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简介

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简介

本书主要介绍计算机的基本组成原理和内部工作机制。全书共9章，分别介绍了计算机系统概论、计算机中的数据表示、计算方法与计算设备设计、存储系统、指令系统、中央处理器。指令流水线、总线系统、输入输出系统的工作原理及设计方法、实现机制。本书试图站在硬件工程师的角度，利用数字逻辑课程中组合逻辑和同步时序逻辑电路设计的相关知识，逐步从逻辑门构建算子、存储器、数据通路和控制器，设计流水线冲突风险机制直到完整的MIPS流水线CPU让学生从设计者的角度理解计算机组件和运行的基本原理，力求帮助学生从程序运行的角度理解计算机硬件系统，掌握软硬件协同的概念.

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第一章计算机系统介绍

1.1 计算机的发展

1.1.1 计算机开发概述

1.1.2 摩尔定律

1.1.3 集成电路技术发展

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 计算机系统性能评估

1.3.1 基本性能指标

1.3.2 与时间相关的性能指标

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 软硬件逻辑功能等价

1.5 课程指南

章节摘要

练习 1

实践培训

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 定点表示

2.2.3 浮点表示

2.3 非数字数据的表示

2.3.1 字符的表示

2.3.2 汉字编码方式

2.4 数据信息验证

2.4.1 码距与数据校验

2.4.2 奇偶校验

2.4.3 汉明校验

2.4.4 循环冗余校验

章节摘要

练习 2

实践培训

第三章计算方法和计算器

3.1 定点加减法

3.1.1 二进制补码加减运算方法

3.1.2 溢出与检测

3.1.3 补码加减的逻辑实现

3.1.3 快速加法器实现

3.2.1 机号移位操作

3.2.2 补码乘法

3.2.3 数组乘法器

3.4 定点除法运算

3.4.1 原码的一位除法

3.4.2 补码一位除法

3.4.3 数组分隔符

3.5 浮点运算

3.5.1 浮点加减法

3.5.2 浮点乘法

3.6 逻辑与移位运算

3.7 计算器设计

3.7.1 定点算法

3.7.2 浮点运算符

3.7.3 ALU 设计

章节摘要

练习 3

实践培训

第 4 章存储系统

4.1 内存概述

4.1.1 内存分类

4.1.2 内存主要技术指标

4.1.3 数据在主存中的存储

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 内存（DRAM）

4.2.3 ROM

4.2.4 新内存

4.3 主存与CPU的连接

4.3.1 内存扩展

4.3.2 内存接口

4.4 并行主存系统

4.5 缓存

4.5.1 局部性原则

4.5.2 缓存的工作原理

4.5.3 联想记忆

4.5.4 地址映射

4.5.5 替换算法

4.5.6 缓存写入策略

4.5.7 多缓存结构

4.6 虚拟存储

4.6.1 虚拟内存的工作原理

4.6.3 分页虚拟内存

4.6.4 分段虚拟内存

4.6.4 分段分页虚拟内存

4.6.5 存储保护

4.8 二级存储

4.8.1 磁性表面记忆

4.8.2 光盘存储

4.8.3 冗余磁盘阵列

章节摘要

练习 4

实践培训

第五章指挥系统

5.1 指挥系统概述

5.2 命令格式

5.2.1 操作码

5.2.2 地址码

5.2.3 定长和变长指令

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 常用寻址方式

5.4 命令类型

5.5 指令格式设计与优化

5.5.1 指令格式设计

5.5.2 指令格式优化

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 命令系统示例

5.7.1 8O88/8O86指挥系统

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 CPU 概述

6.1.1 CPU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 注册传输语言

6.3 数据路径和指令操作流程

6.3.1 数据路径模型和时序

6.3.2 基于单总线结构的数据路径

6.3.3 基于专用路径结构的数据路径

6.4 时序和控制

6.4.1 CPU的时序

6.4.2 控制模式

6.4.3 时序发生器

6.5 硬连线控制器

6.5.1 三级顺序硬接线控制器

6.5.2 三电平顺序硬接线控制器的设计

6.5.3 现代定时硬连线控制器

6.5.4 现代顺序硬接线控制器设计

6.6 微程序控制器

6.6.1 微程序控制的基本概念

6.6.2 单片机的组成原理

6.6.3 微控制器设计

6.6.4 微指令及其编码方法

6.7 异常和中断处理

6.7.1 异常和中断概念

6.7.2 异常和中断处理流程

6.7.3 支持中断的 CPU 设计

章节摘要

练习 6

实践培训

第 7 章指令流水线

7.1 管道概述

7.1.1 管道的概念

7.1.2 MIPS 指令流水线

7.1.3 管道的时空图表示

7.2 管道数据路径

7.2.1 单周期数据通路流水线改造

7.2.2 流水线数据路径中的控制信号和传输

7.2.3 流水线中指令的执行过程

7.3 管道冲突及处理

7.3.1 管道冲突

7.3.2 结构冲突处理

7.3.3 控制冲突处理

7.3.4 插入气泡解决数据冲突

7.3.5 使用重定向解决冲突

7.3.6 动态分支预测技术

7.3.7 管道性能分析

7.4 管道异常和中断

7.5 指令级并行性

章节摘要

练习 7

实践培训

第 8 章系统总线

8.1 总线的基本概念

8.1.1 总线分类

8.1.2 总线组成

8.1.3 总线标准

8.1.4 总线和三态门

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 公交信息传输

8.2.3 总线仲裁

8.2.4 总线时序

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 普通总线

8.4.1 常用片上总线

8.4.2 通用系统总线

8.4.3 通用 I/O 总线

8.4.4 通用外部总线

章节摘要

练习 8

第 9 章输入和输出系统

9.1 输入输出特性

9.2 输入输出接口

9.2.1 I/O接口功能

9.2.2 I/O接口结构

9.2.3 接口分类

9.2.4 I/O 连接方式

9.2.5 I/O 设备的寻址

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 程序查询控制方式界面

9.4.2 设备状态寄存器格式

9.4.3 程序查询方法数据输入输出过程

9.5 程序中断控制方式

9.5.1 中断的基本概念

9.5.2 中断响应流程

9.5.4 中断源识别

9.5.5 中断处理流程

9.6 DMA 模式

9.6.1 DMA的基本概念

9.6.2 DMA传输过程

9.6.3 DMA 控制器的基本组件

9.7 频道模式

9.7.1 渠道概念

9.7.2 渠道类型

9.7.3 通道的CPU控制

9.7.4 渠道结构发展

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）

章节摘要

练习 9

实践培训

作者介绍

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。他提供“计算机组成原理”（*家庭级在线*流课程）、“计算机硬件系统设计”MOOC 课程和“Do-it-yourself CPU”在线培训课程。荣获2019年高校计算机科学优秀教师、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优秀奖和教学质量一等奖等。

 

 

文件目录

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| | | ├──2019秋季计算机组成原理试卷A答案脱敏.pdf 453KB
| | | ├──2020秋季计算机组成原理试卷B（正题）答案脱敏.pdf 630KB
| | | ├──《计算机组成原理》2017秋季A卷V1.1标准答案脱敏.pdf 291KB
| | | ├──《计算机组成原理》2018秋季B卷V1.0标准答案脱敏.pdf 319KB
| ├──教师使用--计算机组成原理实验报告模板.docx.docx 784KB
| ├──教师使用--计算机组成原理实验常用问题.pdf.pdf 1.0MB
| ├──教师使用__头歌平台建立翻转课堂.pptx 18.0MB