              • 6.2.1 指令格式与字长
                                                                                                                                                                                                                                • 6.2.2 地址码
                                                                                                                                                                                                                                  • 6.2.3 操作数类型
                                                                                                                                                                                                                                    • 6.2.4 指令操作码及扩展技术
                                                                                                                                                                                                                                    • 6.3 寻址方式
                                                                                                                                                                                                                                      • 6.3.1 指令寻址
                                                                                                                                                                                                                                        • 6.3.2 数据寻址
                                                                                                                                                                                                                                        • 6.4 指令系统的设计
                                                                                                                                                                                                                                          • 6.4.1 指令系统的设计要求
                                                                                                                                                                                                                                            • 6.4.2 指令类型
                                                                                                                                                                                                                                              • 6.4.3 指令系统的发展历程
                                                                                                                                                                                                                                                • 6.4.4 CISC与RISC特点
                                                                                                                                                                                                                                                • 6.5 指令系统举例
                                                                                                                                                                                                                                                  • 6.5.1 x86指令系统
                                                                                                                                                                                                                                                    • 6.5.2 Yy-z02模型机指令系统
                                                                                                                                                                                                                                                    • 6.6 RISC-V指令系统
                                                                                                                                                                                                                                                      • 6.6.1 RISC-V指令集概述
                                                                                                                                                                                                                                                        • 6.6.2 RV32I通用寄存器堆
                                                                                                                                                                                                                                                          • 6.6.3 RV32I指令格式
                                                                                                                                                                                                                                                            • 6.6.4 RV32I指令类型与指令编码
                                                                                                                                                                                                                                                              • 6.6.5 RV32I寻址方式
                                                                                                                                                                                                                                                              • 6.7 ARM指令系统
                                                                                                                                                                                                                                                                • 6.7.1 指令集简介
                                                                                                                                                                                                                                                                  • 6.7.2 ARMv7寄存器使用约定
                                                                                                                                                                                                                                                                    • 6.7.3 ARMv7寻址方式
                                                                                                                                                                                                                                                                      • 6.7.4 ARM模型机目标指令集
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 6.7.5 ARMv8-A架构简介
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                          • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                          • 第7章 控制器
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.1 控制器概述
                                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.1.1 计算机硬件组成与CPU基本功能
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.1.2 控制器的功能与组成
                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.1.3 时序系统及其控制
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.1.4 单周期、多周期与流水线实现
                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.1.5 控制器的设计步骤
                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.2 Yy-z02模型机的系统结构与数据通路
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.2.1 Yy-z02模型机的系统结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 7.2.2 Yy-z02模型机的数据通路
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.2.3 Yy-z02模型机的指令执行过程
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.3 硬布线控制器
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.3.1 硬布线控制器的结构与原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.3.2 Yy-z02模型机的硬布线控制器设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.4 微程序控制器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.4.1 微程序控制的基本概念
                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.4.2 微程序控制器的组成与结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.4.3 微程序控制器的设计方法
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.4.4 微程序设计技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 7.4.5 微程序控制器与硬布线控制器的比较
                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 第8章 RISC-V与ARM模型机设计实例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.1 RISC-V模型机的设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.1.1 RISC-V模型机的目标指令集
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.1.2 RISC-V模型机的部件设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.1.3 运算及传送指令的数据通路设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.1.4 访存指令的数据通路设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.1.5 转移类指令的数据通路设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.1.6 RISC-V模型机控制单元的设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.2 ARM模型机的设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.2.1 取指令数据通路设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.2.2 数据处理指令的数据通路设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.2.3 状态寄存器访问指令的数据通路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.2.4 分支跳转指令的数据通路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.2.5 单数据访存指令的数据通路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.2.6 块数据访存指令的数据通路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.2.7 ARM模型机控制单元的设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 第9章 输入输出系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.1 概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.1.1 输入输出系统的构成
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.1.2 外设与CPU的连接
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.2 输入输出接口
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.2.1 I/O接口的功能
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.2.2 I/O接口的组成
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.3 主机与外设交换信息的方式
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.4 中断系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.4.1 中断的基本概念
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.4.2 中断请求与判优
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.4.3 中断响应
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.4.4 中断服务与返回
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.4.5 中断举例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.5 DMA
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.5.1 DMA基本原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.5.2 DMA举例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 第10章 流水线与并行处理技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.1 流水线原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.1.1 流水线基本概念
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.1.2 流水线分类
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.1.3 流水线性能分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.2 RISC-V模型机的流水线设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.3 流水线相关及处理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.3.1 结构相关
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.3.2 数据相关
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.3.3 控制相关
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.3.4 流水线的中断与处理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.4 流水线的调度方法
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.4.1 静态编译器调度
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.4.2 流水线的动态调度技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.5 高级指令流水线技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.5.1 超标量流水线技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.5.2 超流水线技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.5.3 超长指令字技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.5.4 向量流水技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.5.5 多线程和超线程技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.6 并行处理技术
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.6.1 并行处理技术的基本概念
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.6.2 SIMD阵列处理机
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.6.3 多处理机系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.6.4 多核处理器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.7 现代处理器的系统结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.7.1 鲲鹏920处理器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.7.2 昇腾AI处理器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.7.3 Intel Core i7处理器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.7.4 玄铁910处理器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 附录A 计算机硬件基础
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • A.1 半导体器件的开关特性
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • A.1.1 二极管的开关特性
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • A.1.2 三极管的开关特性
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.1.3 MOS管的开关特性
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.2 基本逻辑运算和基本门电路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • A.2.1 逻辑变量和逻辑表达式
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • A.2.2 逻辑门
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • A.2.3 逻辑代数的基本定律
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • A.2.4 逻辑函数的化简
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • A.3 组合逻辑电路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • A.3.1 加法器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • A.3.2 算术逻辑部件(ALU)
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • A.3.3 译码器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.3.4 数据选择器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.4 时序逻辑电路
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • A.4.1 触发器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • A.4.2 寄存器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • A.4.3 移位寄存器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • A.4.4 计数器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • A.5 计算机芯片的制造过程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • A.5.1 制造芯片的准备阶段
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • A.5.2 光刻蚀
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • A.5.3 掺杂
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.5.4 测试、切割和封装
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 附录B Yy-z02实验系统的微程序设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • B.1 Yy-z02实验系统的微程序控制器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • B.1.1 微程序控制器结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • B.1.2 指令译码及后继微地址修改逻辑
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                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 参考文献
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        课程网址: null

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        相关图书