計算機組成原理與系統(tǒng)結構

前言

本書是浙江省重點建設教材，是根據(jù)《高等學校計算機科學與技術本科專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范》和《高等學校計算機科學與技術專業(yè)核心課程教學實施方案》的基本要求，以培養(yǎng)應用型人才為目標的“計算機組成原理與系統(tǒng)結構”課程的要求來編寫的。本書重點講授單機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)組成，主要圍繞馮·諾依曼（von Neumann）計算機展開，著重于基本概念、基本原理和設計方法的闡述，使讀者建立清晰的計算機整機概念和知識模塊結構；并以理論聯(lián)系實踐，充分強調應用性，分析探討提高計算機性能的系統(tǒng)結構原理和方法，體現(xiàn)計算機技術發(fā)展的最新成果和最新動向?！坝嬎銠C組成原理與系統(tǒng)結構”是計算機科學與技術學科的一門核心專業(yè)基礎課，為了提高本課程的教學質量，必須通過安排實驗來加深理解課程內容。所以本教材的作者在多年從事“計算機組成原理與系統(tǒng)結構”課程理論和實驗教學的基礎上，提出“Try”教學理念，結合本課程的教學特點、難點和要點，對教學內容、方法以及實驗方法和手段進行了重大改革，開發(fā)了具有創(chuàng)新思想的計算機組成原理實驗系統(tǒng)、實驗教學CAI軟件、理論教學CAI軟件等，使授課內容、教材、實驗、教學方法綜合配套，以改進教師的授課手段，加強學生的學習和理解，并使學生體會“Try”的樂趣，提高學習興趣、學習效率、動手實踐和解決問題的能力。

內容概要

　　《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》從計算機組成原理與系統(tǒng)結構的基本概念出發(fā)，系統(tǒng)地論述了計算機系統(tǒng)的基本組成、工作原理和設計方法，并從提高計算機性能的角度，分析和探討了計算機系統(tǒng)結構的基本原理和設計方法。全書共分為10章，主要內容包括計算機組成的基本概念和層次結構、計算機硬件基礎、信息編碼與數(shù)據(jù)表示、運算方法與運算器、存儲體系、指令系統(tǒng)、控制器、輸入輸出系統(tǒng)、總線、流水線與并行處理技術。
　　《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》配有相應的YY～Z02計算機組成原理實驗系統(tǒng)及其CAI軟件，使理論教學與實踐環(huán)節(jié)相結合，有助于提高學生的學習興趣及動手能力?！队嬎銠C組成原理與系統(tǒng)結構》每章后面都附有習題，且開發(fā)了與《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》配套的多媒體教學軟件，并配有習題解答。
　　《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》可作為高等學校計算機專業(yè)“計算機組成原理與系統(tǒng)結構”課程本科教材，也可供從事計算機相關工作的科技人員、計算機愛好者及各類自學人員參考。

作者簡介

　　包健，女，1962年生，杭州電子科技大學計算機學院教授。2006年被評為第二屆浙江省教學名師。
　　包健教授長期從事計算機科學與技術的教學和研究工作。主講的“計算機組成原理與系統(tǒng)結構”課程提出了“Try”的教學理念，并貫穿于教學內容、教材、實驗設備、實驗內容和方法的設計中，形成了頗具特色的教學、實驗方法，研究與開發(fā)的計算機組成原理實驗系統(tǒng)獲2003年浙江省科學技術三等獎，以該教材及配套的實驗系統(tǒng)為核心的“計算機組成原理與系統(tǒng)結構”課程2007年被評為國家精品課程。主持的“計算機硬件課程教學改革的研究與實踐”項目獲得2005年國家教學成果二等獎。主要研究領域為計算機體系結構、智能控制。近5年來，主持了省部級以上科研項目5項，教學改革項目4項，發(fā)表論文20余篇，獲得浙江省科學技術一等獎1項，二等獎1項，三等獎3項。

書籍目錄

　　第1章 計算機組成原理概論
1.1 計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應用
1.1.1 計算機的產(chǎn)生
1.1.2 計算機的發(fā)展
1.1.3 微型計算機的發(fā)展
1.1.4 計算機的應用
1.2 計算機的分類和性能指標
1.2.1 按計算機體系結構分類
1.2.2 按計算機的用途分類
1.2.3 按計算機的使用方式分類
1.2.4 按計算機的規(guī)模分類
1.2.5 計算機的性能指標
1.3 計算機系統(tǒng)的基本組成
1.3.1 計算機硬件系統(tǒng)
1.3.2 計算機軟件系統(tǒng)
1.3.3 計算機系統(tǒng)的層次結構
本章小結
習題1
第2章 計算機硬件基礎
2.1 半導體器件的開關特性
2.1.1 二極管的開關特性
2.1.2 三極管的開關特性
2.1.3 MOS管的開關特性
2.2 基本邏輯運算和基本門電路
2.2.1 邏輯變量和邏輯表達式
2.2.2 邏輯門
2.2.3 邏輯代數(shù)的基本定律
2.2.4 邏輯函數(shù)的化簡
2.3 組合邏輯電路實例
2.3.1 法器
2.3.2 算術邏輯部件
2.3.3 譯碼器
2.3.4 數(shù)據(jù)選擇器
2.4 時序邏輯電路
2.4.1 觸發(fā)器和鎖存器
2.4.2 寄存器
2.4.3 移位寄存器
2.4.4 計數(shù)器
2.5 計算機芯片的制造過程
2.5.1 制造芯片的準備階段
2.5.2 光刻蝕
2.5.3 摻雜
2.5.4 測試、切割和封裝
本章小結
習題2
第3章 信息編碼與數(shù)據(jù)表示
3.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示
3.1.1 進位計數(shù)制
3.1.2 不同數(shù)制之間數(shù)的相互轉換
3.1.3 十進制數(shù)的編碼
3.2 數(shù)據(jù)格式
3.2.1 機器數(shù)
3.2.2 小數(shù)點的表示方法
3.3 定點機器數(shù)表示方法
3.3.1 原碼表示法
3.3.2 補碼表示法
3.3.3 反碼表示法
3.3.4 移碼表示法
3.3.5 定點機器數(shù)轉換
3.4 浮點機器數(shù)表示方法
3.4.1 浮點數(shù)的格式
3.4.2 浮點數(shù)的規(guī)格化表示
3.4.3 浮點數(shù)的表示范圍
3.5 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示
3.5.1 字符編碼
3.5.2 漢字編碼
3.6 校驗碼
3.6.1 奇偶校驗碼
3.6.2 海明校驗碼
3.6.3 循環(huán)冗余檢驗碼
3.7 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表示
本章小結
習題3
第4章 運算方法與運算器
4.1 定點數(shù)的加減運算及實現(xiàn)
4.1.1 補碼加減運算及運算器
4.1.2 機器數(shù)的移位運算
4.1.3 移碼加減運算與判溢
4.1.4 十進制加法運算
4.2 定點數(shù)的乘法運算及實現(xiàn)
4.2.1 原碼乘法及實現(xiàn)
4.2.2 補碼乘法及實現(xiàn)
4.2.3 陣列乘法器
4.3 定點數(shù)除法運算及實現(xiàn)
4.3.1 原碼除法及實現(xiàn)
4.3.2 補碼除法及實現(xiàn)
4.3.3 陣列除法器
4.4 定點運算器的組成與結構
4.4.1 定點運算器的組成
4.4.2 定點運算器的內部總線結構與通路
4.4.3 標志寄存器
4.5 浮點運算及運算器
4.5.1 浮點加減運算
4.5.2 浮點乘法運算
4.5.3 浮點除法運算
4.5.4 浮點運算器
4.6 浮點運算器舉例
4.6.1 80x87算術協(xié)處理器
4.6.2 浮點運算流水線
本章小結
習題4
第5章 存儲體系
5.1 存儲體系概述
5.1.1 存儲器的分類
5.1.2 存儲器的層次結構
5.2 主存儲器
5.2.1 主存儲器性能指標
5.2.2 主存儲器的工作原理
5.2.3 隨機讀寫存儲器
5.2.4 只讀存儲器
5.2.5 高性能的主存儲器
5.3 主存儲器與CPu的連接
5.3.1 存儲器芯片介紹
5.3.2 存儲容量的擴展
5.3.3 主存儲器與CPU的連接
5.4 高速存儲器
5.4.1 雙端口存儲器
5.4.2 多體交叉存儲器
5.4.3 相聯(lián)存儲器
5.5 高速緩沖存儲器
5.5.1 Cache的基本原理
5.5.2 主存與Cache的地址映射方式
5.5.3 替換算法
5.5.4 寫策略
5.5.5 Cache的多層次設計
5.6 虛擬存儲器
5.7 外存儲器
5.7.1 磁盤存儲器
5.7.2 RAID
5.7.3 光盤存儲器
5.7.4 閃存盤
5.8 存儲保護
5.9 lA32架構的存儲系統(tǒng)舉例
5.9.1 P6微架構下的Cache
5.9.2 IntelNetBurst微架構下的Cache
5.9.3 IntelCore微架構的多核高效內存管理技術
本章小結
習顥5
第6章 指令系統(tǒng)
6.1 指令格式
6.1.1 指令操作碼與地址碼
6.1.2 指令字長和操作碼擴展
6.2 尋址方式
6.2.1 指令尋址
6.2.2 數(shù)據(jù)尋址
6.3 指令類型
6.4 指令系統(tǒng)概述
6.4.1 指令系統(tǒng)的要求
6.4.2 指令系統(tǒng)的發(fā)展
6.4.3 CISC的特點
6.4.4 RISC的特點
6.4.5 指令系統(tǒng)舉例
本章小結
習題6
第7章 控制器
7.1 控制器的組成及指令的執(zhí)行
7.1.1 計算機的基本組成和功能
7.1.2 控制器的組成
7.1.3 時序系統(tǒng)
7.1.4 控制方式和時序的產(chǎn)生
7.1.5 系統(tǒng)結構和數(shù)據(jù)通路的設計
7.1.6 簡單計算機系統(tǒng)主機各部件的實現(xiàn)方案
7.1.7 指令的執(zhí)行過程
7.2 硬布線控制器
7.2.1 控制器的設計方法
7.2.2 硬布線控制器的結構與原理
7.2.3 硬布線控制器的時序系統(tǒng)
7.2.4 硬布線控制器設計舉例
7.3 微程序控制器
7.3.1 微程序控制的基本概念和工作原理
7.3.2 簡單微程序控制器的設計
7.3.3 微程序設計技術
7.3.4 微程序控制方式下模型機的設計實例
7.3.5 模型機微程序設計
7.3.6 微程序控制器與硬布線控制器的比較
本章小結
習題7
第8章 輸入輸出系統(tǒng)
8.1 概述
8.1.1 輸入輸出系統(tǒng)的構成
8.1.2 外設與CPU的連接
8.1.3 I／O指令格式
8.2 輸入輸出接口
8.2.1 I／O接口的功能
8.2.2 I／O接口的組成
8.3 主機與外設交換信息的方式
8.3.1 程序查詢方式
8.3.2 程序中斷方式
8.3.3 直接存儲器訪問方式
8.3.4 通道與輸入輸出處理機方式
8.4 中斷系統(tǒng)
8.4.1 中斷的基本概念
8.4.2 中斷請求與判優(yōu)
8.4.3 中斷響應
8.4.4 中斷服務與返回
本章小結
習題8
第9章 總線
9.1 總線的基本概念
9.1.1 總線的特性
9.1.2 總線的分類
9.1.3 總線的性能指標
9.2 系統(tǒng)總線的結構
9.3 總線信息的傳送方式
9.4 總線仲裁和定時
9.4.1 總線仲裁
9.4.2 總線的定時
9.5 實用總線標準
9.5.1 ISA總線
9.5.2 EISA總線
9.5.3 PCI總線
9.5.4 PCIExpress總線
9.5.5 RS-232C／RS-485接口總線
9.5.6 USB接口總線
9.5.7 IEEE1394接口總線
本章小結
習題9
第10章 流水線與并行處理技術
10.1 流水線原理
10.1.1 流水線基本概念
10.1.2 流水線分類
10.1.3 流水線性能分析
10.2 流水線相關及處理
10.2.1 結構相關
10.2.2 數(shù)據(jù)相關
10.2.3 控制相關
10.2.4 流水線的中斷與處理
10.3 流水線的調度方法
10.3.1 非線性流水線的靜態(tài)調度技術
10.3.2 流水線的動態(tài)調度技術
10.4 高級流水線技術
10.4.1 超標量流水線技術
10.4.2 超流水線技術
10.4.3 超標量超流水線技術
10.4.4 超長指令字技術
10.4.5 向量流水技術
10.5 并行處理技術
10.5.1 并行處理技術的基本概念
10.5.2 SIMD陣列處理機
10.5.3 多處理機系統(tǒng)
10.6 Pentium微處理器的系統(tǒng)結構
10.6.1 PentiumⅡ微處理器
10.6.2 Pentium4微處理器
10.7 片上多核處理器架構
10.7.1 IntelCore微架構
10.7.2 IBMCell架構
本章小結
習題10

章節(jié)摘錄

插圖：②資源重復：在并行性中引入空間因素。即通過重復設置多個功能部件來提高處理性能或可靠性，如陣列處理機。③資源共享：利用軟件的方法，讓多個用戶按一定的時間順序輪流使用同一套資源，以提高系統(tǒng)資源的利用率。從計算機系統(tǒng)結構的角度出發(fā)，根據(jù)并行性的3條途徑，從計算機系統(tǒng)由低性能向高性能發(fā)展的過程中可以看出，并行性正從兩個不同的角度向同一方向發(fā)展。一方面在單處理機上，通過時間重疊、資源重復和資源共享，分別向異構型多處理機系統(tǒng)、同構型多處理機系統(tǒng)和分布式處理系統(tǒng)的方向發(fā)展。另一方面在多計算機系統(tǒng)中，通過功能專業(yè)化、多機互連、網(wǎng)絡化等手段，分別向異構型多處理機系統(tǒng)、同構型多處理機系統(tǒng)和分布式多處理機系統(tǒng)的方向發(fā)展。例如，在指令級內部，采用多個子部件以流水方式執(zhí)行指令，以提高單臺計算機的執(zhí)行速度。這一思想仍可應用于多臺計算機組成的系統(tǒng)，如在高級語言向匯編語言轉換的過程中，是由編譯程序完成翻譯的。將翻譯工作的全過程分為編譯掃描、編譯分析和目標程序生成3個子過程。為了提高效率，這可由3臺計算機以流水方式執(zhí)行。由于這3臺計算機的結構可以不一樣（非對稱型），故這樣組成的多計算機系統(tǒng)稱為異構型多計算機系統(tǒng)。按照資源重復的思想，既然在一個計算機系統(tǒng)內可由多個相同的處理單元構成陣列處理機，那么用多臺系統(tǒng)結構相同的計算機，也可以組成多計算機系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結構稱為同構型（對稱型）多計算機系統(tǒng)。按照資源共享的思想，在單處理機上采用多道程序和分時操作，就發(fā)展成為分布式多計算機系統(tǒng)。

編輯推薦

《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》為教育部高等理工教育教學改革與實踐項目研究成果《高等學校計算機科學與技術專業(yè)核心課程教學實施方案》規(guī)劃教材?！队嬎銠C組成原理與系統(tǒng)結構》為國家精品課程主講教材，是杭州電子科技大學“計算機組成原理與系統(tǒng)結構”課程組多年教學改革的成果與結晶。教材內容深入淺出，由易至難，系統(tǒng)完整，易教易學。《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》將基本教學內容與最新的計算機技術發(fā)展相結合，使學生在理解和掌握計算機系統(tǒng)各部件的基本設計方法、基本原理的基礎上，了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)各種先進的技術。教材與配套的實驗設備、虛擬軟件、CAI課件緊密結合，從課堂授課、實驗案例設計、課內實驗及課外實踐等多個環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)“Trv”教學理念，有利于提高學生的學習興趣，提高學生自主學習和動手實踐的能力。

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