计算机组成原理pdf

计算机组成原理 内容简介

《计算机科学丛书：计算机组成原理》其分三部分。第一部分从计算机组成和结构的有关概念、计算机的发展历程及存储程序计算机开始讲起，介绍了计算机系统的组成和体系结构的基本概念，然后讨论了数据在计算机中的表示方法和运算方法。第二部分讲解ISA的基本概念，并以ARM指令集为例介绍了ISA设计时需要考虑的主要问题，还介绍了另一个经典的RISC指令集MIPS，然后着重介绍了当前处理器为特定领域应用（比如多媒体应用）提供的支持。第三部分首先介绍了设计控制器的两种经典方法——微程序与组合逻辑，然后详细讨论了流水线技术、影响流水线性能的因素及一些可行的解决方法。

《计算机科学丛书：计算机组成原理》适合计算机科学、电子工程、电子与计算机工程及相关专业作为教学用书，也可供相关技术人员阅读参考。

计算机组成原理 目录

第一部分 起始篇

第1章 计算机系统体系结构

1.1什么是计算机系统体系结构

1.2体系结构和组成

1.2.1计算机系统和技术

1.2.2计算机体系结构在计算机科学中的地位

1.3计算机的发展

1.3.1机械计算机

1.3.2机电式计算机

1.3.3早期的电子计算机

1.3.4微机和PC革命

1.3.5摩尔定律和进步的历程

1.3.6存储技术发展

1.3.7普适计算

1.3.8多媒体计算机

1.4存储程序计算机

1.4.1问题描述

1.4.2解决方法

1.4.3构造一个算法

1.4.4计算机需要通过什么来解决问题

1.4.5存储器

1.5存储程序的概念

1.6计算机系统概览

1.6.1存储层次

1.6.2总线

1.7现代计算

本章小结

习题

第2章 计算机算术

2.1数据是什么

2.1.1位与字节

2.1.2位模式

2.2数字

2.2.1位置记数法

2.3.二进制运算

2.4有符号整数

2.4.1符号及值表示法

2.4.2二进制补码运算

2.5乘除法简介

2.5.1移位运算

2.5.2无符号二进制乘法

2.5.3快速乘法

2.5.4除法

2.6浮点数

2.6.1 IEEE浮点数

2.7浮点运算

2.8浮点运算和程序员

2.8.1浮点运算中的误差传播

2.8.2生成数学函数

本章小结

习题

第二部分 指令集体系结构

第3章 体系结构与组成

3.1存储程序计算机

3.1.1扩展处理器：常量处理

3.1.2扩展处理器：流控制

3.2 1SA的组成

3.2.1寄存器

3.2.2寻址方式概述

3.2.3指令格式

3.2.4操作码与指令

3.3 ARM指令集体系结构

3.3.1 ARM寄存器集

3.3.2 ARM指令集

3.4 ARM汇编语言

3.4.1 ARM程序结构

3.4.2汇编器的实际考虑因素

3.4.3伪指令

3.5 ARM数据处理指令

3.5.1算术指令

3.5.2位操作

3.5.3移位操作

3.5.4指令编码——洞察ARM体系结构

3.6 ARM的流控制指令

3.6.1无条件分支

3.6.2条件分支

3.6.3测试与比较指令

3.6.4分支与循环结构

3.6.5条件执行

3.7 ARM寻址方式

3.7.1立即数寻址

3.7.2寄存器间接寻址

3.7.3带偏移量的寄存器间接寻址

3.7.4 ARM的自动前索引寻址方式

3.7.5 ARM的自动后索引寻址方式

3.7.6程序计数器相对寻址

3.7.7 ARM的load与store指令编码

3.8子程序调用与返回

3.8.1 ARM对子程序的支持

3.8.2条件子程序调用

3.9 ARM代码实例

3.9.1计算绝对值

3.9.2字节操作与拼接

3.9.3字节逆转

3.9.4乘以2n-1或2n＋1

3.9.5多条件的使用

3.9.6只用一条指令

3.9.7实现多段程序

3.9.8简单位级逻辑操作

3.9.9十六进制字符转换

3.9.10输出十六进制字符

3.9.11打印横幅

3.10子程序与栈

3.10.1子程序调用与返回

3.10.2子程序嵌套

3.10.3叶子程序

3.11数据的大小与排列

3.11.1数据组织与端格式

3.11.2数据组织和ARM

3.11.3块移动指令

3.12整合——将所有内容放在一起

本章小结

习题

第4章 指令集体系结构——广度和深度

4.1数据存储和栈

4.1.1存储和栈

4.1.2通过栈传递参数

4.2特权模式和异常

4.3 MIPS：另一种RISC

4.3.1 MIPS数据处理指令

4.4数据处理与数据传送

4.4.1不可见的交换指令

4.4.2双精度移位

4.4.3压缩和解压缩指令

4.4.4边界测试

4.4.5位字段数据

4.4.6循环

4.5存储器间接寻址

4.6压缩代码、RISC、 Thumb和MIPS 16

4.6.1 Thumb指令集体系结构

4.6.2 MIPS 16

4.7变长指令

本章小结

习题

第5章 计算机体系结构与多媒体

5.1高性能计算应用

5.1.1图像处理

5.2多媒体的影响——重新使用ClSC

5.3 SIMD处理简介

5.3.1 SIMD技术的应用

5.4流扩展和SIMD技术的发展

5.4.1浮点软件扩展

5.4.2 Intel的第三层多媒体扩展

5.4.3 Intel SSE3和SSE4指令

5.4.4 ARM系列处理器的多媒体指令

本章小结

习题

第三部分 组成和效能

第6章 处理器控制

6.1通用数字处理器

6.1.1微程序

6.1.2生成微操作

6.2 RISC的组成

6.2.1寄存器-寄存器数据通路

6.2.2单周期直通计算机的控制

6.3流水线简介

6.3.1加速比

6.3.2实现流水线

6.3.3冒险

6.4分支和分支开销

6.4.1分支方向

6.4.2流水线中分支的影响

6.4.3分支开销

6.4.4延迟分支

6.5分支预测

6.6动态分支预测

6.6.1分支目标缓冲

6.6.2两级分支预测

本章小结

习题

参考文献

计算机组成原理 精彩文摘

21世纪是科学和技术奇迹频出的时代。计算机已经做到了人们期望它做到的一切——甚至更多。生物工程解开了细胞的秘密，使科学家能够合成10年前无法想象的新药。纳米技术让人们有机会窥探微观世界，将计算机革命与原子工程结合在一起创造出的纳米机器人，也许有一天能够植人人体，修复人体内部的创伤。普适计算带来了手机、MP3播放器和数码相机，使人们彼此之间能够通过Internet保持联系。计算机是几乎所有现代技术的核心。本书将阐述计算机是如何工作的。

从20世纪50年代起大学就开始教授这门被称为计算的学科了。一开始，大型机主导了计算，这个学科包括对计算机本身、控制计算机的操作系统、语言和它们的编译器、数据库以及商业计算等的研究。此后，计算的发展呈指数增长，到现在已包含多个不同的领域，任何一所大学都不可能完全覆盖这些领域。人们不得不将注意力集中在计算的基本要素上。这一学科的核心在于机器本身：计算机。当然，作为一个理论概念，计算可以脱离计算机而独立存在。实际上，在20世纪三四十年代计算机革命开始之前，人们已经进行了相当多的关于计算机的科学理论基础的研究工作。然而，计算在过去40年里的发展方式与微处理器的崛起紧密联系在一起。如果人们无法拥有价格非常便宜的计算机，Internet也无法按照它已有的轨迹取得成功。

由于计算机本身对计算的发展及其发展方向产生了巨大影响，在计算的课程体系中包含一门有关计算机如何工作的课程是非常合理的。大学里计算机科学或计算机工程方向的培养方案中都会有这样一门课程。实际上，专业和课程的认证机构都将计算机体系结构作为一项核心要求。比如，计算机体系结构就是IEEE计算机协会和ACM联合发布的计算学科课程体系的中心内容。

介绍计算机具体体现与实现的课程有各种各样的名字。有人将它们叫作硬件课，有人管它们叫作计算机体系结构，还有人把它们叫作计算机组成（以及它们之间的各种组合）。本书用计算机体系结构表示这门研究计算机设计方法和运行方式的课程。当然，我会解释为什么这门课程有那么多不同的名字，并会指出可以用不同的方式来看待计算机。

与计算机科学的所有领域一样，计算机体系结构也随着指令集设计、指令级并行（ILP）、Cache缓存技术、总线系统、猜测执行、多核计算等技术的发展而飞速进步。本书将讨论所有这些话题。

计算机体系结构是计算机科学的基石。例如，计算机性能在今天的重要性超过了以往任何时候，为了做出最佳选择，即便是那些购买个人电脑的用户也必须了解计算机系统的结构。

尽管绝大多数学生永远不会设计一台新的计算机，但今天的学生却需要比他们的前辈更全面地了解计算机。虽然学生们不必是合格的汇编语言程序员，但他们一定要理解总线、接口、Cache和指令系统是如何决定计算机系统的性能的。

而且，理解计算机体系结构会使学生能够更好地学习计算机科学的其他领域。例如，指令系统的知识就能使学生更好地理解编译器的运行机制。