計算機組成原理（簡體書）

本書是清華大學國家精品課程“計算機組成原理”建設的重要成果。全書共分9章。第1章簡要介紹計算機組成，第2章介紹數字電路基礎，第3～8章講解計算機組成原理的主體內容，包括計算機系統的中央處理器(CPU)、存儲器和輸入/輸出系統；第9章概要介紹計算機系統結構課程的入門性知識。 本書可作為普通高等院校“計算機組成原理”課程的教材，也可供計算機相關專業、科研人員和其他有關人員學習參考。

王誠，畢業于清華大學原自動控制系計算機專業，畢業后留校任教，除1973.4-1975.10到法國進修之外，其他時間一直在清華大學計算機系承擔教學與科研任務。 教學方面，先后主講多門軟件或硬件課程。出版了10多本教材，例如《PASCAL程序設計及其應用》、《計算機組成與設計》、《計算機組成原理》和《計算機組成與體系結構》等，幾本書或者被評為部委級優秀教材，或者入選北京市精品教材和國家級規劃教材。研制并發的教學計算機系統已經形成系列產品并有配套的軟件模擬系統，教學課件包括教學全部內容。主持的“計算機組成原理”課程教學改革獲北京市教學成果一等獎。并于2004年被評為清華大學、北京市和國家三個級別的精品課。 科研方向主要在計算機系統結構、網絡和分布式信息系統領域，先后主持或承擔過近20項國家、部委省市級的攻關課題和橫向科研課題。其中應用面最廣、影響較大的當屬“全國普通高校招生網上錄取系統”和“全國成人高校招生網上錄取系統”，該系統在全國全面應用，為貫徹招生錄取工作的“公正、公平和公開”原則提供了技術上的保證，產生明顯的社會和經濟效益，得到各級領導和考生及其家長的高度認可和稱贊。 教學和科研成果總共8次獲得部委或北京市級獎勵，更多次數獲得清華大學的各種獎勵。

第1章 計算機系統概述
1.1 計算機系統的基本組成及其層次結構
1.2 計算機硬件系統的五個功能部件及其功能
1.3 計算機系統主要的技術與性能指標
1.4 計算機的體系結構、組成和實現概述
1.5 計算柳發展進步、分類與拓展應用的進程
本章小結
習題與思考題
第2章 數字電路和邏輯設計基礎
2.1 數字電路基礎
2.1.1 半導體材料和二極管簡介
2.1.2 三極管的結構及其伏安特性
2.1.3 應用舉例
2.2 布爾代數知識基礎和基本邏輯門
2.2.1 布爾代數基礎知識
2.2.2 基本的邏輯門電路
2.3 常用的組合邏輯、時痛陳邏輯器件及其應用
2.3.1 組合邏輯電路
2.3.2 時序邏輯電路
2.3.3 應用舉例
2.4 可編程器件及其編程概述
2.4.1 可編程器件概述
2.4.2 可編程器件的功能設計與VHDL語言簡介
本章小結
習題與思考題
第3章 數據表示和數據運算算法
3.1 數字化信息編碼的概念和二進制編碼知識
3.1.1 數字化信息編碼的概念
3.1.2 二進制編碼和碼制轉換
3.2 數據表示——常用的信息編碼
3.2.1 邏輯類型數據的表示
3.2.2 字符類型數據的表示
3.2.3 多媒體信息的概述及其計算機表示
3.2.4 數值類型數據的表示
3.3 二進制數值數據的編碼方案與運算算法
3.3.1 原碼、反碼、補碼的定義
3.3.2 補碼加、減運算規則和電路實現
3.3.3 原碼一位乘法、除法的實現方案
3.4 檢錯糾錯碼
3.4.1 碼距
3.4.2 三種常見的校驗碼
本章小結
習題與思考題
第4章 計算機的運算器部件
4.1 算術邏輯運算單元的線路實現
4.2 計算機的定點運算器
4.2.1 定點運算器的功能、組成與控制
4.2.2 示例計算機的運算器部件的功能、組成與實現
4.2.3 MIPS計算機多周期CPU系統中的運算器部件的功能與組成
4.3 浮點運算與浮點運算器
4.3.1 浮點數的運算規則
4.3.2 浮點運算器舉例
4.4 提高運算器部件處理能力的可行途徑
4.4.1 計算機性能的提高和并行性發展概述
4.4.2 提高計算機運算器處理能力的可行途徑
本章小結
習題與思考題
第5章 指令系統和匯編語言程序設計
5.1 指令格式和指令系統概述
5.1.1 操作碼的組織與編碼
5.1.2 有關操作數的個數、來源、去向和地址安排
5.1.3 指令的分類
5.2 基本尋址方式概述
5.3 指令系統舉例
5.3.1 MIPS計算機的指令系統
5.3.2 TH_FPGA示例計算機的指令系統
5.4 計算機的匯編語言程序設計
5.4.1 匯編語言程序設計中的有關概念
5.4.2 示例計算機的匯編語言程序設計舉例
本章小結
習題與思考題
第6章 計算機的控制器部件
6.1 控制器的功能、組成與指令執行步驟概述
6.1.1 控制器部件的功能和組成概述
6.1.2 指令的執行步驟概述
6.2 硬連線控制器部件
6.2.1 硬連線控制器的組成和運行原理簡介
6.2.2 TH_FPGA示例計算機系統的硬連線控制器部件
6.2.3 MIPS計算機的控制器部件
6.3 微程序的控制器部件
6.3.1 微程序控制器的基本組成和運行原理簡介
6.3.2 微程序設計中的下地址形成邏輯和微程序設計
6.4 指令流水線的概念和實現技術
6.4.1 流水線的基本概念和主要性能指標
6.4.2 指令流水線中的相關問題及其解決思路
6.4.3 TH FPGA系統中的指令流水線方案
6.4.4 指令級并行技術
本章小結
習題與思考題
第7章 多級存儲器系統
7.1 存儲系統概述
7.1.1 存儲器分類
7.1.2 存儲器系統設計目標和存儲體系的實現
7.2 存儲器芯片
7.2.1 基本存儲位
7.2.2 存儲器芯片的組成
7.2.3 只讀存儲器
7.3 主存儲器
7.3.1 主存儲器概述
7.3.2 示例計算機的主存儲器組成和設計
7.4 高速緩沖存儲器
7.4.1 cache的基本結構和運行原理
7.4.2 主存與cache的地址映射
7.4.3 cache的命中率、寫入與替換策略
7.5 外部存儲器設備
7.5.1 外部存儲設備概述
7.5.2 磁記錄原理與記錄方式
7.5.3 硬磁盤設備
7.5.4 光盤設備
7.5.5 U盤簡介
7.6 虛擬存儲器
7.6.1 虛擬存儲器概述
7.6.2 段式虛擬存儲器
7.6.3 頁式虛擬存儲器
7.6.4 段頁式虛擬存儲器
本章小結
習題與思考題
第8章 總線與輸入/輸出系統
8.1 總線
8.1.1 總線概述
8.1.2 總線結構
8.1.3 總線控制
8.1.4 總線舉例
8.2 輸入/輸出系統
8.2.1 輸入/輸出系統概述
8.2.2 輸入/輸出設備
8.2.3 輸入/輸出接口
8.2.4 輸入/輸出控制方式
本章小結
習題與思考題
第9章 并行計算機體系結構
9.1 基礎知識與基本概念
9.1.1 計算機體系結構的分類
9.1.2 并行計算機系統的性能問題
9.1.3 并行計算機系統的軟件技術
9.2 SIMD計算機簡介
9.3 基于共享內存的多處理機系統
9.3.1 一致性內存訪問的IMA多處理機系統
9.3.2 非一致性內存訪問的NUMA多處理機系統
9.3.3 僅高速緩存訪問的COMA多處理機系統
9.4 基于消息傳遞的多計算機系統
9.4.1 大規模并行處理機
9.4.2 工作站集群
本章小結
習題與思考題
參考文獻