計算機系統(tǒng)原理

前言

隨著計算機技術的發(fā)展，計算機已普及到社會的各個層面，它作為一種大眾化的工具被各行各業(yè)的人士采用。正是在這樣的大背景下，計算機組成及其工作原理已不僅僅是高等院校計算機專業(yè)的核心課程，而逐漸成為一門各專業(yè)學生都必須學習的公共必修課。為了適應這一重大的轉(zhuǎn)變，我們學校從2006年開始，在全校信息技術類專業(yè)開設了“計算機系統(tǒng)原理”公共專業(yè)基礎課。我們對這門課的定位是介紹計算機系統(tǒng)的工作原理和設計理念，而不是像計算機專業(yè)那樣從體系結(jié)構(gòu)或設計的角度來介紹計算機的組成原理與最新技術進展。由于各專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)與基礎課程不同，我們在本書中除了介紹傳統(tǒng)的運算器、存儲器、控制器、輸入輸出與總線外，還匯集了數(shù)字電路分析與設計、匯編語言程序設計以及操作系統(tǒng)等內(nèi)容，其中輸入輸出部分偏向于從微機接口與應用的角度來介紹。通過兩年的教學實踐與研討，在所有授課老師的共同努力下，逐漸形成了本書的內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)形式。教學建議本書以講授為主，實驗和習題課為輔。第1章重點講解計算機層次結(jié)構(gòu)與組成、存儲程序原理和計算機性能評價，建議4課時。第2章重點講解布爾函數(shù)的“標準與或”式形式與卡諾圖的化簡，要求掌握時序電路中狀態(tài)的概念，以及利用布爾代數(shù)進行組合電路和同步時序電路的分析與設計的過程，建議8課時。第3章重點講解定點和浮點數(shù)的表示形式，數(shù)的機器碼表示特別是補碼表示，計算機內(nèi)原碼與補碼的加、減、乘法運算，以及定點運算器的組成，建議6課時。第4章重點講解指令系統(tǒng)與指令格式的作用與地位，以8086CPU為例，著重介紹標志寄存器的作用、數(shù)據(jù)的存放形式、尋址方式、指令類型與指令格式，最后介紹匯編語言程序設計方法，建議16課時。第5章重點講解存儲器的層次結(jié)構(gòu)，主存儲器和高速緩存的工作原理，以及半導體存儲器的連接，建議8課時。第6章以一個簡單計算機控制器的設計為目標，綜合運用前面各章的知識；通過構(gòu)建指令系統(tǒng)、確定指令格式、分解指令成為微操作序列、明確控制信號；通過節(jié)拍的控制完成控制器的組合電路實現(xiàn)；最后介紹微程序控制器的設計，建議6課時。第7章，建議結(jié)合輸入輸出設備的工作特點，介紹輸人輸出接口的作用、結(jié)構(gòu)、工作方式、編址等基本知識，重點講解中斷和DMA兩種輸入輸出工作方式；通過典型的接口芯片實例，講解中斷控制器8259A的使用以及微機系統(tǒng)的中斷編程，運用定時／計數(shù)器8253和異步串行通信接口控制器8250編寫實際的接口控制程序，建議課時為8學時。第8章重點講解總線的概念、作用、組成結(jié)構(gòu)、工作原理和設計指標，并介紹計算機系統(tǒng)中常用的若干種總線類型，建議2課時。第9章在講解操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史與作用基礎上，以資源管理為主線，著重講解處理機管理、存儲管理、文件(信息)管理、設備管理和作業(yè)管理，建議8課時。實驗安排為；匯編語言實驗6課時，中斷實驗2課時，定時器電子琴2課時，串行通信2課時。對于非計算機專業(yè)的學生，可根據(jù)各專業(yè)的情況決定是否講授第2章，其余章節(jié)除有星號(*)標記的小節(jié)外全部講授；對于計算機非硬件專業(yè)的學生，第9章不講，可根據(jù)各學校的情況，選講第4章中的匯編語言程序設計部分。本書共有9章。劉真編寫了第2、第4章及附錄，并進行了統(tǒng)稿。侯方勇編寫了第7、第8章，周麗濤編寫了第5章，姜晶菲編寫了第6章，劉芳編寫了第3章，任江春編寫了第1章和第9章。另外，與本書相關的資料請登錄華章網(wǎng)站(www．hzbook．com)查閱。在全書的編寫過程中，唐玉華作為系列課程負責人，對本書的編寫進行了全程指導，肖儂和沈立參與了所有的討論，并提出了很多有建設性的意見。編者結(jié)合多年的教學經(jīng)驗以及兄弟院校的反饋，對計算機軟件、計算機應用以及網(wǎng)絡專業(yè)的需求進行了有意識的整合，將硬件方面的知識匯集在一起，使得本書不但適合高等院校非計算機專業(yè)的學生，也適合計算機專業(yè)非硬件類學生學習。本書語言力求通俗易懂，便于自學。個別較深入的內(nèi)容，都標注了星號，以供不同層次的讀者選用。由于編寫時間緊以及編者水平的局限，錯誤與不足之處在所難免，敬請讀者和專家批評指正。

內(nèi)容概要

本書從硬件和軟件兩個方面闡述計算機系統(tǒng)的工作原理，內(nèi)容包括：計算機系統(tǒng)概述、數(shù)字電路分析與設計、運算方法與運算器、指令系統(tǒng)與匯編語言程序設計、存儲器、控制器、輸人輸出系統(tǒng)、總線、操作系統(tǒng)。其中，控制器部分通過一個實例，在整合前面各章所學知識的基礎上，從整體上闡述計算機的工作原理；輸入輸出部分偏向于從微機接口與應用的角度來介紹，操作系統(tǒng)則從資源管理的角度進行闡述?！　”緯勺鳛楦叩仍盒７怯嬎銠C專業(yè)學生的教材，也適合計算機專業(yè)非硬件類學生學習。

書籍目錄

前言第1章　概述　1.1　計算機的發(fā)展歷史　　1.1.1　計算機的產(chǎn)生與發(fā)展　　1.1.2　微型計算機的出現(xiàn)與發(fā)展　　1.1.3　軟件技術的興起與發(fā)展　1.2　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成　　1.2.1　存儲程序原理　　1.2.2　計算機硬件組成　　1.2.3　計算機軟件組成　　1.2.4　計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)　1.3　程序在計算機中的執(zhí)行過程　　1.3.1　計算機執(zhí)行的簡單實例　　1.3.2　從高級語言到機器語言　　1.3.3　硬件執(zhí)行機器語言　　1.3.4　操作系統(tǒng)和服務程序的作用　1.4　計算機性能評價　　1.4.1　計算機硬件技術指標　　1.4.2　計算機性能評價準則　1.5　計算機的應用與發(fā)展　　1.5.1　計算機的應用　　1.5.2　計算機的發(fā)展　習題第2章　數(shù)字電路分析與設計　2.1　布爾代數(shù)　　2.1.1　布爾代數(shù)及其基本運算　　2.1.2　布爾代數(shù)的基本公式　　2.1.3　布爾函數(shù)及其表示方法　　2.1.4　布爾函數(shù)的化簡與實現(xiàn)　2.2　組合邏輯電路分析與設計　　2.2.1　組合邏輯電路的分析　　2.2.2　組合邏輯電路的設計　2.3　同步時序邏輯電路分析與設計　　2.3.1　引言　　2.3.2　觸發(fā)器　　2.3.3　同步時序邏輯電路的分析　　2.3.4　同步時序邏輯電路的設計　習題第3章　運算方法和運算器　3.1　數(shù)據(jù)表示方法　　3.1.1　數(shù)據(jù)格式　　3.1.2　數(shù)的機器碼表示　　3.1.3　字符與字符串的表示方法　　3.1.4　可靠性編碼　3.2　基本運算　　3.2.1　邏輯運算　　3.2.2　算術運算　　3.2.3　移位運算　3.3　定點運算　　3.3.1　加減法運算　　3.3.2　定點乘法運算　　3.3.3　定點除法運算　3.4　定點運算器的組成　　3.4.1　多功能算術邏輯運算單元　　3.4.2　內(nèi)部總線　　3.4.3　定點運算器的基本結(jié)構(gòu)　3.5　浮點運算方法和浮點運算器　　3.5.1　浮點加（減）法運算　　3.5.2　浮點乘（除）法運算　　3.5.3　浮點運算器　習題第4章　指令系統(tǒng)與匯編語言程序設計　4.1　指令系統(tǒng)概述　4.2　8088微機硬件結(jié)構(gòu)簡介　　4.2.1　8086CPU及其寄存器　　4.2.2　8086微機系統(tǒng)的主存儲器與堆棧　　4.2.3　8086CPU能直接處理的數(shù)據(jù)及其存放形式　4.3　指令格式　　4.3.1　指令長度　　4.3.2　操作碼結(jié)構(gòu)　　4.3.3　地址碼結(jié)構(gòu)　　4.3.4　8086CPU指令格式　4.4　尋址方式　　4.4.1　概述　　4.4.2　8086匯編語言與尋址方式有關的一些定義和約定　　4.4.3　立即(數(shù))尋址　　4.4.4　直接尋址　　4.4.5　寄存器尋址　　4.4.6　寄存器間接尋址　　4.4.7　基址尋址　　4.4.8　變址尋址　　4.4.9　相對尋址　　4.4.10　基址變址尋址　4.5  指令與指令類型　　4.5.1　傳送類指令　　4.5.2　算術運算類指令　　4.5.3　位操作類指令　　4.5.4　串操作類指令　　4.5.5　程序控制類指令　　4.5.6　處理器控制類指令　4.6　8086匯編語言　　4.6.1　概述　　4.6.2　匯編語言源程序的結(jié)構(gòu)　　4.6.3　偽指令　4.7　子程序設計　4.8　系統(tǒng)功能調(diào)用習題第5章　存儲器第6章　控制器第7章　輸入輸出系統(tǒng)第8章　總線第9章　操作系統(tǒng)習題附錄A　匯編語言程序的上機實習指導附錄B　ASCII字符編碼表參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概述當今世界，電腦隨處可見，電腦在信息處理、輔助計算、過程模擬等領域已經(jīng)成為人們的有力助手。那么，什么是電腦？電腦就是電子計算機。計算機是人類創(chuàng)造的加工和處理信息的工具，它具有運算速度快、運算精度高、記憶功能強、通用性廣等特點，能夠自動地完成各種復雜的計算。如果說人類制造的機械工具擴展了四肢的功能，制造的測試工具擴展了五官的功能，那么計算機則可以說是延伸和擴展了的大腦功能。因此，人們習慣稱計算機為電腦，確也恰如其分。那么計算機究竟是如何構(gòu)成和怎樣工作的呢？本書將系統(tǒng)地探討計算機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和設計方法。作為開篇，本章將首先介紹計算機及其發(fā)展歷史，計算機軟硬件組成概況及其層次結(jié)構(gòu)，計算機的性能指標、分類，計算機的應用與發(fā)展等，使讀者對計算機有一個大體了解，并為后續(xù)章節(jié)的學習奠定基礎。1.1　計算機的發(fā)展歷史計算機是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一。它是人類文明發(fā)展的結(jié)晶，是科學技術發(fā)展的產(chǎn)物，是實現(xiàn)數(shù)字化、信息化的工具。本節(jié)我們將一同追溯計算機的誕生過程，并探尋計算機的發(fā)展歷程。1.1.1　計算機的產(chǎn)生與發(fā)展計算機的發(fā)明是建立在人類對計算認識不斷發(fā)展的基礎上的。在漫長的歷史過程中，人類對計算的認識經(jīng)歷了手工計算階段、機械計算階段和電子計算階段。1. 手工計算階段遠古時代，人類只能通過穴石、結(jié)繩和刻木等簡單方法記載發(fā)生過的事件。當它們所代表的具體時間無法分辨時，留下的只能是事件多少的記錄。因此，穴石、繩結(jié)、刻痕只能用于記數(shù)，它們是記數(shù)工具。在與自然界的斗爭中，人們逐漸不能滿足于對數(shù)的簡單記錄，迫切需要對數(shù)進行比較，即進行計算，人們發(fā)現(xiàn)十指是最方便、最簡單的計算工具。用十指對數(shù)進行度量，從而產(chǎn)生了十進制計數(shù)法，這是一大飛躍。它擴展了大腦的計算功能，以至于現(xiàn)今還被不少人用作計算的工具，而十進制計數(shù)法更是今天數(shù)學體系的計數(shù)制基礎。據(jù)史料記載，中國在公元前五六世紀就出現(xiàn)了算盤。這是人類應用時間最長、功能最完善的非自然化計算工具。人們不但制作了各種各樣精巧美觀的算盤，還形成了一整套運算口訣和操作方法。

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