大學計算機組成原理教程（簡體書）

本書是哈爾濱工業大學國家優秀教學團隊教學成果。全書共分9章，內容包括：緒論（含馮諾依曼計算機模型、計算機的基本結構、計算機系統的分類和性能評價等），計算機中信息的表示與運算，處理器，總線技術，存儲系統（含Cache和虛擬存儲器），控制器，8086/8088匯編語言程序設計，計算機外部設備，輸入/輸出接口（含中斷系統）。附錄給出了圖靈機模型、數制及其轉換、相聯存儲器等內容。本書貫穿“計算思維”的思想，內容深度適宜，與技術發展保持同步；行文流暢，深入淺出，內容涵蓋了計算機組成與匯編語言程序設計的主要內容。例題覆蓋2009—2012年計算機專業碩士研究生入學全國統一考試全部試題，並給出了詳盡解答，實用性強。本書為任課教師免費提供教學課件等資源。·

金波，首都師範大學教授，教育部全國語文教材審定委員會委員，中國作協兒童文學委員會委員，北京作協兒童文學會主任。大學時代開始文學創作。出版過詩集《回聲》、《綠色的太陽》、《我的雪人》、《在我和你之間》、《林中月夜》、《風中的樹》、《帶雨的花》、《我們去看海——金波兒童十四行詩》等十餘部；童話集《小樹葉童話》、《金海螺小屋》、《蘋果小人兒的奇遇》、《眼睛樹》、《影子人》、《白城堡》、《追蹤小綠人》等多部；此外，還有散文集《等待好朋友》、《等你敲門》、《感謝往事》，評論集《追尋小精靈》，選集《金波兒童詩選》、《金波作品精選》、《金波詩詞歌曲集》等。多篇作品被收入中小學語文和音樂課本。2004年6月1日，中央電視臺“東方之子”欄目以“金波——永遠的童年”為主題，介紹了他從事兒童文學創作的業績。·

《高等學校規劃教材:大學計算機組成原理教程》可作為計算機科學與技術、軟件工程、物聯網工程、信息與計算科學等專業的“計算機組成原理”、“微機原理”、“計算機組成原理與匯編語言程序設計”等課程教材，也可供參加計算機專業碩士研究生入學全國統一考試的考生和計算機相關行業的工程技術人員及其他自學者學習參考。

第1章 緒論1.1 計算機的產生與發展1.2 馮諾依曼計算機模型1.3 計算機的組成結構1.3.1 計算機的基本組成1.3.2 計算機體系結構、組成與實現1.3.3 計算機系統的層次結構1.4 計算機系統的分類1.4.1 綜述1.4.2 弗林分類法1.5 計算機系統的性能評價1.6 微處理器與微型計算機1.6.1 微處理器與微型計算機的產生與發展1.6.2 多核微處理器1.7 中國計算機事業的發展歷程1.8 計算機的特點及應用1.8.1 計算機的特點1.8.2 計算機的應用1.9 計算機的發展1.9.1 計算機發展的動力1.9.2 計算機的發展趨勢習題1第2章 計算機中信息的表示與運算2.1 數據的表示2.1.1 定點數的表示2.1.2 浮點數的表示2.2 定點數的運算2.2.1 邏輯運算2.2.2 移位運算2.2.3 加法與減法運算2.2.4 乘法運算2.2.5 除法運算2.3 浮點數的運算2.3.1 浮點數加、減運算2.3.2 浮點數乘、除運算2.4 面向錯誤檢測與糾錯的數據編碼2.5 字符的表示2.6 面向存儲與傳輸的數據編碼習題2第3章 處理器3.1 處理器的指令集3.1.1 概述3.1.2 指令的操作碼與操作數3.1.3 尋址方式3.1.4 指令的基本功能3.1.5 指令的格式3.1.6 面向多媒體數據處理的增強指令3.2 處理器的組成與工作過程3.2.1 處理器的基本功能和基本組成3.2.2 計算機的工作過程3.2.3 採用流水線技術的處理器3.3 從CISC到RISC3.3.1 RISC產生的背景3.3.2 RISC的定義3.3.3 指令級並行ILP技術3.4 Intel 80x86系列微處理器3.4.1 Intel 8086/8088 微處理器3.4.2 Intel 80286，80386和80486微處理器3.4.3 Intel Pentium系列微處理器3.5 ARM系列微處理器3.5.1 概述3.5.2 ARM微處理器的模式、工作狀態和寄存器組織3.5.3 ARM微處理器的存儲器組織和尋址方式3.5.4 ARM微處理器的指令集習題3第4章 總線技術4.1 概述4.2 總線的設計與實現4.3 總線控制4.3.1 總線仲裁4.3.2 總線通信控制4.4 總線的性能指標4.5 總線標準4.5.1 微型計算機系統總線標準4.5.2 微型計算機局部總線標準4.5.3 I/O總線標準舉例習題4第5章 存儲系統5.1 存儲器的分類與性能評價5.1.1 存儲器的分類5.1.2 存儲器的性能評價5.2 存儲器訪問的局部性原理與層次結構的存儲系統5.2.1 存儲器訪問的局部性原理5.2.2 層次結構的存儲系統5.3 半導體存儲器5.3.1 隨機訪問存儲器RAM5.3.2 只讀存儲器ROM5.4 主存儲器5.4.1 主存儲器組成5.4.2 提高主存儲器訪問帶寬的方法5.4.3 奔騰微機主存儲器組成5.4.4 存儲芯片的發展5.5 高速緩沖存儲器Cache5.5.1 Cache的工作原理5.5.2 地址映像與變換5.5.3 替換算法5.5.4 寫入策略5.5.5 二級Cache與分裂型Cache5.5.6 Cache的性能評價5.6 虛擬存儲器5.6.1 多道程序下的內存管理5.6.2 段式存儲管理5.6.3 頁式存儲管理5.6.4 頁式虛擬存儲器習題5第6章 控制器6.1 控制器概述6.2 硬聯控制方式控制器的工作原理6.3 微程序控制方式的控制器工作原理習題6第7章 8086/8088匯編語言程序設計7.1 引言7.2 順序結構程序設計7.3 分支結構程序設計7.4 循環結構程序設計7.5 字符串操作程序設計7.6 宏、條件彙編與重複彙編7.7 子程序設計7.8 8086/8088微處理器的其他指令與應用習題7第8章 計算機外部設備8.1 輸入設備8.1.1 鍵盤8.1.2 鼠標8.2 輸出設備8.2.1 陰極射線管顯示器8.2.2 平板顯示器8.2.3 打印機8.3 輔存設備8.3.1 硬盤8.3.2 光盤習題8第9章 輸入/輸出（I/O）接口9.1 I/O技術的發展9.2 I/O接口的組成與工作原理9.3 中斷系統9.3.1 中斷的處理過程9.3.2 中斷屏蔽9.3.3 中斷控制器8259A9.3.4 8086/8088微處理器的中斷系統9.4 DMA技術9.5 通道技術習題9附錄A 圖靈機模型附錄B 歷年圖靈獎獲得者附錄C 數制及其轉換附錄D EBCDIC碼附錄E 8086/8088指令格式附錄F 相聯存儲器參考文獻·

3.4.3 Intel Pentium系列微處理器
1.Pentium（奔騰）和Pentium Pro（高能奔騰）微處理器
80286，80386和80486在市場上取得了巨大的成功，為了延續“摩爾定律”的神話，Intel公司于1993年推出了它的第五代微處理器——Pentium（奔騰）微處理器。
在組成結構上，Pentium具有如下特點：
（1）超標量流水線結構。Pentium設置了兩條獨立的整數流水線——U流水線和V流水線。它們分別擁有自己的ALU，這樣Pentium就可以同時執行兩條互不相關的指令。理想情況下，每條流水線在一個時鐘周期內可以流出一條簡單的整數指令，整個系統在一個時鐘周期內可以流出兩條簡單的整數指令。
（2）片內高速緩存Cache。為了滿足兩條整數流水線對取指令和取操作數的需求，Pentium設置了基于哈佛結構的片內高速緩存。具體來說，就是在內部設置了8KB的指令Cache和8KB的數據Cache。
（3）轉移預測。Pentium內部設有兩個長度皆為32字節的預取指令隊列，并通過一個轉移目標緩沖存儲器（Branch Target Buffer，BTB）來保存以往的轉移目標地址。在遇到轉移指令時，借助BTB來預測是否發生轉移以及轉移到哪一個分支，預測的根據是先前曾使用的分支將會再度使用。如果BTB預測不發生轉移，則一個指令隊列繼續進行指令的預取，否則另一個指令隊列根據預測的分支進行指令的預取。因此，無論轉移是否發生，所需要的指令都已事先預取到指令隊列中。
如果BTB預測正確，則指令流水線正常執行， 否則Pentium在刷新流水線后取來正確的指令執行，這一過程可能會產生3個以上時鐘周期的延遲。
與其他轉移預測方案相比，Pentium的BTB對程序員是透明的，即不需要改寫現有程序，程序員在編程時也無須考慮轉移預測。
（4）高性能的浮點處理單元。Intel公司在80486中內置了浮點運算協處理器，而Pentium又在80486的基礎上更進了一步。Pentium的浮點處理單元擁有自己的浮點寄存器組、浮點加法器和浮點乘／除法器，在一個時鐘周期內就可以向它的8級指令流水線發出一條浮點指令。
（5）增強的64位數據總線。Pentium把數據高速緩存與總線部件之間的數據總線擴展為64位，并采用總線周期流水線技術來提高總線的帶寬，它可以使兩個總線周期同時進行。Pentium還支持突發式讀周期和突發式回寫周期操作。
（6）支持構建對稱多處理器系統。對稱多處理器系統指利用多個相同的微處理器來構建一個高性能的并行計算機。這樣的并行計算機所面臨的一個主要問題是，多個局部Cache與共享主存之間的數據一致性。Pentium在設計上考慮了這方面的需求，支持常用的數據一致性協議NIESI。
（7）錯誤檢測和功能冗余校驗。Pentium增加了以往只在大型計算機上使用的錯誤檢測和功能冗余校驗技術，以保證計算機網絡的數據完整性。