目录

第1章计算机概论1

1.1计算机及其发展1

1.1.1计算机发展史1

1.1.2中国计算机发展史4

1.1.3计算机的分类6

1.1.4计算机的应用领域8

1.2冯·诺依曼计算机及系统组成10

1.2.1冯·诺依曼计算机的特点10

1.2.2计算机硬件系统11

1.2.3计算机软件系统12

1.2.4计算机硬件与软件的关系13

1.3计算机系统的基本概念13

1.3.1计算机系统中的层次概念13

1.3.2计算机体系结构15

1.3.3存储程序计算机体系结构及其发展15

1.3.4计算机实现技术及其发展16

1.4计算机性能评价指标17

1.4.1机器字长17

1.4.2存储容量18

1.4.3网络带宽19

1.4.4运算速度20

1.4.5兼容性21

课后习题21

参考答案21

第2章数字逻辑基础和计算机中的数据表示23

2.1进位记数制及其相互转换23

2.1.1进位记数制23

2.1.2进位制之间的相互转换252.1.3BCD码27

2.2逻辑代数、逻辑函数和门电路基础29

2.2.1逻辑代数基础29

2.2.2真值表与逻辑函数的标准形式31

2.2.3逻辑函数的代数化简方法34

2.2.4逻辑函数的卡诺图化简法35

2.2.5逻辑门电路37

2.3组合逻辑电路40

2.3.1组合电路分析40

2.3.2组合电路设计42

2.3.3组合电路的冒险与竞争43

2.4触发器45

2.4.1RS触发器45

2.4.2主从JK触发器47

2.4.3T型触发器49

2.4.4维持阻塞D型触发器50

2.4.5触发器应用举例51

2.5时序逻辑电路分析与设计52

2.5.1同步时序电路分析52

2.5.2同步时序电路设计54

2.5.3异步时序电路分析57

2.5.4异步时序电路设计59

2.5.5时序电路的冒险与竞争60

2.6计算机中数值数据的表示62

2.6.1真值与机器码62

2.6.2原码表示法62

2.6.3反码表示法63

2.6.4补码表示法63

2.6.5移码表示法64

2.6.6原码、反码、补码的相互转换65

2.7定点数和浮点数65

2.7.1定点数的表示65

2.7.2浮点数的表示67

2.7.3IEEE 754浮点数标准69

2.8计算机中非数值数据的表示70

2.8.1ASCII码70

2.8.2Unicode码72

2.8.3汉字国标码GB 2312—1980、区位码72

2.8.4汉字的内码、外码和汉字点阵显示73

2.8.5校验码74

课后习题78

参考答案79

第3章运算方法与运算器83

3.1二进制补码加减法原理及逻辑实现83

3.1.1补码加法运算83

3.1.2补码减法运算84

3.1.3二进制溢出判别方法及逻辑实现85

3.2二进制定点原码乘法和补码乘法的逻辑实现87

3.2.1原码一位乘法87

3.2.2原码两位乘法88

3.2.3补码一位乘法90

3.2.4补码两位乘法93

3.2.5补码乘法器的逻辑实现和阵列乘法器94

3.3二进制定点原码除法和补码除法的逻辑实现95

3.3.1原码恢复余数法95

3.3.2原码加减交替法96

3.3.3补码加减交替法97

3.3.4补码除法器逻辑实现和阵列除法器98

3.4浮点数的运算方法100

3.4.1浮点加法和减法100

3.4.2浮点乘法运算101

3.4.3浮点除法运算102

3.5运算器电路103

3.5.1加法器103

3.5.2减法器105

3.5.3比较器105

3.5.4算术逻辑单元106

3.5.5移位器和循环移位器106

3.6算术逻辑运算的硬件实现108

3.6.174LS181算术逻辑单元的工作原理108

3.6.274LS181功能测试109

课后习题109

参考答案110

第4章系统总线112

4.1总线的基本概念112

4.2总线的特性及性能指标113

4.2.1总线的特性113

4.2.2总线的性能指标114

4.2.3总线的标准115

4.3总线的结构117

4.3.1单总线结构117

4.3.2多总线结构117

4.3.3高性能总线结构119

4.4总线操作119

4.4.1总线判优控制119

4.4.2总线通信控制121

4.5目前常用总线介绍124

4.5.1USB总线124

4.5.2FireWire总线126

4.5.3TypeC总线129

4.5.4Apple Lightning总线131

4.5.5Thunderbolt技术131

课后习题132

参考答案133

第5章存储系统136

5.1计算机存储系统的层次结构136

5.1.1存储器的层次结构136

5.1.2存储器的分类137

5.2半导体存储器139

5.2.1半导体存储器分类139

5.2.26管静态存储器的工作原理140

5.2.34管动态存储器的工作原理140

5.2.4单管动态随机存储器的工作原理143

5.2.5只读存储器的工作原理143

5.2.6存储器的扩展方式144

5.2.7存储器与CPU的连接147

5.2.8提高访存速度的措施148

5.3相联存储器153

5.3.1相联存储器的工作原理154

5.3.2相联存储器的操作155

5.4高速缓存存储器Cache156

5.4.1Cache的工作机制157

5.4.2Cache的映射方法158

5.4.3Cache的替换算法162

5.4.4Cache的回写策略162

5.5辅助存储器163

5.5.1磁记录原理和记录方式163

5.5.2磁盘设备164

5.5.3磁盘冗余阵列165

5.5.4磁带设备168

5.5.5光盘设备169

5.5.6NAND Flash171

5.5.7SSD存储器172

课后习题174

参考答案176

第6章指令系统181

6.1指令系统的发展181

6.2指令系统的概念及分类182

6.2.1指令系统的介绍182

6.2.2指令的分类183

6.3指令格式183

6.3.1指令格式设计原则184

6.3.2指令的基本格式184

6.3.3指令格式举例186

6.4寻址方式188

6.4.1指令寻址188

6.4.2数据寻址189

6.5指令系统的设计192

6.5.1CISC指令集结构的功能设计193

6.5.2RISC指令集结构的功能设计195

6.5.3控制指令功能设计196

6.5.4指令集格式的设计198

6.6CISC指令集和RISC指令集比较200

6.7主流指令集203

6.7.1X86指令集203

6.7.2ARM指令集205

6.7.3RISCV指令集208

6.8国产CPU采用的指令集212

6.8.1LoongArch指令集212

6.8.2申威指令集215

课后习题217

参考答案218

第7章中央处理器224

7.1CPU结构和功能224

7.1.1CPU的功能224

7.1.2CPU结构框图225

7.1.3CPU中的主要寄存器225

7.2指令周期227

7.2.1指令周期的基本概念227

7.2.2非访问内存指令的指令周期228

7.2.3直接访问内存指令的指令周期229

7.2.4间接访问内存指令的指令周期230

7.2.5程序控制指令的指令周期231

7.2.6用RTL语言表示指令周期232

7.2.7指令周期的数据流234

7.2.8典型指令执行过程分析237

7.3控制器的功能及其设计思路238

7.3.1控制器的功能及结构框图238

7.3.2控制方式及时序部件240

7.3.3中断系统244

7.4组合逻辑控制器的实现方式246

7.5微程序控制器的工作原理及实现250

7.5.1微命令和微操作250

7.5.2微指令和微程序251

7.5.3微程序控制原理框图252

7.5.4微程序设计技术254

7.6CPU多核的工作原理257

7.6.1多核CPU所使用的技术258

7.6.2ARM架构多核CPU的工作原理260

7.6.3NVIDIA GPU262

7.7国产化CPU的功能特点264

课后习题266

参考答案268

第8章输入/输出设备271

8.1输入/输出系统的功能和构成271

8.1.1输入/输出系统的发展概况271

8.1.2输入/输出系统的组成272

8.2常用的输入/输出设备273

8.2.1输入设备273

8.2.2输出设备276

8.2.3其他I/O设备277

8.3I/O接口277

8.3.1接口的功能及组成278

8.3.2接口类型279

8.3.3I/O端口的编址280

8.4程序查询方式280

8.4.1程序查询流程281

8.4.2程序查询方式的接口电路282

8.5中断方式282

8.5.1中断的概念282

8.5.2I/O中断的产生283

8.5.3程序中断方式的接口284

8.5.4程序中断工作流程285

8.5.5中断服务程序的流程286

8.6DMA方式286

8.6.1DMA方式的特点287

8.6.2DMA接口的功能和组成287

8.6.3DMA的工作过程289

8.6.4DMA接口的类型292

课后习题293

参考答案294