本书以计算机组成原理为主，兼顾了系统结构的主要内容。全书共包含9章：第1章简述计算机系统中的概念；第2章讲述构成计算机硬件的基本逻辑电路基础；第3章介绍运算方法和运算器的实现；第4～5章描述处理器内部，包括指令系统的设计及其优化、控制器的基本组成与功能、组合逻辑控制器的组成原理与实现方法、微程序控制器的组成原理与实现方法等；第6～7章讲述存储系统的构成原理等；第8章讲述输入输出设备原理；第9章重点是计算机系统结构的内容，包括先行控制技术、流水线处理技术、超标量处理器、超流水线处理器等。
本书可作为高等院校计算机及相关专业的计算机组成原理的教材，也可供参加研究生考试的人员和计算机工程技术人员参考。
计算机组成原理与系统设计
马 礼 等编著
针对目前高校教育中普遍存在的教学时数有限，教学计划、教学大纲以及教材落后于计算机技术发展趋势的问题，很多高校都开展了计算机专业教育从教学计划到教学内容的改革，为此，需要符合新的教学方案的配套教材。本书作者针对目前计算机专业课程中部分内容重复的现象，将计算机专业的硬件类课程进行了课程群规划和建设，将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程的内容有机地整合为一门课程，这样既保证了全部包含基础专业课程的内容，同时又从总体上节约了教学时数，本书就是在这种思路的基础上结合作者多年来的教学实践经验编写而成的。
本书特点
内容上兼顾了计算机组成原理和系统结构的主要内容。以计算机组成原理为主，结合VHDL语言，实现计算机各主要组成部分的功能。
将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程的内容进行有机的整合，弥补了教学时数的不足。
介绍了高性能计算机设计中使用的新技术，克服了许多教材受限于教学时数而无法引进新技术内容的缺憾。
兼顾全国计算机专业硕士研究生入学考试大纲，内容涵盖了大纲要求的所有知识点。
随着计算机技术的迅速发展，计算机专业教育从教学计划到教学内容等方面的改革正在国内各高校中广泛展开，不同的学校对其本科生的培养计划和培养方案都作了适当的调整，对教学大纲进行了不同程度的修订。业内人士普遍认为，传统的计算机专业教学计划已经不能适应快速发展的技术需求。
目前在国内计算机科学与技术学科的本科生教育普遍存在着教学计划、教学大纲以及教材落后于计算机技术发展的问题，而且这种差距还有继续扩大的趋势。作为教育工作者，教师很希望能有时间和机会为学生介绍新技术的发展，但在目前的情况下是比较困难的。究其原因，我们认为主要有以下几方面：
1）技术发展快。计算机技术是高科技的代表，各行各业以及家庭都有使用计算机的需求，从而刺激计算机的设计和生产单位不断改进其性能，增加其功能，促进了计算机技术的发展，也使得计算机系统教育相应落后。
2）教学过程本身的性质。作为系统培养人才的教育单位，能搬上讲台的东西，一定要是成熟的，而且要经过研究和教育工作者系统化的整理工作，编辑成教材才能进入课堂。由于这些制约的存在，使得在教学计划中难以体现出外部世界技术的飞速发展，成功的产品早已为人所用，但这些产品设计时使用的新技术却不能进入教材，也不能进入课堂。
3）教学时数的限制。教育部对高等学校本科生四年中的总教学时数是有指导性建议的。根据这个教学时数的规定，在基本理论和实践环节完成的前提下，已经很难再有多余的时间为学生介绍最新的技术发展，故而不能系统地讲述最新的行业发展。
由这些事实带来的问题就是：高校的教育在有限的教学时数内，在完成基本专业课程教学的情况下，已经不可能挤出很多的时间为学生们讲述技术的最新发展。带着这些问题，我们启动了教学计划的调整和培养计划的改革。
事实上，在目前计算机专业课程的设置上，经过仔细分析就会发现，部分内容是重复的。在各门课程中重复讲述同一个内容，这不符合教育的目的。针对这种情况，我们将计算机专业的硬件类课程进行了课程群规划和建设，对硬件类专业技术课程中相近的内容进行整合，将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程的内容有机地整合为一门课程，即“计算机组成原理与系统设计”。经过整合，新的课程中包含了原来两门课程的全部主要内容，避免了重复，这样既保证了包含基础专业课程的全部内容，同时又从总体上节约了教学时数，可谓一举两得。
本书就是在上述思路的基础上，结合作者多年来的教学实践经验编写而成。
全书共包含9章，在内容上兼顾了计算机组成原理和系统结构的主要内容。第1章对计算机系统中的概念、计算机系统的发展以及计算机系统的性能评价等进行了介绍；第2章讲述了构成计算机硬件的基本逻辑电路基础，使用时可以根据学生的先修课程情况来选讲，对于数字电路基础较好的学生，本章可以简略过一下；第3章介绍运算方法和运算器实现，其中讲述了数据在计算机内部的表示方法，同时讲述了定点数和浮点数的运算方法，在内容的安排上，为了保持运算方法描述的连贯性，将“浮点数的运算”安排在了“浮点数据表示”之前，这样做是为了使学生在学习时先有一个基本的浮点数概念，再引入较深入的数据表示，以利于理解浮点数；第4、5章描述处理器内部，包括指令系统的设计、指令系统的优化设计、控制器的基本组成与基本功能、组合逻辑控制器的组成原理与实现方法、微程序控制器的组成原理与实现方法等内容；第6章讲述主存储器的分类与构成，包括存储系统、Cache的组成原理与地址映射方式、虚拟存储器的构成原理等；第7章讲述辅助存储器的构成、原理、性能指标及记录方式等；第8章讲述输入输出设备的原理与输入输出系统；第9章重点讲述计算机系统结构，包括先行控制技术、流水线处理技术、超标量处理器、超流水线处理器等，读者可以从中学习高性能计算机设计中所使用到的一些新技术。文中带星号部分为选讲内容。
本书的另一特点是兼顾全国计算机专业硕士研究生入学考试大纲，内容涵盖了大纲要求的所有知识点。
本书可作为高等院校计算机专业本专科生的教材使用，也可作为计算机专业及计算机工程技术人员的参考书。
本书由马礼统稿，并完成了第1章、第4章、第5章的编写；张永梅完成了第7、8章的编写；宋丽华完成了第2章、第5.4节及全书中有关VHDL描述器件部分的编写；李华玲完成了第3、9章的编写；吴志华完成了第6章的编写。由于作者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者提出宝贵意见，也请同行多提宝贵意见。
编 者
2011年4月
针对目前高校教育中普遍存在的教学时数有限，教学计划、教学大纲以及教材落后于计算机技术发展趋势的问题，很多高校都开展了计算机专业教育从教学计划到教学内容的改革，为此，需要符合新的教学方案的配套教材。本书作者针对目前计算机专业课程中部分内容重复的现象，将计算机专业的硬件类课程进行了课程群规划和建设，将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程的内容有机地整合为一门课程，这样既保证了全部包含基础专业课程的内容，同时又从总体上节约了教学时数，本书就是在这种思路的基础上结合作者多年来的教学实践经验编写而成的。
本书特点
?内容上兼顾了计算机组成原理和系统结构的主要内容。以计算机组成原理为主，结合VHDL语言，实现计算机各主要组成部分的功能。
?将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程的内容进行有机的整合，弥补了教学时数的不足。
?介绍了高性能计算机设计中使用的新技术，克服了许多教材受限于教学时数而无法引进新技术内容的缺憾。
?兼顾全国计算机专业硕士研究生入学考试大纲，内容涵盖了大纲要求的所有知识点。
前言
教学建议
第1章 计算机组成与系统结构概述1
1.1 计算机系统的概念1
1.1.1 计算机的产生与发展1
1.1.2 计算机的应用3
1.1.3 计算机系统结构、计算机组成、计算机实现4
1.2 计算机系统的层次结构5
1.3 计算机系统组成6
1.4 计算机系统结构的分类7
1.4.1 弗林分类法7
1.4.2 冯氏分类法8
1.4.3 海德勒分类法9
1.5 计算机系统结构的评价10
1.5.1 系统运行速度10
1.5.2 加速比13
1.5.3 CPU性能14
1.5.4 性能价格比16
1.6 计算机系统结构的发展16
1.6.1 冯·诺伊曼机组系统结构的演变17
1.6.2 软件、应用和器件对系统结构的影响17
1.6.3 系统结构中并行性的发展19
1.6.4 多核/众核系统结构20
习题21
第2章 数字逻辑基础22
2.1 计算机中常用的组合逻辑电路22
2.1.1 编码器22
2.1.2 译码器25
2.1.3 数据选择器26
2.1.4 数值比较器28
2.1.5 加法器29
2.2 时序逻辑电路36
2.2.1 常用时序逻辑电路36
2.2.2 时序逻辑电路分析40
2.2.3 时序逻辑电路设计44
2.3 阵列逻辑电路48
2.3.1 阵列逻辑电路基础48
2.3.2 复杂可编程逻辑器件与现场可编程门阵列50
2.4 VHDL52
2.4.1 VHDL概述52
2.4.2 VHDL基本规范53
2.4.3 VHDL语言的描述语句64
2.4.4 VHDL语言结构体的描述方法76
习题80
第3章 运算方法与运算器82
3.1 计算机中数据的表示与数制之间的转换82
3.1.1 计算机中数的表示方法与转换82
3.1.2 十进制数的编码与运算83
3.2 机器数的编码表示及加减运算84
3.2.1 机器数的编码表示84
3.2.2 定点数加减运算85
3.2.3 定点数加减运算溢出的处理87
3.3 二进制乘除法运算88
3.3.1 二进制乘法运算88
3.3.2 二进制除法运算93
3.4 浮点数的运算方法95
3.4.1 浮点数的加减法运算95
3.4.2 浮点数的乘除法运算96
3.5 浮点数设计98
3.5.1 浮点数表示格式98
3.5.2 浮点数表示范围100
3.5.3 浮点数的表示精度100
3.5.4 浮点数的表示效率101
3.5.5 浮点数尾数的下溢处理方法102
3.6 数据校验码102
3.6.1 奇偶校验码102
3.6.2 海明校验码103
3.6.3 循环冗余校验码105
3.7 用VHDL实现8位ALU107
3.7.1 设计分析107
3.7.2 设计实例108
习题110
ⅧⅨ第4章 指令系统112
4.1 引言112
4.1.1 传统计算机指令系统的设计技术112
4.1.2 指令系统发展的两种途径：CISC，RISC113
4.2 指令格式115
4.2.1 指令字长度115
4.2.2 操作码115
4.2.3 地址码117
4.3 寻址技术119
4.3.1 指令寻址方式119
4.3.2 操作数寻址方式120
4.4 典型的指令系统121
4.4.1 指令的分类121
4.4.2 精简指令系统122
4.5 指令系统的优化设计125
4.5.1 操作码的优化设计125
4.5.2 地址码的优化设计128
习题131
第5章 控制器组成原理134
5.1 控制器的基本功能及结构134
5.1.1 控制器的功能134
5.1.2 控制器的组成134
5.2 指令的执行过程136
5.2.1 时序系统136
5.2.2 指令的执行过程137
5.2.3 指令的执行过程举例138
5.3 硬布线控制器的组成原理与实现方法139
5.3.1 硬布线控制器的组成原理139
5.3.2 硬布线控制器设计实例140
5.4 微程序控制器的组成原理与实现方法143
5.4.1 微程序控制器的基本原理143
5.4.2 微程序设计的技术问题144
5.4.3 微程序控制器设计实例149
5.4.4 运用VHDL设计简单的微程序控制器实例150
5.5 控制器的控制方式160
5.5.1 同步控制方式160
5.5.2 异步控制方式161
5.5.3 混合控制方式162
习题162
第6章 主存储器与存储系统163
6.1 存储器分类163
6.2 主存储器的主要技术指标164
6.3 读写存储器164
6.3.1 静态RAM165
6.3.2 动态RAM169
6.4 非易失性半导体存储器171
6.4.1 只读存储器171
6.4.2 可编程只读存储器172
6.4.3 可擦除可编程只读存储器172
6.4.4 电可擦除可编程只读存储器173
6.4.5 快速擦写存储器173
6.4.6 其他几种新型存储器174
6.5 主存储器容量的扩展175
6.5.1 位扩展176
6.5.2 字扩展176
6.5.3 字位扩展176
6.6 相联存储器177
6.7 存储系统与并行存储器179
6.7.1 存储系统的概念179
6.7.2 增加存储器的数据宽度181
6.7.3 多体交叉存储技术181
6.8 高速缓冲器Cache184
6.8.1 Cache的工作原理184
6.8.2 Cache的地址映像与地址变换185
6.8.3 替换算法190
6.8.4 Cache的加速比190
6.9 虚拟存储器原理191
6.9.1 虚拟存储器的工作原理191
6.9.2 地址映像与变换192
6.9.3 页面替换算法及其实现194
6.9.4 虚拟存储器实例195
习题196
第7章 辅助存储器197
7.1 硬盘存储设备197
7.1.1 磁记录原理与记录方式197
7.1.2 硬盘的基本组成和分类199
7.1.3 硬盘驱动器和硬盘控制器200
7.1.4 硬盘的主要技术指标201
7.2 RAID203
7.2.1 RAID 0级204
7.2.2 RAID 1级205
7.2.3 RAID 2级205
7.2.4 RAID 3级206
7.2.5 RAID 4级207
7.2.6 RAID 5级207
7.3 激光存储设备208
7.3.1 光盘存储器的种类208
7.3.2 光盘的读写原理210
7.3.3 光盘驱动器及接口210
习题211
第8章 输入输出设备及系统212
8.1 输入输出设备概述212
8.1.1 输入输出设备的作用212
8.1.2 输入输出设备的分类212
8.2 显示设备213
8.2.1 显示设备的概念与分类213
8.2.2 CRT显示器214
8.2.3 字符/图形显示设备217
8.2.4 图像显示设备220
8.2.5 液晶显示器220
8.3 输入设备222
8.3.1 图形输入设备222
8.3.2 图像输入设备223
8.3.3 语音输入设备224
8.4 打印设备224
8.4.1 打印设备的分类224
8.4.2 点阵针式打印机224
8.4.3 激光打印机225
8.5 输入输出系统227
8.5.1 输入输出系统概述227
8.5.2 程序查询方式229
8.5.3 程序中断方式230
8.5.4 DMA方式236
8.5.5 通道与外围处理器方式239
8.5.6 通道的流量分析242
8.6 总线243
8.6.1 总线的概念243
8.6.2 总线的连接方式244
8.6.3 总线的内部结构245
8.6.4 总线仲裁245
8.6.5 几种常用的总线结构246
习题251
第9章 高性能计算机体系结构253
9.1 先行控制技术253
9.1.1 重叠控制与先行控制253
9.1.2 先行控制方式中处理器的结构254
9.1.3 先行控制方式中缓冲深度的设计256
9.1.4 数据相关257
9.1.5 控制相关258
9.2 流水线工作原理258
9.2.1 流水线的工作原理及定义259
9.2.2 流水线的分类259
9.3 流水线性能分析261
9.3.1 线性流水线的性能分析262
9.3.2 线性流水线的性能分析举例265
9.3.3 非线性流水线的调度技术简介267
9.4 其他结构的高性能处理器269
9.4.1 超标量处理器269
9.4.2 超流水线处理器270
9.4.3 超标量超流水线处理器271
9.4.4 超长指令字技术272
习题273
参考文献275
