計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

本書是浙江省重點(diǎn)建設(shè)教材，是根據(jù)《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范》和《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案》的基本要求，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的要求來編寫的。本書重點(diǎn)講授單機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，主要圍繞馮·諾依曼（von Neumann）計(jì)算機(jī)展開，著重于基本概念、基本原理和設(shè)計(jì)方法的闡述，使讀者建立清晰的計(jì)算機(jī)整機(jī)概念和知識模塊結(jié)構(gòu)；并以理論聯(lián)系實(shí)踐，充分強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性，分析探討提高計(jì)算機(jī)性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和方法，體現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新成果和最新動(dòng)向?！坝?jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，為了提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，必須通過安排實(shí)驗(yàn)來加深理解課程內(nèi)容。所以本教材的作者在多年從事“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，提出“Try”教學(xué)理念，結(jié)合本課程的教學(xué)特點(diǎn)、難點(diǎn)和要點(diǎn)，對教學(xué)內(nèi)容、方法以及實(shí)驗(yàn)方法和手段進(jìn)行了重大改革，開發(fā)了具有創(chuàng)新思想的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)CAI軟件、理論教學(xué)CAI軟件等，使授課內(nèi)容、教材、實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方法綜合配套，以改進(jìn)教師的授課手段，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解，并使學(xué)生體會(huì)“Try”的樂趣，提高學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、動(dòng)手實(shí)踐和解決問題的能力。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》從計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念出發(fā)，系統(tǒng)地論述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、工作原理和設(shè)計(jì)方法，并從提高計(jì)算機(jī)性能的角度，分析和探討了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理和設(shè)計(jì)方法。全書共分為10章，主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)組成的基本概念和層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)、信息編碼與數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算方法與運(yùn)算器、存儲(chǔ)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(shù)。
　　《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》配有相應(yīng)的YY～Z02計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其CAI軟件，使理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手能力?！队?jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》每章后面都附有習(xí)題，且開發(fā)了與《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》配套的多媒體教學(xué)軟件，并配有習(xí)題解答。
　　《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》可作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程本科教材，也可供從事計(jì)算機(jī)相關(guān)工作的科技人員、計(jì)算機(jī)愛好者及各類自學(xué)人員參考。

作者簡介

　　包健，女，1962年生，杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授。2006年被評為第二屆浙江省教學(xué)名師。
　　包健教授長期從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的教學(xué)和研究工作。主講的“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程提出了“Try”的教學(xué)理念，并貫穿于教學(xué)內(nèi)容、教材、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的設(shè)計(jì)中，形成了頗具特色的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)方法，研究與開發(fā)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲2003年浙江省科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)，以該教材及配套的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為核心的“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程2007年被評為國家精品課程。主持的“計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐”項(xiàng)目獲得2005年國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、智能控制。近5年來，主持了省部級以上科研項(xiàng)目5項(xiàng)，教學(xué)改革項(xiàng)目4項(xiàng)，發(fā)表論文20余篇，獲得浙江省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

書籍目錄

　　第1章 計(jì)算機(jī)組成原理概論
1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用
1.1.1 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生
1.1.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展
1.1.3 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展
1.1.4 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用
1.2 計(jì)算機(jī)的分類和性能指標(biāo)
1.2.1 按計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類
1.2.2 按計(jì)算機(jī)的用途分類
1.2.3 按計(jì)算機(jī)的使用方式分類
1.2.4 按計(jì)算機(jī)的規(guī)模分類
1.2.5 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)
1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成
1.3.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)
1.3.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)
1.3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
本章小結(jié)
習(xí)題1
第2章 計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)
2.1 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性
2.1.1 二極管的開關(guān)特性
2.1.2 三極管的開關(guān)特性
2.1.3 MOS管的開關(guān)特性
2.2 基本邏輯運(yùn)算和基本門電路
2.2.1 邏輯變量和邏輯表達(dá)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(shí)例
2.3.1 法器
2.3.2 算術(shù)邏輯部件
2.3.3 譯碼器
2.3.4 數(shù)據(jù)選擇器
2.4 時(shí)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(jì)數(shù)器
2.5 計(jì)算機(jī)芯片的制造過程
2.5.1 制造芯片的準(zhǔn)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(jié)
習(xí)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(jìn)位計(jì)數(shù)制
3.1.2 不同數(shù)制之間數(shù)的相互轉(zhuǎn)換
3.1.3 十進(jìn)制數(shù)的編碼
3.2 數(shù)據(jù)格式
3.2.1 機(jī)器數(shù)
3.2.2 小數(shù)點(diǎn)的表示方法
3.3 定點(diǎn)機(jī)器數(shù)表示方法
3.3.1 原碼表示法
3.3.2 補(bǔ)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(diǎn)機(jī)器數(shù)轉(zhuǎn)換
3.4 浮點(diǎn)機(jī)器數(shù)表示方法
3.4.1 浮點(diǎn)數(shù)的格式
3.4.2 浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化表示
3.4.3 浮點(diǎn)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(yàn)碼
3.6.1 奇偶校驗(yàn)碼
3.6.2 海明校驗(yàn)碼
3.6.3 循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼
3.7 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表示
本章小結(jié)
習(xí)題3
第4章 運(yùn)算方法與運(yùn)算器
4.1 定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算及實(shí)現(xiàn)
4.1.1 補(bǔ)碼加減運(yùn)算及運(yùn)算器
4.1.2 機(jī)器數(shù)的移位運(yùn)算
4.1.3 移碼加減運(yùn)算與判溢
4.1.4 十進(jìn)制加法運(yùn)算
4.2 定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算及實(shí)現(xiàn)
4.2.1 原碼乘法及實(shí)現(xiàn)
4.2.2 補(bǔ)碼乘法及實(shí)現(xiàn)
4.2.3 陣列乘法器
4.3 定點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算及實(shí)現(xiàn)
4.3.1 原碼除法及實(shí)現(xiàn)
4.3.2 補(bǔ)碼除法及實(shí)現(xiàn)
4.3.3 陣列除法器
4.4 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成與結(jié)構(gòu)
4.4.1 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成
4.4.2 定點(diǎn)運(yùn)算器的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)與通路
4.4.3 標(biāo)志寄存器
4.5 浮點(diǎn)運(yùn)算及運(yùn)算器
4.5.1 浮點(diǎn)加減運(yùn)算
4.5.2 浮點(diǎn)乘法運(yùn)算
4.5.3 浮點(diǎn)除法運(yùn)算
4.5.4 浮點(diǎn)運(yùn)算器
4.6 浮點(diǎn)運(yùn)算器舉例
4.6.1 80x87算術(shù)協(xié)處理器
4.6.2 浮點(diǎn)運(yùn)算流水線
本章小結(jié)
習(xí)題4
第5章 存儲(chǔ)體系
5.1 存儲(chǔ)體系概述
5.1.1 存儲(chǔ)器的分類
5.1.2 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)
5.2 主存儲(chǔ)器
5.2.1 主存儲(chǔ)器性能指標(biāo)
5.2.2 主存儲(chǔ)器的工作原理
5.2.3 隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器
5.2.4 只讀存儲(chǔ)器
5.2.5 高性能的主存儲(chǔ)器
5.3 主存儲(chǔ)器與CPu的連接
5.3.1 存儲(chǔ)器芯片介紹
5.3.2 存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展
5.3.3 主存儲(chǔ)器與CPU的連接
5.4 高速存儲(chǔ)器
5.4.1 雙端口存儲(chǔ)器
5.4.2 多體交叉存儲(chǔ)器
5.4.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器
5.5 高速緩沖存儲(chǔ)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(shè)計(jì)
5.6 虛擬存儲(chǔ)器
5.7 外存儲(chǔ)器
5.7.1 磁盤存儲(chǔ)器
5.7.2 RAID
5.7.3 光盤存儲(chǔ)器
5.7.4 閃存盤
5.8 存儲(chǔ)保護(hù)
5.9 lA32架構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)舉例
5.9.1 P6微架構(gòu)下的Cache
5.9.2 IntelNetBurst微架構(gòu)下的Cache
5.9.3 IntelCore微架構(gòu)的多核高效內(nèi)存管理技術(shù)
本章小結(jié)
習(xí)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(kuò)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(diǎn)
6.4.4 RISC的特點(diǎn)
6.4.5 指令系統(tǒng)舉例
本章小結(jié)
習(xí)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(jì)算機(jī)的基本組成和功能
7.1.2 控制器的組成
7.1.3 時(shí)序系統(tǒng)
7.1.4 控制方式和時(shí)序的產(chǎn)生
7.1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)
7.1.6 簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)各部件的實(shí)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(shè)計(jì)方法
7.2.2 硬布線控制器的結(jié)構(gòu)與原理
7.2.3 硬布線控制器的時(shí)序系統(tǒng)
7.2.4 硬布線控制器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
7.3.3 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)
7.3.4 微程序控制方式下模型機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例
7.3.5 模型機(jī)微程序設(shè)計(jì)
7.3.6 微程序控制器與硬布線控制器的比較
本章小結(jié)
習(xí)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(gòu)成
8.1.2 外設(shè)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(jī)與外設(shè)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(chǔ)器訪問方式
8.3.4 通道與輸入輸出處理機(jī)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(yīng)
8.4.4 中斷服務(wù)與返回
本章小結(jié)
習(xí)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(biāo)
9.2 系統(tǒng)總線的結(jié)構(gòu)
9.3 總線信息的傳送方式
9.4 總線仲裁和定時(shí)
9.4.1 總線仲裁
9.4.2 總線的定時(shí)
9.5 實(shí)用總線標(biāo)準(zhǔn)
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(jié)
習(xí)題9
第10章 流水線與并行處理技術(shù)
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(guān)及處理
10.2.1 結(jié)構(gòu)相關(guān)
10.2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)
10.2.3 控制相關(guān)
10.2.4 流水線的中斷與處理
10.3 流水線的調(diào)度方法
10.3.1 非線性流水線的靜態(tài)調(diào)度技術(shù)
10.3.2 流水線的動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)
10.4 高級流水線技術(shù)
10.4.1 超標(biāo)量流水線技術(shù)
10.4.2 超流水線技術(shù)
10.4.3 超標(biāo)量超流水線技術(shù)
10.4.4 超長指令字技術(shù)
10.4.5 向量流水技術(shù)
10.5 并行處理技術(shù)
10.5.1 并行處理技術(shù)的基本概念
10.5.2 SIMD陣列處理機(jī)
10.5.3 多處理機(jī)系統(tǒng)
10.6 Pentium微處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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(gòu)
10.7.1 IntelCore微架構(gòu)
10.7.2 IBMCell架構(gòu)
本章小結(jié)
習(xí)題10

章節(jié)摘錄

插圖：②資源重復(fù)：在并行性中引入空間因素。即通過重復(fù)設(shè)置多個(gè)功能部件來提高處理性能或可靠性，如陣列處理機(jī)。③資源共享：利用軟件的方法，讓多個(gè)用戶按一定的時(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，根據(jù)并行性的3條途徑，從計(jì)算機(jī)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(gè)不同的角度向同一方向發(fā)展。一方面在單處理機(jī)上，通過時(shí)間重疊、資源重復(fù)和資源共享，分別向異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)、同構(gòu)型多處理機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過功能專業(yè)化、多機(jī)互連、網(wǎng)絡(luò)化等手段，分別向異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)、同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)和分布式多處理機(jī)系統(tǒng)的方向發(fā)展。例如，在指令級內(nèi)部，采用多個(gè)子部件以流水方式執(zhí)行指令，以提高單臺計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度。這一思想仍可應(yīng)用于多臺計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)，如在高級語言向匯編語言轉(zhuǎn)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(biāo)程序生成3個(gè)子過程。為了提高效率，這可由3臺計(jì)算機(jī)以流水方式執(zhí)行。由于這3臺計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)可以不一樣（非對稱型），故這樣組成的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為異構(gòu)型多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。按照資源重復(fù)的思想，既然在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)可由多個(gè)相同的處理單元構(gòu)成陣列處理機(jī)，那么用多臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的計(jì)算機(jī)，也可以組成多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為同構(gòu)型（對稱型）多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。按照資源共享的思想，在單處理機(jī)上采用多道程序和分時(shí)操作，就發(fā)展成為分布式多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

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《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》為教育部高等理工教育教學(xué)改革與實(shí)踐項(xiàng)目研究成果《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案》規(guī)劃教材。《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》為國家精品課程主講教材，是杭州電子科技大學(xué)“計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程組多年教學(xué)改革的成果與結(jié)晶。教材內(nèi)容深入淺出，由易至難，系統(tǒng)完整，易教易學(xué)?！队?jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》將基本教學(xué)內(nèi)容與最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展相結(jié)合，使學(xué)生在理解和掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的基本設(shè)計(jì)方法、基本原理的基礎(chǔ)上，了解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各種先進(jìn)的技術(shù)。教材與配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、虛擬軟件、CAI課件緊密結(jié)合，從課堂授課、實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及課外實(shí)踐等多個(gè)環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)“Trv”教學(xué)理念，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的能力。

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