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书主要介绍计算机的基本组成原理及内部工作机制，全书共9章，分别介绍计算机系统概论、计算机中的数据表示、运算方法及运算器设计、存储系统、指令系统、中央处理器的工作原理和设计方法、指令流水线的实现机理、总线系统、输入输出系统。

本书尝试站在硬件工程师的视角，利用数字逻辑课程中组合逻辑、同步时序逻辑电路设计的相关知识，从逻辑门开始逐步构建运算器、存储器、数据通路和控制器，设计流水线***冒险机制直至完整的MIPS流水CPU，让学生从设计者的角度体会计算机部件构成以及运行的基本原理，努力帮助学生从程序运行的角度深入理解计算机硬件系统，掌握软硬件协同的概念。

第 1章 计算机系统概论

1.1 计算机的发展

1.1.1 计算机发展概况

1.1.2 摩尔定律

1.1.3 集成电路工艺发展

1.1.4 我国计算机发展

1.1.5 后PC时代

1.2 计算机系统的组成

1.2.1 计算机硬件系统

1.2.2 计算机的软件系统

1.2.2 计算机系统的工作过程

1.3 计算机系统性能评价

1.3.1 基本性能指标

1.3.2 与时间有关的性能指标

1.3.3 CPU性能公式及其应用

1.3.4 性能测试及其工具

1.4 计算机系统的层次结构

1.4.1 计算机系统的层次结构

1.4.3 硬件和软件逻辑功能的等价性

1.5 课程导学

本章小结

习题1

实践训练

第 2章 数据信息的表示

2.1 数据表示关键因素

2.2 数值数据的表示

2.2.1 机器码表示

2.2.2 定点数表示

2.2.3 浮点数表示

2.3 非数值数据的表示

2.3.1 字符的表示

2.3.2 汉字编码方法

2.4 数据信息的校验

2.4.1 码距与数据校验

2.4.2 奇偶校验

2.4.3 海明校验

2.4.4 循环冗余校验

本章小结

习题2

实践训练

第3章 运算方法与运算器

3.1 定点数加减法运算

3.1.1 补码加减法运算方法

3.1.2 溢出及检测

3.1.3 补码加减法的逻辑实现

3.1.3 快速加法器实现

3.2.1 机器数的移位操作

3.2.2 补码一位乘法

3.2.3 阵列乘法器

3.4 定点数除法运算

3.4.1 原码一位除法

3.4.2 补码一位除法

3.4.3 阵列除法器

3.5 浮点数运算

3.5.1 浮点数加减运算

3.5.2 浮点乘法运算

3.6 逻辑与移位运算

3.7 运算器设计

3.7.1 定点运算器

3.7.2 浮点运算器

3.7.3 ALU设计

本章小结

习题3

实践训练

第4章 存储系统

4.1 存储器概述

4.1.1 存储器分类

4.1.2 存储器主要技术指标

4.1.3 主存中数据的存放

4.1.4 主存的基本结构和工作过程

4.1.5 存储系统层次结构

4.2 半导体存储器

4.2.1 静态 MOS存储器（SRAM)

4.2.2 动态MOS存储器（DRAM)

4.2.3 只读存储器

4.2.4 新型存储器

4.3 主存与CPU 的连接

4.3.1 存储器的扩展

4.3.2 存储器接口

4.4 并行主存系统

4.5 高速缓冲存储器(cache)

4.5.1 局部性原理

4.5.2 cache的工作原理

4.5.3 相联存储器

4.5.4 地址映射

4.5.5 替换算法

4.5.6 cache写策略

4.5.7 多cache结构

4.6 虚拟存储器

4.6.1 虚拟存储器的工作原理

4.6.3 页式虚拟存储器

4.*** 段式虚拟存储器

4.*** 段页式虚拟存储器

4.6.5 存储保护

4.8 辅助存储器

4.8.1 磁表面存储器

4.8.2 光盘存储器

4.8.3 冗余磁盘阵列

本章小结

习题4

实践训练

第5章 指 令 系 统

5.1 指令系统概述

5.2 指令格式

5.2.1 操作码

5.2.2 地址码

5.2.3 定长与变长指令

5.3 指令和操作数的寻址方式

5.3.1 指令寻址

5.3.2 数据寻址

5.3.3 常见寻址方式

5.4 指令类型

5.5 指令格式设计及优化

5.5.1 指令格式的设计

5.5.2 指令格式的优化

5.6 CISC和 RISC 的基本概念

5.6.1 复杂指令系统计算机(CISC)

5.6.2 精简指令系统计算机(RISC)

5.7 指令系统举例

5.7.1 8O88/8O86指令系统

5.7.2 MIPS指令系统

5.7.3 RISC-V指令系统

第6章 中央处理器

6.1 中央处理器概述

6.1.1 中央处理器的功能

6.1.2 中央处理器的组成

6.2 指令周期

6.2.1 指令执行的一般流程

6.2.2 指令周期的基本概念

6.2.3 寄存器传送语言

6.3 数据通路及指令操作流程

6.3.1 数据通路模型与定时

6.3.2 基于单总线结构的数据通路

6.3.3 基于专用通路结构的数据通路

*** 时序与控制

***.1 中央处理器的时序

***.2 控制方式

***.3 时序发生器

6.5 硬布线控制器

6.5.1 ***时序硬布线控制器

6.5.2 ***时序硬布线控制器设计

6.5.3 现代时序硬布线控制器

6.5.4 现代时序硬布线控制器设计

6.6 微程序控制器

6.6.1 微程序控制的基本概念

6.6.2 微程序控制器组成原理

6.6.3 微程序控制器设计

6.*** 微指令及其编码方法

6.7 异常与中断处理

6.7.1 异常与中断概念

6.7.2 异常与中断处理过程

6.7.3 支持中断的CPU设计

本章小结

习题6

实践训练

第7章 指令流水线

7.1 流水线概述

7.1.1 流水线的概念

7.1.2 MIPS指令流水线

7.1.3 流水线的时空图表示

7.2 流水线数据通路

7.2.1 单周期数据通路流水改造

7.2.2 流水数据通路中的控制***及传递

7.2.3 指令在流水线中的执行过程

7.3 流水线***与处理

7.3.1 流水线***

7.3.2 结构***处理

7.3.3 控制***处理

7.3.4 插入气泡解决数据***

7.3.5 使用重定向解决***

7.3.6 动态分支预测技术

7.3.7 流水线性能分析

7.4 流水线异常与中断

7.5 指令级并行技术

本章小结

习题7

实践训练

第8章 系统总线

8.1 总线基本概念

8.1.1 总线分类

8.1.2 总线组成

8.1.3 总线标准

8.1.4 总线与三态门

8.1.5 总线性能指标

8.2 总线传输机制

8.2.1 总线传输过程

8.2.2 总线的信息传送

8.2.3 总线仲裁

8.2.4 总线定时

8.3 总线结构

8.3.1 单总线结构

8.3.2 双总线结构

8.3.3 三总线结构

8.3.4 高性能总线

8.4 常用总线

8.4.1 常用片内总线

8.4.2 常用系统总线

8.4.3 常用I/O总线

8.4.4 常用外部总线

本章小结

习题8

第9章 输入输出系统

9.1 输入输出特性

9.2 I/O接口

9.2.1 I/O接口的功能

9.2.2 I/O接口的结构

9.2.3 接口的分类

9.2.4 I/O的连接方式

9.2.5 I/O设备的编址

9.3 输入输出数据传输控制方式概述

9.4 程序查询控制方式

9.4.1 程序查询控制方式的接口

9.4.2 设备状态寄存器的格式

9.4.3 程序查询方式数据输入输出流程

9.5 程序中断控制方式

9.5.1 中断基本概念

9.5.2 中断响应过程

9.5.4 中断源识别

9.5.5 中断处理流程

9.6 DMA方式

9.6.1 DMA的基本概念

9.6.2 DMA传送过程

9.6.3 DMA控制器的基本组成

9.7 通道方式

9.7.1 通道概念

9.7.2 通道的类型

9.7.3 CPU对通道的控制

9.7.4 通道结构的发展

9.8 输入输出设备

9.7.1 输入设备（键盘、鼠标）

9.7.2 输出设备（打印机、显示器）

本章小结

习题9

实践训练

谭志虎，博士，华中科技大学计算机科学与技术学院教授，副院长，开设有“计算 机组成原理”（线上一流课程）、“计算机硬件系统设计”慕课课程，以及“自己动手画 CPU”在线实训课程。荣获 2019 年度高校计算机专业优秀教师、华中科技大学教学名师、宝钢优秀教师奖、湖北省教学成果一等奖、华中科技大学课堂教学卓越奖和教学质量一等奖等。

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书籍介绍

本书利用组合逻辑、同步时序逻辑电路设计的相关知识，从逻辑门开始逐步构建运算器、存储器、数据通路和控制器，最终集成为完整的CPU原型系统，使读者从设计者的角度理解计算机部件构成及运行的基本原理，掌握软硬件协同的概念。

全书共9章，主要内容包括计算机系统概述、数据信息的表示、运算方法与运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、指令流水线、总线系统、输入输出系统。

本书可作为高等学校计算机相关专业“计算机组成原理”课程的教材，也可作为硕士研究生入学考试的参考书，还可作为计算机工程技术人员的参考书。