目　录

第 1章　计算机系统概述　1
1.1　计算机系统的基本组成及其层次结构　1
1.2　计算机硬件系统的五个功能部件及其功能　4
1.3　计算机系统主要的技术与性能指标　6
1.4　计算机的体系结构、组成和实现概述　9
1.5　计算机发展进步、分类与拓展应用的进程　10
本章小结　13
习题与思考题　13

第 2章　数字电路和逻辑设计基础　15
2.1　数字电路基础　15
2.1.1　半导体材料和二极管简介　15
2.1.2　三极管的结构及其伏安特性　16
2.1.3　应用举例　18
2.2　布尔代数知识基础和基本逻辑门　18
2.2.1　布尔代数基础知识　18
2.2.2　基本的逻辑门电路　21
2.3　常用的组合逻辑、时序逻辑器件及其应用　22
2.3.1　组合逻辑电路　22
2.3.2　时序逻辑电路　25
2.3.3　应用举例　27
2.4　可编程器件及其编程概述　29
2.4.1　可编程器件概述　29
2.4.2　可编程器件的功能设计与VHDL语言简介　32
本章小结　36
习题与思考题　37

第3章　数据表示和数据运算算法　38
3.1　数字化信息编码的概念和二进制编码知识　38
3.1.1　数字化信息编码的概念　38
3.1.2　二进制编码和码制转换　39
3.2　数据表示——常用的信息编码　44
3.2.1　逻辑类型数据的表示　44
3.2.2　字符类型数据的表示　44
3.2.3　多媒体信息的概述及其计算机表示　46
3.2.4　数值类型数据的表示　48
3.3　二进制数值数据的编码方案与运算算法　52
3.3.1　原码、反码、补码的定义　52
3.3.2　补码加、减运算规则和电路实现　56
3.3.3　原码一位乘法、除法的实现方案　58
3.4　检错纠错码　64
3.4.1　码距　64
3.4.2　三种常见的校验码　65
本章小结　69
习题与思考题　69

第4章　计算机的运算器部件　71
4.1　算术逻辑运算单元的线路实现　72
4.2　计算机的定点运算器　75
4.2.1　定点运算器的功能、组成与控制　75
4.2.2　示例计算机的运算器部件的功能、组成与实现　76
4.2.3　MIPS计算机多周期CPU系统中的运算器部件的功能与组成　80
4.3　浮点运算与浮点运算器　82
4.3.1　浮点数的运算规则　82
4.3.2　浮点运算器举例　88
4.4　提高运算器部件处理能力的可行途径　89
4.4.1　计算机性能的提高和并行性发展概述　89
4.4.2　提高计算机运算器处理能力的可行途径　90
本章小结　91
习题与思考题　91

第5章　指令系统和汇编语言程序设计　93
5.1　指令格式和指令系统概述　93
5.1.1　操作码的组织与编码　94
5.1.2　有关操作数的个数、来源、去向和地址安排　95
5.1.3　指令的分类　96
5.2　基本寻址方式概述　98
5.3　指令系统举例　100
5.3.1　MIPS计算机的指令系统　100
5.3.2　TH_FPGA示例计算机的指令系统　101
5.4　计算机的汇编语言程序设计　104
5.4.1　汇编语言程序设计中的有关概念　104
5.4.2　示例计算机的汇编语言程序设计举例　107
本章小结　109
习题与思考题　110

第6章　计算机的控制器部件　111
6.1　控制器的功能、组成与指令执行步骤概述　111
6.1.1　控制器部件的功能和组成概述　111
6.1.2　指令的执行步骤概述　112
6.2　硬连线控制器部件　114
6.2.1　硬连线控制器的组成和运行原理简介　114
6.2.2　TH_FPGA示例计算机系统的硬连线控制器部件　116
6.2.3　MIPS计算机的控制器部件　128
6.3　微程序的控制器部件　133
6.3.1　微程序控制器的基本组成和运行原理简介　133
6.3.2　微程序设计中的下地址形成逻辑和微程序设计　135
6.4　指令流水线的概念和实现技术　137
6.4.1　流水线的基本概念和主要性能指标　137
6.4.2　指令流水线中的相关问题及其解决思路　139
6.4.3　TH_FPGA系统中的指令流水线方案　140
6.4.4　指令级并行技术　145
本章小结　147
习题与思考题　147

第7章　多级存储器系统　149
7.1　存储系统概述　149
7.1.1　存储器分类　149
7.1.2　存储器系统设计目标和存储体系的实现　150
7.2　存储器芯片　151
7.2.1　基本存储位　151
7.2.2　存储器芯片的组成　153
7.2.3　只读存储器　154
7.3　主存储器　155
7.3.1　主存储器概述　155
7.3.2　示例计算机的主存储器组成和设计　159
7.4　高速缓冲存储器　162
7.4.1　cache的基本结构和运行原理　163
7.4.2　主存与cache的地址映射　164
7.4.3　cache的命中率、写入与替换策略　168
7.5　外部存储器设备　170
7.5.1　外部存储设备概述　170
7.5.2　磁记录原理与记录方式　171
7.5.3　硬磁盘设备　172
7.5.4　光盘设备　174
7.5.5　U盘简介　177
7.6　虚拟存储器　179
7.6.1　虚拟存储器概述　179
7.6.2　段式虚拟存储器　180
7.6.3　页式虚拟存储器　182
7.6.4　段页式虚拟存储器　183
本章小结　185
习题与思考题　185

第8章　总线与输入/输出系统　188
8.1　总线　188
8.1.1　总线概述　188
8.1.2　总线结构　191
8.1.3　总线控制　192
8.1.4　总线举例　196
8.2　输入/输出系统　199
8.2.1　输入/输出系统概述　199
8.2.2　输入/输出设备　200
8.2.3　输入/输出接口　211
8.2.4　输入/输出控制方式　216
本章小结　222
习题与思考题　222

第9章　并行计算机体系结构　224
9.1　基础知识与基本概念　224
9.1.1　计算机体系结构的分类　224
9.1.2　并行计算机系统的性能问题　225
9.1.3　并行计算机系统的软件技术　228
9.2　SIMD计算机简介　230
9.3　基于共享内存的多处理机系统　231
9.3.1　一致性内存访问的UMA多处理机系统　232
9.3.2　非一致性内存访问的NUMA多处理机系统　233
9.3.3　仅高速缓存访问的COMA多处理机系统　234
9.4　基于消息传递的多计算机系统　234
9.4.1　大规模并行处理机　236
9.4.2　工作站集群　236
本章小结　237
习题与思考题　237

参考文献　239