计算机组成与结构

计算机组成与结构是计算机相关专业的重要专业核心课程。本书融合了计算机科学与技术专业的三门核心硬件课程（数字逻辑、计算机组成原理和计算机系统结构）的重要知识点，以数字电路基础、处理器的基本电路模块构成、指令的数据通路和控制逻辑作为本书的讲述主线，全面介绍计算机系统的基本原理、设计方法和实现。全书分为9章，内容包括：计算机系统概述，计算机的数值和编码，计算机芯片的数字电路基础，计算机芯片的基本电路组成，现代处理器基础，现代处理器的高级实现技术，存储系统，I/O系统，多核、多处理器与集群。

桂盛霖，博士，电子科技大学计算机科学与工程学院副教授，主持和参研了多项*、省部级项目和横向项目，是多个学术期刊审稿人，参与建设了一项*和一项省级资源共享课，获计算机学院骨干教学教师计划资助。曾在实时计算、形式化技术、模型驱动技术等方面进行过深入研究，十余篇论文被SCI、EI检索。

第1章 计算机系统概述 1
1.1 引言 1
1.2 现代计算机 5
1.2.1 计算机的分类 5
1.2.2 计算机的组成 6
1.3 计算机的性能 8
1.3.1 什么是性能 9
1.3.2 性能的计算 9
1.3.3 性能的测量 12
1.3.4 性能的改进 13
1.4 课后知识简述 16
1.5 本章小结 17
习题1 17
第2章 计算机的数值和编码 19
2.1 进位计数制 19
2.1.1 二进制和十六进制 19
2.1.2 不同进制间的转换 20
2.2 二进制数的表示和运算 22
2.2.1 二进制数的基本加减法运算 22
2.2.2 二进制数的补码表示法 23
2.2.3 二进制数的加减运算 25
2.2.4 二进制数的乘除法运算 27
2.2.5 二进制数的逻辑运算 28
2.3 浮点数的表示和运算 31
2.3.1 浮点数的表示 31
2.3.2 浮点数的运算 33
2.4 字符的表示 34
2.5 课后知识简述 36
2.6 本章小结 38
习题2 38
第3章 计算机芯片的数字电路基础 39
3.1 逻辑信号与门电路 39
3.2 逻辑代数 42
3.2.1 基本公式 43
3.2.2 基本定理 44
1.2.3 逻辑函数 45
3.2.4 组合电路分析实例 50
3.3 逻辑系列 50
3.3.1 CMOS逻辑 51
3.3.2 TTL逻辑 61
3.4 门电路的代码实现 65
3.5 本章小结 65
习题3 66
第4章 计算机芯片的基本电路组成 67
4.1 组合逻辑电路 67
4.1.1 多路选择器 68
4.1.2 译码器 70
4.1.3 编码器 71
4.1.4 加法器 73
4.1.5 减法器 77
4.1.6 移位器 77
4.1.7 其他组合逻辑电路 79
4.2 时序逻辑电路 80
4.2.1 锁存器和触发器 81
4.2.2 时钟同步时序电路分析 87
4.2.3 通用寄存器的设计和实现 89
4.3 本章小结 89
习题4 90
第5章 现代处理器基础 91
5.1 指令集概述 91
5.1.1 机器指令 92
5.1.2 寄存器 92
5.1.3 寻址方式 94
5.2 MIPS指令集结构 97
5.2.1 MIPS指令格式 97
5.2.2 MIPS地址空间分配 101
5.2.3 对软件的支持 101
5.3 MIPS风格的单周期处理器的设计实现 104
5.3.1 数据通路的基本构成 105
5.3.2 数据通路的设计 110
5.3.3 指令的数据通路分析 116
5.3.4 控制部件设计 121
5.3.5 CPU封装 123
5.3.6 单周期方式的性能分析 124
5.4 异常和中断设计 126
5.4.1 异常和中断的定义与类型 126
5.4.2 响应异常和中断的方式 127
5.4.3 异常和中断管理 129
5.4.4 带有异常和中断处理功能的单周期模型机扩展 131
5.5 课后知识 136
5.6 本章小结 137
习题5 137
第6章 现代处理器的高级实现技术 139
6.1 流水线的基本概念 139
6.2 流水线模型机的基本扩展 141
6.2.1 基本的流水线模型机 141
6.2.2 流水线的分析 149
6.2.3 基本流水线的实现 152
6.3 数据冒险的解决策略 154
6.3.1 寄存器堆的写操作提前半个时钟周期 154
6.3.2 内部前推 155
6.3.3 lw指令的数据冒险 159
6.4 控制冒险的解决策略 161
6.4.1 缩短分支的延迟 161
6.4.2 减少性能损失的其他方法 163
6.5 流水线中的异常和中断 164
6.6 指令集并行的高级实现技术 166
6.6.1 静态多发射处理器 167
6.6.2 动态多发射处理器 169
6.6.3 浮点数流水线的扩展 171
6.7 本章小结 172
习题6 172
第7章 存储系统 175
7.1 引言 175
7.2 Cache 178
7.2.1 Cache的块映射 179
7.2.2 Cache的块查找 180
7.2.3 Cache块的访问 181
7.2.4 Cache的性能分析 183
7.2.5 Cache的实现原理 184
7.3 主存储器 185
7.3.1 主存的结构 185
7.3.2 主存性能指标 187
7.4 虚拟存储器 189
7.4.1 分页机制 189
7.4.2 与Cache的关系 193
7.4.3 对进程的保护 195
7.5 外存储器 196
7.5.1 磁盘存储器 196
7.5.2 快闪式存储器 199
7.6 课后阅读材料 200
7.7 本章小结 201
习题7 201
第8章 I/O系统 203
8.1 I/O设备 203
8.1.1 概述 203
8.1.2 属性指标 204
8.2 I/O互连与总线 206
8.2.1 I/O互连方式 206
8.2.2 总线的分类 208
8.2.3 总线的仲裁 210
8.3 I/O访问 211
8.3.1 I/O接口功能 212
8.3.2 I/O接口控制方式 213
8.4 本章小结 217
习题8 217
第9章 多核、多处理器与集群 219
9.1 概述 219
9.1.1 并行硬件的基本分类 219
9.1.2 常见的并行技术 221
9.1.3 多处理器网络拓扑 223
9.1.3 Cache一致性问题 224
9.2 多核微处理器 225
9.2.1 多核架构 225
9.2.2 多核实例 226
9.3 云计算平台 230
9.3.1 云计算概念 230
9.3.2 云计算服务及部署类型 231
9.3.3 云计算的实现 232
9.4 本章小结 234
习题9 234
参考文献 236

前言

 

电子科技大学于2016年启动了“互联网 ”复合型精英人才培养计划，以“互联网 ”复合培养专业为载体，旨在培养具有良好的人文精神和互联网思维、扎实的数学与自然科学知识、宽厚的移动互联网知识和信息深度分析与应用能力、扎实的“互联网 ”核心知识与能力，以及良好的国际视野和创新能力，面向“互联网 ”国家战略需求的复合型精英人才。本书的参编教师承担了该培养计划中平台核心课程“计算机组成与结构”的建设工作，因此本书也作为该课程的配套教材。

早在2010年，电子科技大学计算机科学与工程学院在全国计算机专业教学改革浪潮中也开始了对计算机科学与技术的硬件系列课程的教学改革，改革内容包括教学思路、内容和教学方法的全面更新。本书的参编教师均为承担相关教学改革研究的一线教师，具有多年的丰富教学经验，取得了较为丰硕的教学成果和教学经验。

本书融合了计算机科学与技术专业的三门核心硬件课程（数字逻辑、计算机组成原理和计算机系统结构）的重要知识点，摈弃了这三门课程传统内容中不太相关的琐碎知识点，引入了的技术知识和数据，以数字电路基础、处理器的基本电路模块构成、指令的数据通路和控制逻辑作为本书的讲述主线，逻辑清晰且自然连贯，再辅以性能计算公式贯穿全书，作为各工作部件优化方案的理论依据，全面介绍了计算机系统中的基本原理、设计方法和实现。

本书在编写过程中还注重对考研要求的相关考点进行尽量多的覆盖，并对处理器的相关章节从基本原理到设计方法再到代码实现的完整过程进行了系统性的详细讲述。在正文中还穿插了“快速练习”等提示，提示读者进行进一步的思考。部分章节还配有课后阅读材料，对正文中的相关内容进行补充或进一步的解释。

作者充分查阅和对比了目前国内外主流组成原理类和系统结构类教材以及相关材料，进行了多方面的研讨，从而确定了内容的编排和编写的分工。除了教学工作外，作者还承担了繁重的科研工作，因此，书中难免出现疏漏和错误，恳请读者理解和海涵。

教材的内容

全书共9章，其中第1章、第3章、第4章、第6章、7.2节和7.4节由桂盛霖编写，第5章、第7章剩余部分以及第8章由陈爱国编写，第2章和第9章由肖堃编写。全书由桂盛霖负责统稿。

本书的内容包括数字逻辑、计算机组成原理和系统结构三个方面的内容，围绕现代处理器的设计方法和过程进行了系统阐述，具体内容如下：

第1章介绍计算机系统技术的历史、现状、发展趋势，芯片的主要制造过程，现代计算机系统的内部构成，计算机系统的性能指标及计算公式。

第2章介绍计算机系统中常用的几种进位计数制，不同进位计数制之间的转换计算方法，二进制整数的表示方法和运算规则，浮点数的表示和规格化的存储方式，以及数据校验的原理。

第3章介绍数字电路的基本门电路的逻辑功能，逻辑代数的基本公式和基本定理，逻辑函数标准形式，逻辑电路的化简方法以及数字电路两种逻辑系列的实现机制。

第4章介绍多路选择器、译码器、编码器、加法器、减法器、移位器等的功能、输入/输出接口、内部实现的电路图及代码，以及Sn-Rn锁存器和触发器的原理与实现，给出了时钟同步时序电路的功能分析方法和寄存器的设计与实现方法。

第5章介绍处理器中指令的格式、寻址方式、寄存器、地址空间分配，对软件三个方面的重要支持，MIPS风格的单周期模型机的设计和实现过程，处理器的异常和中断概念及其处理机制。

第6章介绍流水线的基本概念，单周期模型机的流水线扩展，解决结构冒险、数据冒险和控制冒险的策略与实现，以及两类更先进的指令级并行的流水线架构。

第7章介绍存储器的分类和存储系统的层次结构，包括Cache、主存、虚拟存储器、外存和ROM的工作机制与性能指标。

第8章介绍I/O设备的相关概念及属性指标，总线的概念和分类，总线仲裁的原理和方式，I/O接口的功能、结构、编址和访问方式，以及三类常见的I/O数据传送控制方式。

第9章讨论并行硬件的基本分类，常见的并行技术，多处理器的互连方式，Cache一致性问题，以及多核微处理器和云平台的架构。

由于作者水平有限，成稿时间较短，书中难免有错误和不当之处，恳请各位专家和广大读者批评指正，我们不胜感激。如有问题请直接与作者邮件联系：[email protected]。

致谢

本书在编写过程中得到了电子科技大学教务处、“互联网 ”专业和计算机科学与工程学院的相关领导和老师的大力支持和鼓励，还有电子工业出版社对本教材出版工作的积极配合和辛勤工作，在此一并表示诚挚的谢意。

此外还感谢实验室裴亚琳、方丹、刘一飞等研究生在教材配图和习题等方面的制作和整理。

 

作  者

于电子科技大学