計算機組成原理

前言

　　近20年里，計算機學科有了很大的發(fā)展，人們普遍認為，“計算機科學”這個名字已經(jīng)難以涵蓋該學科的內(nèi)容，因此，改稱其為計算學科（computing Discipline）。在我國本科教育中，1996年以前曾經(jīng)有計算機軟件專業(yè)和計算機及應用專業(yè)，之后被合并為計算機科學與技術專業(yè)。2004年以來，教育部計算機科學與技術專業(yè)教學指導分委員會根據(jù)我國計算機專業(yè)教育和計算學科的現(xiàn)狀，為更好地滿足社會對計算機專業(yè)人才的需求，發(fā)布了《高等學校計算機科學與技術專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范（試行）》（以下簡稱《規(guī)范》），提出在計算機科學與技術專業(yè)名稱之下，構(gòu)建計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術四大專業(yè)方向。《規(guī)范》中四大專業(yè)方向的分類，在于鼓勵辦學單位根據(jù)自己的情況設定不同的培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)更具針對性和特色的計算機專業(yè)人才。　　為配合《規(guī)范》的實施，落實中央“提高高等教育質(zhì)量”的精神，我們規(guī)劃了“面向計算機科學與技術專業(yè)規(guī)范系列教材”。本系列教材面向全新的計算學科，針對我國高等院校逐步向新的計算機科學與技術專業(yè)課程體系過渡的趨勢編寫，在知識選擇、內(nèi)容組織和教學方法等方面滿足《規(guī)范》的要求，并與國際接軌。本套教材具有以下幾個特點：　?。?）體現(xiàn)《規(guī)范》的基本思想，滿足其課程要求。為使教材符合我國高等院校的教學實際，編委會根據(jù)《規(guī)范》的要求規(guī)劃本套教材，廣泛征集在國內(nèi)知名高校中從事一線教學和科研工作、經(jīng)驗豐富的優(yōu)秀教師承擔編寫任務?！　。?）圍繞“提高教育質(zhì)量”的宗旨開發(fā)教材。為了確保“精品”，本系列教材的出版不走盲目擴大的路子，每本教材的選題都將由編委會集體論證，并由一名編委擔任責任編委，最大程度地保證這套教材的編寫水準和出版質(zhì)量。　?。?）教材內(nèi)容的組織科學、合理。體系得當。本套教材的編寫注重研究學科的新發(fā)展和新成果，能夠根據(jù)不同類型人才培養(yǎng)需求，合理地進行內(nèi)容取舍、組織和敘述，還精心設計了配套的實驗體系和練習體系。　?。?）教材風格鮮明。本套教材按4個專業(yè)方向統(tǒng)一規(guī)劃，分批組織，陸續(xù)出版。教材的編寫體現(xiàn)了現(xiàn)代教育理念，探討先進的教學方法?！　。?）開展教材立體化建設。根據(jù)需要配合主教材的建設適時開發(fā)實驗教材、教師參考書、學生參考書、電子參考資料等教輔資源，為教學實現(xiàn)多方位服務?！　∥覀冎孕南Ｍ鞠盗薪滩哪軌驗槲覈叩仍盒Ｓ嬎銠C科學與技術等專業(yè)的教學作出貢獻，歡迎廣大讀者廣為選用。

內(nèi)容概要

《計算機組成原理》系統(tǒng)地介紹計算機單機系統(tǒng)的基本組成和工作原理。全書共分九章，內(nèi)容包括：計算機系統(tǒng)概述、計算機中數(shù)據(jù)的表示及運算、存儲器系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理器CPu、總線技術及L／O系統(tǒng)。涵蓋了計算機各大部件的組成、工作原理、設計方法及其互聯(lián)構(gòu)成計算機整機的技術。讀者通過閱讀《計算機組成原理》，可對計算機系統(tǒng)有比較全面的了解，為進步深入學習和研究計算機系統(tǒng)奠定基礎?！队嬎銠C組成原理》可作為高等院校計算機及相關專業(yè)工程碩士及相關層次學生的教材，也可供從事計算機等領域工作的科技人員參考。

作者簡介

　　張新榮，天津大學計算機科學與技術學院教授；從事計算機組成原理課程教學工作多年，曾獲天津市教學楷模、天津大學教學名師等榮譽稱號，完成國家自然科學基金、863項目、天津市自然科學基金及橫向課題多項，發(fā)表學術論文幾十篇。主要研究方向為計算機圖像處理與分析。

書籍目錄

序言前言教學建議第1章 概論1.1 計算機的發(fā)展史1.1.1 第代到第四代電子數(shù)字計算機的簡單回顧1.1.2 第臺通用電子數(shù)字計算機誕生的基礎和歷史背景1.1.3 推動計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要事件1.2 計算機系統(tǒng)的基本組成1.2.1 計算機系統(tǒng)的軟硬件概念1.2.2 計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.3 計算機的軟件系統(tǒng)1.2.4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 計算機的性能指標思考題與習題第2章 數(shù)據(jù)在計算機中的表示2.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.1.1 進位計數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換2.1.2 數(shù)的符號表示2.1.3 數(shù)的小數(shù)點表示刀2.1.4 十進制數(shù)據(jù)表示弭2.2 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.2.1 邏輯數(shù)據(jù)2.2.2 字符及字符串的表示思考題與習題第3章 計算機的算術運算3.1 算術邏輯單元3.1.1 加法器及其進位結(jié)構(gòu)3.1.2 多功能算術邏輯單元3.2 定點運算3.2.1 定點加減運算3.2.2 定點乘法運算3.2.3 定點除法運算3.3 運算器組織3.3.1 運算器組織3.3.2 位片式運算器3.4 浮點運算3.4.1 浮點加減運算3.4.2 浮點乘除運算3.4.3 浮點運算所需要的硬件思考題與習題第4章 存儲系統(tǒng)4.1 概述4.1.1 存儲器的主要技術指標4.1.2 存儲器的分類4.1.3 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)4.1.4 存儲體系4.2 主存儲器4.2.1 主存儲器基本結(jié)構(gòu)與操作4.2.2 半導體隨機存儲器4.2.3 只讀存儲器(ROM)4.2.4 多體交叉存儲器4.2.5 校驗碼4.2.6 相聯(lián)存儲器和雙口存儲器4.3 高速緩沖存儲器4.3.1 Cache的工作原理4.3.2 主存－Cache地址映象和地址變換4.3.3 替換算法4.3.4 高速緩存的寫策略4.4 虛擬存儲器4.4.1 虛擬存儲器概論4.4.2 頁式虛擬存儲器4.4.3 段式及段頁式虛擬存儲器思考題與習題第5章 指令系統(tǒng)5.1 機器指令5.1.1 機器指令格式5.1.2 操作數(shù)類型和存儲方式5.1.3 指令的操作類型5.2 尋址方式5.2.1 指令的尋址方式5.2.2 操作數(shù)的尋址方式5.2.3 尋址方式舉例5.3 指令格式舉例5.3.1 Pentium指令格式5.3.2 PowerPC指令格式5.4 RISC技術5.4.1 RISC技術的提出5.4.2 RISC和CISC技術的比較5.4.3 RISC和CISC執(zhí)行程序所需的時間比較思考題與習題第6章 中央處理器6.1 CPU的功能和組成6.1.1 CPU的功能6.1.2 CPU的組成6.2 時序控制方式與時序系統(tǒng)6.2.1 時序控制方式6.2.2 時序系統(tǒng)6.3 模型機指令的執(zhí)行過程6.3.1 模型機的數(shù)據(jù)通路6.3.2 模型機的指令系統(tǒng)6.3.3 模型機的時序系統(tǒng)6.3.4 模型機指令的執(zhí)行過程6.4 模型機控制器的硬布線設計6.4.1 設計方法6.4.2 模型機組合邏輯控制器框圖6.5 模型機控制器的微程序設計6.5.1 微程序控制的基本原理6.5.2 微程序設計技術6.5.3 模型機的微程序設計6.5.4 微程序技術的應用6.6 CPU的流水線技術6.6.1 流水線的基本概念6.6.2 流水線的分類6.6.3 流水線中的主要問題6.6.4 線性流水線的性能6.6.5 高級流水線思考題與習題第7章 總線7.1 總線概述7.1.1 總線的組成7.1.2 總線性能指標7.1.3 總線標準7.2 總線結(jié)構(gòu)7.2.1 總線結(jié)構(gòu)的物理實現(xiàn)7.2.2 多總線結(jié)構(gòu)7.3 總線控制7.3.1 總線仲裁7.3.2 總線通信控制7.4 實用總線標準7.4.1 PCI總線7.4.2 PCIExpress總線思考題與習題第8章 外部設備8.1 輸出設備8.1.1 打印機8.1.2 顯示設備8.2 輸入設備8.2.1 鍵盤8.2.2 鼠標器8.2.3 觸摸屏8.3 輔助存儲器8.3.1 輔助存儲器的種類與技術指標8.3.2 磁記錄原理8.3.3 編碼方式8.3.4 磁盤存儲器8.3.5 RAID（冗余磁盤陣列）8.3.6 磁帶存儲器8.3.7 光盤存儲器思考題與習題第9章 輸入輸出系統(tǒng)9.1 概述9.1.1 輸入輸出系統(tǒng)的組成9.1.2 I／O設備與主機的連接方式9.1.3 I／O設備與主機的信息交換方式9.2 I／O接口9.2.1 I／O接口的功能9.2.2 I／O接口的分類9.2.3 I／O接口的基本組成9.2.4 I／O接口舉例9.3 程序直接控制方式9.4 程序中斷控制方式9.5 DMA(直接存儲器訪問)方式9.6 I／O通道方式思考題與習題參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　1.1　計算機的發(fā)展史　　1.1.2　第一臺通用電子數(shù)字計算機誕生的基礎和歷史背景　　從古至今，人們一直在不斷地探求能夠更快地進行計算的工具，可以說這種探求從來就沒有停止過。客觀地說，ENIAC之所以被稱為第一臺通用電子數(shù)字計算機，是因為ENIAC正好符合了后人對通用電子數(shù)字計算機特征的定義?！　⊥ㄓ秒娮訑?shù)字計算機必須具有如下四方面的特征：　　用離散符號表示數(shù)據(jù)，即計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示使用離散符號，這是區(qū)分數(shù)字計算 機與模擬計算機的重要標志。　　完全使用電子運算裝置，即計算機內(nèi)部的所有運算裝置完全使用電子的形式，這是區(qū)分電子計算機、機電計算機和機械計算機的重要標志?！　】梢跃帉懗绦颍从嬎銠C的功能可以通過運行不同的程序而改變，這是區(qū)分通用計算機和專用計算機的重要標志。　　圖靈完備（Turing—complete），即如果一個計算系統(tǒng)能夠計算任何圖靈可計算問題（Turing—computable function），就稱之為圖靈完備?！　”?—1簡要列出了20世紀40年代初期出現(xiàn)的一些數(shù)字計算機的特征，從中可以看出無論計算機采用的數(shù)值是二進制還是十進制，都是使用離散符號表示數(shù)據(jù)，因此都是數(shù)字計算機；德國的Z3計算機和美國的Mark I計算機，由于運算機制是機電結(jié)合的方式，因此都不能稱為電子計算機；美國的Atanasoff—BeiTy計算機明顯是專用計算機，不能稱為通用計算機；英國的Colossus計算機不具備圖靈完備性；只有美國的ENIAC計算機完全具備了通用電子數(shù)字計算機的所有特征。　　……

編輯推薦

《計算機組成原理》系統(tǒng)介紹了計算機系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作原理。在查閱了大量最新資料和文獻的基礎上，由作者結(jié)合多年的教學經(jīng)驗編寫而成，全書內(nèi)容充實，重點突出，通俗易懂。《計算機組成原理》的主要特色：內(nèi)容組織合理，既注重基礎知識的講述，又兼具系統(tǒng)性和先進性。文字敘述簡潔明了、通俗易懂，既便于教師課堂講授，又便于自學者閱讀。理論與實踐交叉融合，對重點、難點知識，都安排相應的例題以幫助理解。思考題與習題按章節(jié)的知識點選擇、組織，做到學以致用。 

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