标题：计算机组成与体系结构（第2版）
图书信息
作者：王诚、宋佳兴 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
图书详细信息： ISBN：9787302260455 定价：33元 印次：2-1 装帧：平装 印刷日期：2011-6-24
图书简介
本书包括数字电路基础（先修部分）、计算机组成（主体部分）、计算机体系结构（提高部分）3个部分内容，共13章，重点讲解计算机系统的完整组成和提高性能的可行途径。作为教材，兼顾到计算机科学与技术专业中偏工程技术方向、偏软件方向的本科生，也可用于软件学院和计算机应用方向的学生。
图书前言
作为“21世纪大学本科计算机专业系列教材”，遵照本系列教材评审组专家的意见，本书包括了数字电路基础、计算机组成、计算机体系结构3个部分内容。本书读者对象主要是学习计算机课程的大学生，包括计算机系的学生、软件学院的学生和非计算机专业选修计算机课程的学生。可以根据不同的课程和教学要求，合理分配本教材中3部分内容的课时比例。全书共13章，其中第2章属于先修内容，约占教材总量的7%，若是学生课前未曾学习过数字电路与逻辑设计课程，还是应该用少量学时对教材第2章的内容进行适当讲解；第3～11章是课程的主体部分，约占教材总量的73%，主要是计算机组成方面的知识，重点围绕基本计算机硬件系统5个功能部件的功能和组成进行讲解分析；第12～13章是本课程的提高部分，约占教材总量的20%，主要是计算机体系结构方面的基础知识，重点介绍提高计算机系统性能的各种可行思路与基本途径。其中的指令流水线的浅显内容已经出现在计算机组成原理课程之中，但多数人还是愿意把较为具体深入的指令流水技术安排到计算机系统结构课程中讲授。针对把计算机组成和系统结构合并成一门课程的情形，教材第3～13章的内容都属于必学知识，建议教学学时安排为70～90学时。若只是用于计算机组成原理课程，计算机体系结构的内容另外开课，则只需讲解第3～11章中的知识，建议教学学时安排为60～70学时。教材主体部分的内容是按照基本通用原理、简明原理示例、典型产品现状这样3个层次来处理的。基本通用原理是基础，是学习与理解计算机组成与运行机制的核心知识。其特点是稳定性（不随时间变迁而改变）和通用性（不随具体机型而变化），是学生一定要掌握的部分。要把通用原理转化成真实的计算机系统，还有许多技术与工程、性能价格比的平衡关系等需要解决。在简明原理示例这个层次，强调运用学习到的基本原理知识，学懂或者设计实现一台硬软件基本完整、实现简单（易懂、价廉）、但不一定是最理想（不追求更完备的性能、更好的实用价值）的计算机系统的技术与过程，增加对所学知识的理解深度和应用能力，力求把学习知识和增长实践能力结合起来。在典型产品现状这个层次，将选择某些典型计算机系统中的实例，给出其设计实现的结果及其外特性，可以体现用到的基本原理，更强调让学生了解计算机当前的技术水平和发展现状。对三个层次的教学要求不尽相同，对优化学生的知识结构各自发挥不同的作用。在讲解计算机组成和功能时，把通常的文字叙述和语言VHDL描述结合起来，体现计算机的最新设计手段和实现技术，保证教学内容的先进性，并尽量在提高授课质量，降低实验、学习的难度方面做出新的探索。教材内容具体安排如下。第1章是全书内容的概述部分，简要介绍计算机组成和体系结构的基本概念，从实现功能的角度来讲解计算机硬件系统的基本组成；从功能和层次的观点来讲解计算机组成和体系结构各自需要研究和解决的问题，并简要说明了本课程的教学目标和对学习方法的建议。第2章简明讲解数字电路基础知识和几种常用的电路芯片，是为讲解计算机组成和体系结构作电子线路方面的准备，没有这些知识是很难学懂计算机硬件的组成和运行原理的。第3章的数据表示和运算和第4章的运算器部件共同构成本书核心内容的第1个知识单元。主要围绕计算机硬件系统中承担数据运算功能的部件进行讲解，在给出通用的基本原理知识的同时，还给出运算器部件的具体例子，展示运算器部件的设计过程和实现方法，提升学生的实践能力。前 言 计算机组成与体系结构（第2版）第5章的指令系统和第6章的控制器部件共同构成本书核心内容的第2个知识单元。主要围绕计算机硬件系统中承担指挥控制功能的硬连线方案的控制器部件进行讲解，而对微程序控制器只作适当介绍。在给出通用的基本原理知识的同时，还给出控制器部件的具体例子，展示控制器部件的设计过程和实现方法，提升学生的实践能力。第7章的主存、第8章的高速缓存和虚存以及第9章的辅助存储器设备共同构成本书核心内容的第3个知识单元。主要围绕计算机3级结构的存储器件系统和外存储器设备进行讲解，还给出了通过字、位扩展技术，用存储器芯片构建内存储器的具体例子。第10章的输入输出设备和第11章的输入输出系统共同构成本书核心内容的第4个知识单元。主要围绕承担计算机的输入输出功能的设备或者部件进行讲解，给出了用于连接计算机各个部件的总线构成的实际例子，具体介绍了串行接口的内部线路的组成和使用方法。第12章的流水线技术和第13章的并行计算机体系结构共同构成本书核心内容的第5个知识单元。对应计算机体系结构课程的主要知识，针对提高计算机系统的性能，更多地强调基本概念、提出问题的思路和解决问题的方案，基本上止步于定性说明。通过本教材，学生可以学到数字电路的基础知识，了解某些电路芯片的功能和用法，初步认识到某些逻辑功能是能够使用数字电路实现的；可以从层次的观点，掌握必要的基础知识，计算机组成和运行机制方面的知识，以及必要的专业知识基础，为下一步的学习和进一步提高实际工作能力做好准备；可以从系统的观点，了解计算机体系结构领域的基本知识，理解提高计算机的部件和整机硬件性能的各种可行途径，理解计算机系统中硬件、软件的功能划分和相互配合关系，能站在更高的层次上思考与解决学习、工作中遇到的问题。为方便教学，本教材配有PowerPoint电子教案。除此之外，还有硬件实现的教学计算机设备，这个设备就是选用本教材第1～4个知识单元的实际例子组合而成的，确保课堂授课内容和教学实验项目能够完美结合。还有内容详尽的教学实验指导书和通过软件模拟实现的相同功能的模拟系统。良好的教学实践环境和实验条件，能够有效地加深对课堂教学内容的理解，并使得学生在一定程度上获得开展研究工作和计算机硬件系统设计的实际经验，全面提高解决实际问题和创新思维的能力。本书的第1～6章由王诚教授修订，第7～13章由宋佳兴副教授修订，作者有多年从事本专业教学和科研工作的经历。由于时间和作者水平所限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。作 者2011年4月于清华大学计算机科学与技术系
图书目录
第1章 计算机系统概述11.1 计算机系统的基本组成及其层次结构11.2 计算机硬件的5个功能部件及其功能41.3 计算机系统主要的技术与性能指标71.4 计算机的体系结构、组成和实现概述91.5 计算机发展进步、分类和拓展应用的进程10本章内容小结和学习方法建议13习题与思考题14第2章 数字电路基础和常用器件152.1 数字电路的基本元件152.1.1 晶体二极管与三极管152.1.2 应用案例162.2 数字电路基础及其相关处理方法182.2.1 3种基本逻辑关系182.2.2 逻辑函数及其描述方法212.2.3 逻辑函数的特性、规则与应用222.3 组合逻辑电路及时序逻辑电路232.3.1 常用逻辑门器件232.3.2 时序逻辑电路262.3.3 存储器芯片简介302.3.4 几个专用功能器件和存储器芯片的引脚图302.4 现场可编程逻辑器件及其应用312.4.1 现场可编程器件概述312.4.2 CPLD和FPGA的编程与应用34本章内容小结和学习方法建议35习题与思考题35第3章 数据表示、运算算法和线路实现373.1 数字化信息编码的概念和二进制编码知识373.1.1 数字化信息编码的概念373.1.2 二进制编码和码制转换383.1.3 检错纠错码443.2 数据表示483.2.1 逻辑类型数据的表示483.2.2 字符类型数据的表示483.2.3 多媒体信息编码513.2.4 数值类型数据的表示533.3 二进制数值数据的编码方案与运算算法583.3.1 原码、反码、补码的定义583.3.2 补码加、减运算规则和电路实现623.3.3 原码一位乘法、除法的实现方案643.3.4 实现乘法、除法的其他方案69本章内容小结和学习方法建议74习题与思考题75目 录 计算机组成与体系结构（第2版）第4章 运算器部件774.1 算术逻辑运算单元的功能设计与线路实现774.2 定点运算器794.2.1 定点运算器部件的功能、组成与控制概述794.2.2 运算器芯片Am2901实例与使用804.2.3 MIPS多指令周期CPU系统的运算器的组成及其功能844.2.4 简化TEC-2000计算机的运算器部件的功能、组成与设计854.3 浮点运算和浮点运算器914.3.1 浮点数的运算规则914.3.2 浮点运算器举例95本章内容小结和学习方法建议97习题与思考题98第5章 指令系统和汇编语言程序设计1015.1 指令格式和指令系统概述1015.1.1 指令的定义和指令格式1015.1.2 操作码的组织与编码1025.1.3 操作数的指定与使用1035.1.4 指令的分类1045.1.5 指令周期及其对计算机性能和硬件结构的影响1055.2 基本寻址方式概述1075.3 指令系统举例1095.3.1 Pentium II计算机的指令系统1105.3.2 MIPS32计算机的指令系统1125.3.3 PDP-11计算机的指令系统1135.3.4 TEC-2000 计算机的指令系统1155.4 TEC-2000计算机的汇编语言程序设计1185.4.1 汇编语言及其程序设计中的有关概念1185.4.2 教学计算机的汇编程序设计举例120本章内容小结和学习方法建议125习题与思考题126第6章 控制器1286.1 控制器的功能与组成概述1286.2 硬连线控制器1296.2.1 硬连线控制器的组成和运行原理简介1306.2.2 MIPS32计算机的控制器简介1316.2.3 TEC-2000和TH-FPGA计算机控制器概述1366.2.4 简化TEC-2000的CPU系统的设计1466.3 微程序控制器部件1576.3.1 微程序控制器的基本组成和运行原理1576.3.2 微程序设计中的下地址形成逻辑和微程序设计160本章内容小结和学习方法建议163习题与思考题164第7章 多级结构存储器系统和主存储器1687.1 存储器系统概述1687.1.1 存储器分类1687.1.2 存储器系统目标1697.1.3 多级结构存储器系统1717.2 主存储器1727.2.1 主存储器概述1727.2.2 动态存储器的存储原理1747.2.3 静态存储器的存储原理1757.2.4 存储器容量扩展1767.3 教学计算机的主存储器实例1787.4 提高主存储器性能的途径181本章内容小结和学习方法建议183习题与思考题183第8章 高速缓冲存储器和虚拟存储器1858.1 高速缓冲存储器1858.1.1 Cache的运行原理1858.1.2 Cache的3种映像方式1878.1.3 Cache实用中的问题1898.2 虚拟存储器部件1928.2.1 虚拟存储器的概念介绍1928.2.2 段式存储管理1928.2.3 页式存储管理193本章内容小结和学习方法建议195习题与思考题195第9章 外部存储器设备1989.1 外存设备概述1989.1.1 主要技术指标1989.1.2 磁记录原理与记录方式1999.2 磁盘设备2019.2.1 磁记录介质2019.2.2 磁盘驱动器2029.2.3 磁盘控制器2039.3 磁盘阵列2049.4 光盘设备2079.4.1 只读光盘2079.4.2 可刻光盘2089.4.3 可擦写光盘2109.4.4 DVD2109.4.5 Blu-Ray211本章内容小结和学习方法建议211习题与思考题211第10章 输入输出设备21210.1 输入输出设备概述21210.2 常用的输入设备21310.3 常用的输出设备21510.3.1 点阵式输出设备基本原理21510.3.2 显示器的组成和运行原理21610.3.3 打印机的组成和运行原理22010.3.4 计算机终端223本章内容小结和学习方法建议224习题与思考题224第11章 输入输出系统22511.1 计算机输入输出系统概述22511.2 计算机总线22611.2.1 总线概述22611.2.2 总线结构22811.2.3 总线宽度22911.2.4 总线时钟23011.2.5 总线仲裁23211.2.6 总线举例23411.3 输入输出接口24011.3.1 输入输出接口的功能24011.3.2 通用可编程接口组成24011.3.3 输入输出接口举例24111.4 输入输出方式24411.4.1 程序直接控制方式24411.4.2 程序中断传送方式24411.4.3 直接存储器访问方式24711.4.4 I/O通道控制方式24911.4.5 外围处理机方式249本章内容小结和学习方法建议249习题与思考题250第12章 流水线技术25212.1 流水线的基本概念25212.1.1 流水线的概念25212.1.2 流水线的表示方法25412.1.3 流水线的特点25512.1.4 流水线的分类方法25612.2 流水线的性能指标25912.2.1 流水线的吞吐率25912.2.2 流水线的加速比26212.2.3 流水线的效率26212.2.4 流水线的最佳段数26312.3 DLX指令集与DLX流水线26312.3.1 DLX指令集结构介绍26312.3.2 DLX的一种简单实现26812.3.3 DLX流水线的实现原理27012.4 流水线中的相关问题27312.4.1 结构相关27312.4.2 数据相关27512.4.3 控制相关28112.5 指令级并行技术28512.5.1 基本概念28512.5.2 多指令发射技术286本章内容小结和学习方法建议289习题与思考题289第13章 并行计算机体系结构29113.1 并行计算机体系结构概述29113.1.1 计算机体系结构的发展29113.1.2 计算机体系结构的分类29213.1.3 并行计算机体系结构分类29413.2 并行计算机系统的设计问题29513.2.1 并行计算机系统的互联网络29513.2.2 并行计算机系统的性能问题30013.2.3 并行计算机系统的软件问题30213.3 SIMD计算机简介30313.3.1 阵列处理机30313.3.2 向量处理机30413.4 共享内存的多处理机系统30613.4.1 一致性内存访问的UMA多处理机系统30713.4.2 非一致性内存访问的NUMA多处理机系统31213.4.3 基于Cache内存访问的COMA多处理机系统31413.5 基于消息传递的多计算机系统31413.5.1 大规模并行处理机31613.5.2 工作站集群316本章内容小结和学习方法建议317习题与思考题318主要参考书319[1]