标题：计算机系统结构与组成
内容提要
“计算机系统结构”与“计算机系统组成”在概念上既有区别又有联系，是同一事物的不同层次，有时又是互相转化的。本书从教学改革的角度出发，将两门课程合并为一门课程“计算机系统结构与组成”，目的是避免内容上的重复，提高教学效率。本书力图做到软硬结合，给学生形成完整的计算机系统概念。
本书有机地将计算机系统结构与组成的内容融合起来，完全可以达到原“计算机系统结构”和“计算机系统组成”两门课程的基本要求。
本书可作为计算机科学与技术及其他信息类专业的本科教材或教学参考书，也可作为工程技术人员的计算机类参考书。
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“计算机系统结构”与“计算机系统组成”在概念上既有区别又有联系，是同一事物的不同层次，有时又是互相转化的。本书从教学改革的角度出发，将两门课程合并为一门课程“计算机系统结构与组成”，目的是避免内容上的重复，提高教学效率。本书力图做到软硬结合，给学生形成完整的计算机系统概念。
本书有机地将计算机系统结构与组成的内容融合起来，完全可以达到原“计算机系统结构”和“计算机系统组成”两门课程的基本要求。
本书可作为计算机科学与技术及其他信息类专业的本科教材或教学参考书，也可作为工程技术人员的计算机类参考书。
目录
第1章计算机系统结构与组成的基本概念
1.1计算机层次结构
1.2计算机系统结构和计算机的组成与实现
1.3计算机的性能评测和量化分析
1.4计算机的成本和价格
1.5计算机设计者的主要任务
1.6计算机系统的发展及应用
习题
第2章指令系统设计
2.1计算机中的数据表示
2.2计算机的指令格式
2.3计算机的寻址方式
2.4计算机指令集格式的设计
2.5计算机指令系统设计
2.6编译技术与计算机体系结构设计
习题
第3章CPU及其实现
3.1运算方法与运算器
3.2控制器及其实现
3.3CPU的结构和功能
计算机求解问题是通过执行程序来实现的。程序是由指令构成的序列， 
CPU具有以下4个方面的基本功能：2. 操作控制1. 指令顺序控制这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规
英特尔早期经典CPU(16张)定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。
执行程序就是按指令序列逐条执行指令。一旦把程序装入主存储器（简称主存）中，就可以由CPU自动地完成从主存取指令和执行指令的任务。
能往往是由计算机中的部件执行一序列的操作来实现的。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。　3. 时间控制时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能有条不紊地工作。　4. 数据加工即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。
CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。
指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。　提取第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令（为数值或一系列数值）。由程序计数器（Program Counter）指定存储器的位置。(程序计数器保存供识别程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在程序里的踪迹。)
提取指令之后，程序计数器根据指令长度增加存储器单元。指令的提取必须常常从相对较慢的存储器寻找，因此导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构。　解码CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值（即立即值），或是一个空间的定址值：暂存器或存储器位址，以定址模式决定。在旧的设计中，CPU里的指令解码部分是无法改变的硬件设备。不过在众多抽象且复杂的CPU和指令集架构中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写，方便变更解码指令。　执行在提取和解码阶段之后，紧接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。
例如，要求一个加法运算，算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。ALU内含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算（比如加法和位元运算）。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里可能会设置运算溢出（Arithmetic Overflow）标志。　写回最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体中。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果。这些一般称作“跳转”（Jumps），并在程式中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函式。许多指令会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可藉由随后跳转指令来决定程式动向。在执行指令并写回结果之后，程序计数器值会递增，反覆整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令位址，且程序继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC管线”，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及（常称为微控制（Microcontrollers））。
3.4流水线处理器
3.5向量处理机
习题
第4章存储系统
4.1存储系统概述
4.2高速缓存Cache
4.3主存储器技术
4.4虚拟存储器技术以及存储保护
4.5存储层次结构的设计
习题
第5章向量处理机
5.1向量数据表示方式
5.2向量处理机的结构
5.3向量处理方式
5.4向量处理机实例
5.5向量处理机的性能评价
5.6向量处理机的发展
习题
第6章互联网络
6.1互联网络的基本概念
6.2互联网络的种类
6.3消息传递机制
习题
第7章并行处理机
7.1并行处理机的概念
7.2并行处理机的基本结构
7.3并行处理机实例
7.4并行处理机算法举例
习题
第8章多处理机
8.1多处理机结构
8.2多处理机系统的特点
8.3多处理机的Cache一致性
8.4大规模并行处理机（MPP）
8.5对称多处理机（SMP）
8.6机群系统（Cluster）
习题
第9章输入/输出系统及总线
第10章外围设备
第11章计算机系统结构的发展
参考文献
计算机系统层次结构概述
计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层（如图所示）。  第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。 　
第一级是微程序级。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件直接执行的。 　
第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。 　第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。 　
第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。 　
第五级是高级语言级，这集的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。 　第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。 　
把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。