計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)

前言

　　“微型計(jì)算機(jī)原理”是高等學(xué)校理工類非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的一門必修課程，但是由于微型機(jī)更新?lián)Q代速度太快，因此以型號(hào)為背景所寫的教材往往使任課教師無所適從。存在的問題是：（1）教學(xué)內(nèi)容缺乏基礎(chǔ)性和時(shí)代性；（2）技術(shù)細(xì)節(jié)較多，即使學(xué)生花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，也難以消化教學(xué)內(nèi)容；（3）難以開展有效的實(shí)踐教學(xué)。在此情況下，進(jìn)行課程改革的呼聲日益強(qiáng)烈。高等教育出版社《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》（立體化教材）一書，正是響應(yīng)了這種呼聲而出版的?！　∽髡哒J(rèn)為，為了保持教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)性和時(shí)代性，應(yīng)當(dāng)避免只講某種型號(hào)的處理機(jī)，一本好的《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》教材主要應(yīng)具備：　?。?）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)；　?。?）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；　?。?）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；　?。?）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)生的智力開發(fā)和能力培養(yǎng)；　?。?）實(shí)用性強(qiáng)，有較廣的適應(yīng)面，以適應(yīng)學(xué)生在各類計(jì)算機(jī)上從事開發(fā)應(yīng)用的需要；　?。?）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)?！　”緯髡叨嗄陱氖掠?jì)算機(jī)硬件課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，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)，進(jìn)行了課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的研究，在此基礎(chǔ)上編寫的文字教材與多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫、自測(cè)試題庫、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)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)過程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。本書理論教學(xué)建議安排64學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)單獨(dú)安排。因?qū)W時(shí)所限，帶.的內(nèi)容可以自學(xué)。　　覃健誠、馮一兵、楊春武、陳楠、王莉、靳秀國、楊秦、張杰、祁之力、王軍德、于艷麗、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、吳璇、楊孟柯等參與了文字教材、CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫、試題庫、教學(xué)儀器、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等的編寫和研制工作，限于版面，未能在封面上——署名?！　”緯芍袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家高性能計(jì)算中心主任陳國良教授主審。清華大學(xué)科教儀器廠李鴻儒教授為配套教學(xué)儀器的研制給予了大力幫助，在此，作者一并向他們表示衷心感謝。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)（立體化教材）》是作者對(duì)“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進(jìn)行綜合研究的具體成果，內(nèi)容分10章，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、運(yùn)算方法和運(yùn)算器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理機(jī)、總線系統(tǒng)、外圍設(shè)備、輸入輸出系統(tǒng)、安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)和片上系統(tǒng)。《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)（立體化教材）》特色：基礎(chǔ)性、時(shí)代性，系統(tǒng)性、啟發(fā)性、實(shí)踐性、實(shí)用性融為一體，《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)（立體化教材）》與副教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫、自測(cè)試題庫、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)過程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系?！队?jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)（立體化教材）》文字流暢，內(nèi)容通俗易懂，循序漸進(jìn)，有廣泛的適應(yīng)面，是高等學(xué)校理工類計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教材。

書籍目錄

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1.2.1 計(jì)算機(jī)的五代變化1.2.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展1.2.3 微處理器的發(fā)展1.2.4 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.3 計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1 硬件組成要素1.3.2 運(yùn)算器1.3.3 存儲(chǔ)器1.3.4 控制器1.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備1.4 計(jì)算機(jī)的軟件1.4.1 軟件的組成與分類1.4.2 軟件的發(fā)展演變1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1 多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.5.2 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性本章小結(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2.1.1 數(shù)據(jù)格式2.1.2 數(shù)的機(jī)器碼表示2.1.3 字符與字符串的表示方法2.1.4 漢字的表示方法2.1.5 校驗(yàn)碼2.2 定點(diǎn)加法與減法運(yùn)算2.2.1 補(bǔ)碼加法2.2.2 補(bǔ)碼減法2.2.3 溢出概念與檢測(cè)方法2.2.4 基本的二進(jìn)制加法／減法器2.3 定點(diǎn)乘法運(yùn)算2.3.1 人工算法與機(jī)器算法的同異性2.3.2 并行乘法器2.4 定點(diǎn)除法運(yùn)算2.4.1 原碼除法算法原理2.4.2 并行除法器2.5 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成2.5.1 邏輯運(yùn)算2.5.2 多功能算術(shù)／邏輯運(yùn)算單元（ALU）2.5.3 內(nèi)部總線2.5.4 定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)2.6 浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器2.6.1 浮點(diǎn)加法與減法運(yùn)算2.6.2 浮點(diǎn)乘法與除法運(yùn)算2.6.3 浮點(diǎn)運(yùn)算流水線2.6.4 浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)例本章小結(jié)習(xí)題第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng)3.1 存儲(chǔ)器概述3.1.1 存儲(chǔ)器的分類3.1.2 存儲(chǔ)器的分級(jí)3.1.3 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)3.2 SRAM存儲(chǔ)器3.2.1 基本的靜態(tài)存儲(chǔ)元陣列3.2.2 基本的SRAM邏輯結(jié)構(gòu)3.2.3 讀／寫周期波形圖3.3 DRAM存儲(chǔ)器3.3.1 DRAM存儲(chǔ)元的記憶原理3.3.2 DRAM芯片的邏輯結(jié)構(gòu)3.3.3 讀／寫周期、刷新周期3.3.4 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充3.4 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器3.4.1 只讀存儲(chǔ)器ROM3.4.2 FLASH存儲(chǔ)器3.5 并行存儲(chǔ)器3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器3.5.2 多模塊交叉存儲(chǔ)器3.6 cache存儲(chǔ)器3.6.1 cache基本原理3.6.2 主存與cache的地址映射3.6.3 替換策略3.6.4 cache的寫操作策略3.6.5 Pentium4的cache組織3.7 虛擬存儲(chǔ)器3.7.1 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念3.7.2 虛擬存儲(chǔ)器分類3.7.3 替換算法3.7.4 虛擬存儲(chǔ)器實(shí)例3.8 存儲(chǔ)保護(hù)3.8.1 存儲(chǔ)區(qū)域保護(hù)3.8.2 訪問方式保護(hù)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4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展4.1.2 對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3 低級(jí)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系4.2 指令格式4.2.1 操作碼4.2.2 地址碼4.2.3 指令字長度4.2.4 指令助記符4.2.5 指令格式舉例4.3 操作數(shù)類型4.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2 Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3 PowerPC數(shù)據(jù)類型4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1 指令的尋址方式4.4.2 操作數(shù)基本尋址方式4.4.3 尋址方式舉例4.5 典型指令4.5.1 指令的分類4.5.2 基本指令系統(tǒng)的操作4.5.3 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)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5.1.1 CPU的功能5.1.2 CPU的基本組成5.1.3 CPU中的主要寄存器5.1.4 操作控制器與時(shí)序發(fā)生器5.2 指令周期5.2.1 指令周期的基本概念5.2.2 MOV指令的指令周期5.2.3 LAD指令的指令周期5.2.4 ADD指令的指令周期5.2.5 STO指令的指令周期5.2.6 JMP指令的指令周期5.2.7 用方框圖語言表示指令周期5.3 時(shí)序發(fā)生器5.3.1 時(shí)序信號(hào)的作用和體制5.3.2 時(shí)序信號(hào)發(fā)生器5.4 微程序控制器5.4.1 微程序控制原理5.4.2 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.5 傳統(tǒng)CPU5.5.1 Intel8088CPU5.5.2 IBM370系列CPU5.6 流水CPU5.6.1 并行處理技術(shù)5.6.2 流水CPU的結(jié)構(gòu)5.6.3 流水線中的主要問題5.6.4 奔騰CPU5.7 RISCCPU5.7.1 RISC機(jī)器的特點(diǎn)5.7.2 RISCCPU實(shí)例5.8 多媒體CPU5.8.1 多媒體技術(shù)的主要問題5.8.2 MMX技術(shù)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)6.1.1 總線的基本概念6.1.2 總線的連接方式6.1.3 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)6.2 總線接口6.2.1 信息傳送方式6.2.2 總線接口的基本概念6.3 總線的仲裁6.3.1 集中式仲裁6.3.2 分布式仲裁6.4 總線的定時(shí)和數(shù)據(jù)傳送模式6.4.1 總線的定時(shí)6.4.2 總線數(shù)據(jù)傳送模式6.5 HOST總線和PCI總線6.5.1 多總線結(jié)構(gòu)6.5.2 PCI總線信號(hào)6.5.3 總線周期類型6.5.4 總線周期操作6.5.5 總線仲裁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7.1.1 外圍設(shè)備的一般功能7.1.2 外圍設(shè)備的分類7.2 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備7.2.1 磁記錄原理7.2.2 硬磁盤的組成和分類7.2.3 磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器7.2.4 磁盤上信息的分布7.2.5 磁盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)7.3 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展7.3.1 磁盤cache7.3.2 磁盤陣列RAID7.3.3 可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備7.4 磁帶存儲(chǔ)設(shè)備7.5 光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備7.5.1 光盤存儲(chǔ)設(shè)備7.5.2 磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備7.6 顯示設(shè)備7.6.1 顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念7.6.2 字符／圖形顯示器7.6.3 圖像顯示設(shè)備7.6.4 vESA顯示標(biāo)準(zhǔn)7.7 輸入設(shè)備和打印設(shè)備7.7.1 輸入設(shè)備7.7.2 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)及與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式8.1.1 外圍設(shè)備的速度分級(jí)8.1.2 外設(shè)與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式8.2 程序查詢方式8.3 程序中斷方式8.3.1 中斷的基本概念8.3.2 程序中斷方式的基本I／O接口8.3.3 單級(jí)中斷和多級(jí)中斷8.3.4 中斷控制器8.3.5 Pentium中斷機(jī)制8.4 DMA方式8.4.1 DMA的基本概念8.4.2 DMA傳送方式8.4.3 基本的DMA控制器8.4.4 選擇型和多路型DMA控制器8.5 通道方式8.5.1 通道的功能8.5.2 通道的類型8.5.3 通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展8.6 通用I／O標(biāo)準(zhǔn)接口8.6.1 并行I／O標(biāo)準(zhǔn)接口SCSI8.6.2 串行I／O標(biāo)準(zhǔn)接口IEEEl3948.6.3 串行I／O標(biāo)準(zhǔn)接口USB本章小結(jié)習(xí)題第九章 安騰高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)9.1 高性能處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變9.1.1 IA體系結(jié)構(gòu)的歷史演變9.1.2 Intel64位處理機(jī)的兩種體系結(jié)構(gòu)9.2 安騰體系結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思想9.3 安騰指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.3.1 執(zhí)行單元與指令類型9.3.2 安騰寄存器結(jié)構(gòu)9.3.3 安騰指令格式9.3.4 安騰匯編語言格式9.4 指令級(jí)并行機(jī)制9.4.1 推斷執(zhí)行技術(shù)9.4.2 推測(cè)技術(shù)9.5 雙核安騰處理機(jī)的組成9.5.1 雙核安騰處理機(jī)的基本特性9.5.2 雙核安騰處理機(jī)的組織結(jié)構(gòu)本章小結(jié)習(xí)題第十章 片上系統(tǒng)10.1 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)10.1.1 嵌入式系統(tǒng)10.1.2 片上系統(tǒng)10.2 C8051F片上系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)10.3 CIP－51內(nèi)核10.3.1 CIP－5l內(nèi)部結(jié)構(gòu)10.3.2存儲(chǔ)器組織10.3.3 特殊功能寄存器SFR10.4 CIP－51指令系統(tǒng)10.4.1 指令格式10.4.2 尋址方式10.4.3 指令類型10.5 模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換與I／O接口10.5.1 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)10.5.2 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換原理10.5.3 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換原理10.5.4 I／O接口10.6 編程應(yīng)用10.6.1 計(jì)算機(jī)編程的相關(guān)概念10.6.2 匯編語言程序10.6.3 C語言程序本章小結(jié)習(xí)題附錄A C8051F指令系統(tǒng)附錄B 配套教材與教學(xué)設(shè)備參考文獻(xiàn)參考網(wǎng)站

章節(jié)摘錄

　　理想的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備應(yīng)該是“會(huì)看”和“會(huì)聽”的，即能夠把人們用文字或語言所表達(dá)的問題直接送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，但是現(xiàn)在這種理想的輸入設(shè)備還未大規(guī)模投入應(yīng)用。目前常用的輸入設(shè)備是鍵盤、鼠標(biāo)器、數(shù)字掃描儀以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。它們的作用是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式?！　≥敵鲈O(shè)備的作用是把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式。理想的輸出設(shè)備應(yīng)該“會(huì)寫”和“會(huì)講”。“會(huì)寫”已經(jīng)做到，如目前廣為使用的激光打印機(jī)、繪圖儀等。這些設(shè)備不僅能輸出文字符號(hào)，而且還能畫圖。至于“會(huì)講”即輸出語言的設(shè)備，目前也有高級(jí)產(chǎn)品問世?！　∮?jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)。這些外圍設(shè)備有高速的也有低速的，有機(jī)電結(jié)構(gòu)的，也有全電子式的。由于外設(shè)種類繁多且速度各異，因而它們不是直接地同高速工作的主機(jī)相連接，而是通過適配器部件與主機(jī)相聯(lián)系。適配器的作用相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)換器，它可以保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息。　　一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有各種類型的外圍設(shè)備，因而有各種類型的適配器，它們使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，以便使主機(jī)和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作?！　〕松鲜龈鞑考猓?jì)算機(jī)系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作?！　∫陨鲜俏覀儗?duì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)硬件組成的概述，其目的在于使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)的整體先有一個(gè)粗略的印象，為在講授后面各章時(shí)提供一些方便。

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