計(jì)算機(jī)組成原理

前言

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的一門(mén)核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。從課程地位來(lái)說(shuō)，它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用?！坝?jì)算機(jī)組成原理”講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理，課程教學(xué)具有知識(shí)面廣、內(nèi)容多、難度大、更新快等特點(diǎn)。另一方面，體現(xiàn)課程特點(diǎn)的教材對(duì)于提高教學(xué)水平，培養(yǎng)人才質(zhì)量起著十分重要的作用。作者認(rèn)為，一本好的“計(jì)算機(jī)組成原理”教材主要應(yīng)具備：(1)基礎(chǔ)性強(qiáng)，知識(shí)結(jié)構(gòu)合理，為學(xué)生建立終生知識(shí)體系打下良好基礎(chǔ)；(2)系統(tǒng)性強(qiáng)，知識(shí)模塊彼此交互，使學(xué)生能清晰地建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念；(3)時(shí)代性強(qiáng)，及時(shí)反映前沿方向，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的需要；(4)實(shí)踐性強(qiáng)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，注重學(xué)生的智力開(kāi)發(fā)和能力培養(yǎng)；(6)啟發(fā)性強(qiáng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)?！队?jì)算機(jī)組成原理》第三版于2002年由科學(xué)出版社出版發(fā)行，全國(guó)有390多所院校用作本科生教材，也有不少省市用作成人教育教材?；厥紫艢q月，本書(shū)第三版在人才培養(yǎng)中發(fā)揮了一定的作用，同行們給予了充分肯定，這是作者感到聊以自慰的。根據(jù)作者們多年從事“計(jì)算機(jī)組成原理”課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，從傳授知識(shí)和培養(yǎng)能力的目標(biāo)出發(fā)，并結(jié)合本課程教學(xué)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和要點(diǎn)，這次新版教材編寫(xiě)中又進(jìn)行了課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，使文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題庫(kù)、試題庫(kù)、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)綜合配套，力求形成“理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)”三個(gè)過(guò)程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。理論教學(xué)計(jì)劃64學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)單獨(dú)安排。成人教育中采用本教材的院校、非計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中采用本教材替代“微機(jī)原理”課程的院校，可根據(jù)各校情況調(diào)整學(xué)時(shí)或刪減教學(xué)內(nèi)容。理論授課學(xué)時(shí)建議：第一章3（學(xué)時(shí)，下同），第二章10，第三章10，第四章4，第五章12，第六章5，第七章4，第八章6．第九章4，第十章6。楊春武、靳秀國(guó)、楊秦、于艷麗、馮一兵、祁之力、王軍德、覃健誠(chéng)、倪輝、劉俊榮、張振華、宗華麗、李嬌嬌、王曉梅、胡文發(fā)、李貞、王坤山、肖煒、崔洪浚、高明、常培、張果桃、趙玉霞、郝靜、蘇飛、昊璇、楊光輝、楊孟柯等參與了第四版文字教材、CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題庫(kù)、試題庫(kù)、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)等的編寫(xiě)和研制工作，限于版面，未能在封面上一一署名。本書(shū)由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系楊士強(qiáng)教授主審。清華大學(xué)科教儀器廠李鴻儒教授、深圳艾雷斯科技有限公司張盛容總工為本書(shū)的出版給予了大力幫助?？茖W(xué)出版社陸新民責(zé)編為本書(shū)的出版付出了心血。在此，作者一并向他們表示衷心感謝。

內(nèi)容概要

本書(shū)講授計(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理。內(nèi)容分12章：（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論，（2）運(yùn)算方法和運(yùn)算器，（3）存儲(chǔ)系統(tǒng)，（4）指令系統(tǒng)，（5）中央處理機(jī)，（6）總線系統(tǒng)，（7）外圍設(shè)備，（8）輸入輸出系統(tǒng)，（9）操作系統(tǒng)支持，（10）安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)，（11）教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，（12）課程綜合設(shè)計(jì)。    本書(shū)是作者對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行綜合改革的具體成果。     本書(shū)特色在于將基礎(chǔ)性、時(shí)代性、系統(tǒng)性、實(shí)踐性、實(shí)用性融為一體，文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫(kù)、自測(cè)試題庫(kù)、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)綜合配套，形成“理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)”三個(gè)過(guò)程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。全書(shū)文字流暢，通俗易懂，有廣泛的適應(yīng)面，是大專院校計(jì)算機(jī)系的教材，也可作為成人自學(xué)考試和全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試NCRE（四級(jí)）用書(shū)。 　　本書(shū)第三版獲2002年教育部全國(guó)優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)，2005年國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。第四版是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。

作者簡(jiǎn)介

白中英，甘肅省永靖縣人?，F(xiàn)任北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。
　  在工程和科學(xué)研究中，“622小型通用計(jì)算機(jī)”獲1978年全國(guó)科學(xué)大會(huì)重大成果獎(jiǎng)，1項(xiàng)成果獲國(guó)家級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，1項(xiàng)成果獲全國(guó)發(fā)明展銀質(zhì)獎(jiǎng)，5項(xiàng)成果獲部級(jí)科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)，1項(xiàng)成果

書(shū)籍目錄

第四版前言第一章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論　1.1　計(jì)算機(jī)的分類　1.2　計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史　1.3　計(jì)算機(jī)的硬件　1.4　計(jì)算機(jī)的軟件　1.5　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)　本章小結(jié)　習(xí)題第二章　運(yùn)算方法和運(yùn)算器　2.1　數(shù)據(jù)與文字的表示方法　2.2　定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算　2.3　定點(diǎn)乘法運(yùn)算　2.4　定點(diǎn)除法運(yùn)算　2.5　定點(diǎn)運(yùn)算器的組成　2.6　浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器　本章小結(jié)　習(xí)題第三章　內(nèi)部存儲(chǔ)器　3.1　存儲(chǔ)器概述　3.2　SRAM存儲(chǔ)器　3.3　DRAM存儲(chǔ)器　3.4　只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器　3.5　并行存儲(chǔ)器　3.6　cache存儲(chǔ)器　本章小結(jié)　習(xí)題第四章　指令系統(tǒng)　4.1　指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求　4.2　指令格式　4.3　操作數(shù)類型　4.4　指令和數(shù)據(jù)的尋址方式　4.5　典型指令　本章小結(jié)　習(xí)題第五章　中央處理機(jī)　5.1　CPU的功能和組成　5.2　指令周期　5.3　時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式　5.4　微程序控制器　5.5　硬連線控制器　5.6　傳統(tǒng)CPU　5.7　流水CPU　5.8　RISC CPU　5.9　多媒體CPU　本章小結(jié)　習(xí)題第六章　總線系統(tǒng)　6.1　總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)　6.2　總線接口　6.3　總線的仲裁　6.4　總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式　6.5　HOST總線和PCI總線　6.6　InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)　本章小結(jié)　習(xí)題第七章　外圍設(shè)備　7.1　外圍設(shè)備概述　7.2　磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備　7.3　磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展　7.4　磁帶存儲(chǔ)設(shè)備　7.5　光盤(pán)和磁光盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備　7.6　顯示設(shè)備　7.7　輸入設(shè)備和打印設(shè)備　本章小結(jié)　習(xí)題第八章　輸入輸出系統(tǒng)　8.1　外圍設(shè)備的速度分級(jí)與信息交換方式　8.2　程序查詢方式　8.3　程序中斷方式　8.4　DMA方式　8.5　通道方式　8.6　通用I/O標(biāo)準(zhǔn)接口　本章小結(jié)　習(xí)題第九章　操作系統(tǒng)支持　9.1　操作系統(tǒng)概述　9.2　調(diào)度　9.3　存儲(chǔ)管理　9.4　虛擬存儲(chǔ)器　9.5　存儲(chǔ)保護(hù)　9.6　奔騰系列機(jī)的虛存組織　本章小結(jié)　習(xí)題第十章　安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)　10.1　高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變　10.2　安騰體系結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思想　10.3　安騰指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　10.4　指令級(jí)并行機(jī)制　10.5　雙核安騰處理機(jī)的組成　本章小結(jié)　習(xí)題第十一章　教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)　11.1　教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器與測(cè)試工具　11.2　TEC-5實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)　11.3　運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)　11.4　雙端口存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)　11.5　數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)　11.6　微程序控制器實(shí)驗(yàn)　11.7　CPU組成與指令周期實(shí)驗(yàn)第十二章　課程綜合設(shè)計(jì)　12.1　使用硬連線控制器的CPU設(shè)計(jì)　12.2　多功能ALU設(shè)計(jì)　12.3　含有陣列乘法器的ALU設(shè)計(jì)　12.4　RAM故障診斷設(shè)計(jì)附錄A　《計(jì)算機(jī)組成原理》（第四版·立體化教材）配套教材與教學(xué)設(shè)備附錄B　“計(jì)算機(jī)組成原理”國(guó)家級(jí)精品課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第一章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同于一般的電子設(shè)備，它是一個(gè)由硬件、軟件組成的復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備。本章先說(shuō)明計(jì)算機(jī)的分類，然后采用自上而下的方法，簡(jiǎn)要地介紹硬件、軟件的概念和組成，目的在于使讀者先有一個(gè)粗略的總體概念，以便于展開(kāi)后續(xù)各章內(nèi)容。1.1　計(jì)算機(jī)的分類電子計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類。一類是電子模擬計(jì)算機(jī)?！澳M”就是相似的意思，例如計(jì)算尺是用長(zhǎng)度來(lái)標(biāo)示數(shù)值；時(shí)鐘是用指針在表盤(pán)上轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)表示時(shí)間；電表是用角度來(lái)反映電量大小，這些都是模擬計(jì)算裝置。模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來(lái)表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的。另一類是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，它是在算盤(pán)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是用數(shù)目字來(lái)表示數(shù)量的大小。數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算，并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。表1.1列出了電子數(shù)字計(jì)算機(jī)與電子模擬計(jì)算機(jī)的主要區(qū)別。電子模擬計(jì)算機(jī)由于精度和解題能力都有限，所以應(yīng)用范圍較小。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)則與模擬計(jì)算機(jī)不同，它是以近似于人類的“思維過(guò)程”來(lái)進(jìn)行工作的，所以有人把它叫做電腦。它的發(fā)明和發(fā)展是20世紀(jì)人類最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的主要標(biāo)志。習(xí)慣上所稱的電子計(jì)算機(jī)，一般是指現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)一步又可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。專用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分的。專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)性很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。通用計(jì)算機(jī)可分超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型機(jī)、服務(wù)器、工作站、微型機(jī)和單片機(jī)六類，它們的區(qū)別在于體積、簡(jiǎn)易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格，見(jiàn)圖1.1。一般來(lái)說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，其運(yùn)算速度在每秒萬(wàn)億次以上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量很大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。而單片計(jì)算機(jī)是只用一片集成電路做成的計(jì)算機(jī)，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能指標(biāo)較低，價(jià)格便宜。介于超級(jí)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的是大型機(jī)、服務(wù)器、工作站和微型機(jī)，它們的結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標(biāo)依次遞減。但是隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，微型機(jī)、工作站等彼此之間的概念也在發(fā)生變化，因?yàn)榻裉斓墓ぷ髡究赡芫褪敲魈斓奈⑿蜋C(jī)，而今天的微型機(jī)可能就是明天的單片機(jī)。專用計(jì)算機(jī)是針對(duì)某一任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，一般來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)要比通用機(jī)簡(jiǎn)單。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種型號(hào)的單片專用機(jī)及嵌人式單片機(jī)，用于測(cè)試或控制。1.2　計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.2.1　計(jì)算機(jī)的五代變化世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)制成的。這臺(tái)機(jī)器用了18000多個(gè)電子管，占用長(zhǎng)度超過(guò)30米的房間，重量達(dá)30噸，而運(yùn)算速度只有5000次/秒。從今天的眼光來(lái)看，這臺(tái)計(jì)算機(jī)耗費(fèi)既大又不完善，但卻是科學(xué)史上一次劃時(shí)代的創(chuàng)新，它奠定了電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。自從這臺(tái)計(jì)算機(jī)問(wèn)世60多年來(lái)，從使用的器件角度來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化：第一代為1946—1957年，電子管計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度為每秒幾千次至幾萬(wàn)次，體積龐大，成本很高，可靠性較低。在此期間，形成了計(jì)算機(jī)的基本體系，確定了程序設(shè)計(jì)的基本方法，數(shù)據(jù)處理機(jī)開(kāi)始得到應(yīng)用。第二代為1958—1964年，晶體管計(jì)算機(jī)。運(yùn)算速度提高到幾萬(wàn)次至幾十萬(wàn)次，可靠性提高，體積縮小，成本降低。在此期間，工業(yè)控制機(jī)開(kāi)始得到應(yīng)用。第三代為1965—1971年，中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。可靠性進(jìn)一步提高，體積進(jìn)一步縮小，成本進(jìn)一步下降，運(yùn)算速度提高到幾十萬(wàn)次至幾百萬(wàn)次。在此期間形成機(jī)種多樣化，生產(chǎn)系列化，使用系統(tǒng)化，小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)。第四代為1972—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，可靠性更進(jìn)一步提高，體積更進(jìn)一步縮小，成本更進(jìn)一步降低，速度提高到每秒1000萬(wàn)次至1億次。由幾片大規(guī)模集成電路組成的微型計(jì)算機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)。第五代為1991年開(kāi)始的巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度提高到每秒10億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的單片計(jì)算機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)組成原理》(第4版·立體化教材)特色：基礎(chǔ)性、時(shí)代性、系統(tǒng)性、實(shí)踐性、實(shí)用性、啟發(fā)性融為一體，文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫(kù)、自測(cè)試題庫(kù)、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)綜合配套，形成"理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)"三個(gè)過(guò)程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。

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