《计算机组成原理与设计》介绍了单处理器计算机系统结构和工作原理,以及基本设计方法。第1章主要介绍计算机系统结构的概况。第2章主要介绍计算机中的重要运算部件——运算器的组成原理和基本设计方法。第3章主要介绍层次结构的存储器的组成、设计原理和方法。第4章**介绍计算机指令系统。第5章详细介绍处理器的工作原理和基本设计方法。第6章总线与输入输出系统则主要介绍各种总线、总线与系统的连接和通信方法、各种外设、以及外设接口与系统的信息交换方式。

计算机是20世纪人类*伟大的发明之一,从**台计算机于1946年诞生以来,计算 机的应用已经渗透到社会生活的各个领域,成为人类工作和生活不可缺少的朋友和助手。计算机已由*初的计算工具,逐步成为适用于多种领域的信息处理设备,有力地推动着整个社会信息化水平的提高。
1.1概述
计算机的世界是一个生机勃勃的信息世界,这个充满创新活力不同寻常的产业正在以惊人的速度发展。自20世纪40年代末出现电子计算机以来,这个产业的创新速度已经超越了任何其他的领域。自农业革命和工业革命以后,计算机带来了人类的第三次革命,即信息革命,大大增强了人类智慧的力量,对我们的日常生活产生了深远的影响,同时改变了我们探索新知识的方法。
1.1.1计算机的应用
1.科学计算
在科学技术及工程设计应用中,所遇到的各种数学问题的计算,统称为科学计算。计算机的应用,*早就是从这一领域开展的。电子计算机在科学计算和工程设计中大有作为,它不仅能减少复杂的计算工作量,而且解决了过去无法解决的或者不能及时解决的问题。
例如,人造卫星和洲际导弹发射后,正确制导人轨计算;高能物理中热核反应控制条件及能量计算;天文测量和天气预报的计算;等等。现代工程中,电站、桥梁、水坝、隧道等的*佳设计方案的选择,往往需要详细计算几十个甚至几百个方案,借助电子计算机可以节省大量的时间、人力的物力。
《组成原理与设计》是大学计算机专业的一门核心专业基础课程,该课程在教学上具有知识面广、内容多、难度大、知识更新速度快的特点。本书是作者根据多年从事“计算机组成原理”课程的理论教学和实践教学经验编写而成的,以理论知识的掌握和实践能力的训练为目标,并考虑了本课程教学中的难点和要点,融人其发展新趋势。本书内容全面,概念清晰,具有合理的知识结构体系。除此之外,还特别注重实践与理论的结合,每一章节都有与之相关的实例和分析,对实际能力的培养将有所帮助。
《组成原理与设计》介绍了单处理器计算机系统的组成结构和工作原理以及初步设计基础。第1章主要介绍计算机系统结构的概况,从计算机的应用、分类,到计算机系统的结构组成,再到计算机未来可能的发展趋势等,都做了清晰的描述,然后用一个微型机的实例使读者对计 算机的认知更加具体化。第2章主要介绍计算机中的重要运算部件——运算器的组成原理和基本设计方法,详细叙述各种信息在计算机中的表达方式、运算方法,基本运算器的组织和设计原理,IA-32架构下的浮点运算部件,Inter SSE2的浮点体系结构。第3章主要介绍层次结构存储器的组成、设计原理和方法,详细描述存储器的各种分类和主存的性能指标,存储子系统的层次结构,介绍主存储器的组织与设计方法,高速缓存Cache和虚拟存储器的原理,另用一个实例介绍了Pentium P4和AMI) Opteron存储器的层次结构。第4章**介绍计算机指令系统中的指令分类、指令格式、寻址方式,以及RISC和CISC的概念和区别。也用一个实例介绍Inter X86指令系统和ARM指令系统。第5章详细介绍处理器的工作原理和基本设计方法。主要介绍计算机处理器的功能、组成和时序控制方 法以及控制器设计的各种方法,以几种典型的处理器作为实例介绍各种不同CPU的结构。第6章总线与输入输出系统主要介绍各种总线,以及总线与系统的连接和通信方法,各种外设以及外设接口与系统的信息交换方式,*后介绍一个典型外设——数码相机。
《组成原理与设计》每章节末都安排了适量的习题,读者可以通过各章的习题对已完成的内容做一个测试,以巩固和强化学习效果。
《组成原理与设计》前三章由魏媛媛编写,第4、5、6章由高晓清编写。魏长华教授担任主审,给予了《组成原理与设计》热情的关心和指导,提出了许多宝贵的建议。责任编审杨华对《组成原理与设计》的编写给予了热情的指导和帮助。《组成原理与设计》在编写过程中还得到了武汉科技学院计算机科学学院领导和老师们的关心和支持,谨向他们表示诚挚的感谢。
现代计算机技术的发展速度异常迅猛,高等院校计算机科学与技术的教学面临着越来越大的挑战,本书力图在教师知识传授和学生能力提高方面做出努力,对书中的错误和不足,恳切希望广大读者批评指正。

第1章 计算机系统结构概述
1.1 概述
1.1.1 计算机的应用
1.1.2 计算机的类型、特征和性能指标
1.2 计算机系统的组成
1.2.1 计算机系统的硬件组成
1.2.2 计算机系统的软件组成
1.3 计算机的层次结构
1.3.1 计算机系统的层次结构
1.3.2 硬软件在逻辑上的等价性
1.4 未来计算机的发展趋势
1.4.1 计算机的发展概况
1.4.2 计算机发展总趋势
1.5 实例:打开计算机机箱
1.5.1 剖析鼠标
1.5.2 观察显示器
1.5.3 打开机箱
本章小结
习题1
第2章 运算器原理与设计
2.1 信息在计算机中的表示
2.1.1 数的表示
2.1.2 非数值数据的表示方法
2.1.3 数据校验码
2.2 算术逻辑运算基础
2.2.1 定点书的加减法
2.2.2 定点乘法运算
2.2.3 定点除法运算
2.2.4 浮点数的四则运算
2.2.5 逻辑运算
2.3 ALU原理、组织和设计
2.3.1 运算器的基本结构
2.3.2 加法器及其进位系统
2.3.3 集成电路构成ALU
2.3.4 运算器ALU设计
2.4 实例:IA-32中的浮点部件
2.4.1 IA-32的浮点系统结构
2.4.2 Intel SSE2浮点体系结构
本章小结
习题2
第3章 层次结构的存储器组织和设计
3.1 概述
3.1.1 存储系统的层次结构
3.1.2 存储器分类
3.1.3 主存储器的性能指标
3.2 半导体存储器和存储芯片
3.2.1 SRAM存储元和芯片
3.2.2 动态MOS存储元和芯片
3.2.3 只读存储器芯片
3.3 主存储器系统设计
3.3.1 高性能存储器
3.3.2 主存系统组织设计
3.4 层次结构的存储系统组织
3.4.1 高速缓存Cache
3.4.2 虚拟存储器
3.5 实例:Intel Pentium P4和AMD Opteron的存储器层次结构
3.5.1 Intel Pentium P4和AMD Opteron的层次结构存储器
3.5.2 减少缺失损失的技术
本章小结
习题3
第4章 指令系统
4.1 指令功能和类型
4.1.1 概述
4.1.2 数据传送类指令
4.1.3 输入/输出指令
4.1.4 算术运算类指令
4.1.5 逻辑运算类指令
4.1.6 程序转移控制类指令
4.1.7 处理机控制类指令
4.1.8 其他指令
4.2 指令格式
4.2.1 指令字长
4.2.2 操作码
4.2.3 地址码
4.3 寻址方式
4.3.1 指令的寻址方式
4.3.2 操作数寻址方式
4.4 RISC与CISC指令系统
4.4.1 CISC的特点
4.4.2 RISC结构采用的基本技术
4.4.3 经典CISC和纯RISC体系结构的比较
4.5 实例:Intel x86指令系统
4.5.1 Intel x86指令系统特点
4.5.2 Intel x86指令系统简介
本章小结
习题4
第5章 **处理器原理与设计
5.1 处理器工作原理
5.1.1 处理器的功能
5.1.2 处理器组成
5.1.3 指令周期
5.1.4 时序产生器
5.1.5 时序控制方式
5.1.6 利用流水线提高处理器性能
5.2 控制器设计方法
5.2.1 硬布线逻辑控制器设计
5.2.2 微程序控制器设计
5.2.3 可编程逻辑设计
5.3 实例:典型的处理器
5.3.1 INTEL8086/80286/80386/80486处理器
5.3.2 INTEL Pentium系列处理器
5.3.3 ARM处理器
本章小结
习题5
第6章 总线与输入/输出系统
参考文献

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