計算機組成原理

前言

　　作為一個工科計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教育工作者，本書的主要作者教過許多門硬件方面的課程，用過許多教材，在獲益匪淺的同時，總感到有些不足，那就是許多教材存在的冗余較多。隨著近年來新課程的進一步增多，每門課所給的課時也越來越少，使這個問題顯得尤為突出。除此之外，就是教材與本門課程的相關(guān)課程呼應(yīng)較少，造成教材的不必要重復(fù)。為此，編寫一本適用于計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和相近專業(yè)大學(xué)本科生的“計算機組成原理”教材，是編者們多年的夙愿。　　本教材注意到了相關(guān)課程的設(shè)置，前導(dǎo)課程“數(shù)字電路”的內(nèi)容這里不再講授。后續(xù)課程“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容這里不重點講授。第1～6章是基本內(nèi)容，第7～9章是取舍內(nèi)容，第10章是閱讀內(nèi)容。后續(xù)課不開“微機原理與接口”課的學(xué)校可講第8章和第9章；要求高的學(xué)校可以講授第7章。第7章講述一個模型計算機的設(shè)計實例，是本教材的特色，這是作者所在學(xué)校教師多年來進行計算機組成原理實踐教學(xué)的成果總結(jié)，是學(xué)生實驗的實用電路。讀者可以在所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，自己動手組成一臺教學(xué)模型計算機進行實驗，更加深入地理解計算機組成原理?！　榱耸棺x者更好、更快地學(xué)懂計算機組成原理，本教材精選了與教材內(nèi)容配套的習(xí)題，供讀者練習(xí)?！　⒓颖窘滩木帉懙亩际侵v授本課程的一線教師，其中，第6章、第8～10章由耿恒山編寫；第1章、第5章由張軍編寫；第2章、第3章由田紅麗編寫；第7章由劉肅編寫；第4章由董永峰編寫；第6章、第8章、第9章的插圖由翟艷東繪制，并編寫了附錄；全書由耿恒山統(tǒng)稿。　　本書參照2009年全國碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計算機學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課綜合考試大綱編寫，可以作為考研參考書?！　∮捎诰幷叩膶W(xué)識水平有限，教材中總會有一些缺憾與不足，誠摯地期望廣大讀者提出寶貴意見。

內(nèi)容概要

　　《高等院校規(guī)劃教材·計算機科學(xué)與技術(shù)系列：計算機組成原理》共10章，第1～6章主要講述計算機組成的基本原理，包括計算機系統(tǒng)概述、計算機中的數(shù)據(jù)表示、運算方法與運算器、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理器等計算機組成的基本知識。第8章、第9章講述總線和輸入輸出系統(tǒng)，是計算機系統(tǒng)與外部的接口部分。第10章講述計算機外部設(shè)備?！　〉?章講述一個模型計算機的設(shè)計實例。這一章的內(nèi)容是作者所在學(xué)校教師多年來進行計算機組成原理實踐教學(xué)的成果總結(jié)，是學(xué)生實驗的實用電路。讀者可以根據(jù)教材內(nèi)容搭建一臺教學(xué)模型計算機進行實驗，更加深入地理解計算機組成原理?！　　陡叩仍盒Ｒ?guī)劃教材·計算機科學(xué)與技術(shù)系列：計算機組成原理》參照2009年全國碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計算機學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課綜合考試大綱編寫，可以作為計算機專業(yè)大學(xué)本科及相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科“計算機組成原理”課的教材和考研用書，也可作為計算機工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

出版說明前言第1章 計算機系統(tǒng)概述 11.1 計算機的基本概念 11.1.1 電子數(shù)字計算機的基本含義 11.1.2 計算機的特點 11.1.3 計算機的分類 11.1.4 計算機的主要性能指標(biāo) 31.2 計算機的發(fā)展歷程 41.2.1 現(xiàn)代計算機的發(fā)展 41.2.2 我國計算機的發(fā)展 41.3 計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 51.3.1 “存儲程序控制”的概念 51.3.2 馮?諾依曼計算機硬件結(jié)構(gòu) 61.3.3 計算機的各功能部件簡介 71.4 計算機系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 81.4.1 計算機軟件的組成及分類 81.4.2 計算機軟件的發(fā)展 91.5 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 91.5.1 計算機系統(tǒng)的多級層次 101.5.2 軟、硬件關(guān)系 101.6 計算機處理問題的過程 101.6.1 計算機處理問題的一般步驟 101.6.2 計算機執(zhí)行指令的過程 101.7 計算機的應(yīng)用領(lǐng)域 111.8 習(xí)題 11第2章 計算機中數(shù)據(jù)表示 122.1 數(shù)據(jù)的編碼 122.2 數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示 122.2.1 進位計數(shù)制及其各進位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 132.2.2 定點與浮點表示 162.2.3 編碼系統(tǒng) 172.2.4 浮點數(shù)的編碼表示 212.2.5 無符號數(shù)的表示 232.2.6 十進制數(shù)的二進制編碼 232.3 非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示 242.3.1 邏輯數(shù)據(jù) 242.3.2 字符數(shù)據(jù) 252.4 數(shù)據(jù)校驗 252.4.1 奇偶校驗 262.4.2 海明校驗 282.4.3 循環(huán)冗余校驗 312.5 習(xí)題 34第3章 運算方法與運算器 353.1 定點數(shù)加減法運算 353.1.1 補碼加法運算 353.1.2 補碼減法運算 353.1.3 溢出判斷 363.2 定點數(shù)乘法運算 383.2.1 原碼乘法 393.2.2 補碼乘法 423.3 定點數(shù)除法運算 473.3.1 原碼恢復(fù)余數(shù)除法 483.3.2 原碼加減交替除法 493.3.3 并行陣列除法器 503.4 浮點數(shù)運算 523.4.1 浮點數(shù)的加減法運算 523.4.2 浮點數(shù)的乘除法運算 553.5 定點運算器 573.5.1 加法器 573.5.2 算術(shù)邏輯運算單元 603.6 浮點運算器簡介 643.7 習(xí)題 64第4章 存儲系統(tǒng) 664.1 存儲器概述 664.1.1 存儲器分類 664.1.2 存儲器的分級結(jié)構(gòu) 674.1.3 存儲器的技術(shù)指標(biāo) 694.2 主存儲器 704.2.1 SRAM存儲器 704.2.2 DRAM存儲器 754.2.3 主存儲器與CPU的連接 794.2.4 只讀存儲器 814.2.5 閃速存儲器 834.3 并行存儲器 834.3.1 雙端口存儲器 834.3.2 多體交叉存儲器 844.3.3 相聯(lián)存儲器 864.4 Cache 874.4.1 Cache的基本原理 874.4.2 主存與Cache的地址映像 884.4.3 替換算法 904.4.4 寫策略 914.5 虛擬存儲器 924.5.1 虛擬存儲器的基本概念 924.5.2 虛擬存儲器的特點 934.5.3 頁式虛擬存儲器 934.5.4 段式虛擬存儲器 954.5.5 段頁式虛擬存儲器 964.6 習(xí)題 97第5章 指令系統(tǒng) 995.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 995.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 995.1.2 對指令系統(tǒng)性能的要求 1005.2 指令格式 1005.2.1 操作碼 1005.2.2 地址碼 1025.2.3 指令字長度 1035.2.4 指令助記符 1045.3 尋址方式 1045.3.1 指令的尋址方式 1055.3.2 操作數(shù)的尋址方式 1065.3.3 堆棧尋址方式 1105.4 指令系統(tǒng)舉例 1125.4.1 Pentium指令系統(tǒng)的指令格式 1125.4.2 Pentium指令系統(tǒng)的尋址方式 1135.5 復(fù)雜指令系統(tǒng)與精簡指令系統(tǒng) 1145.5.1 復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機 1145.5.2 精簡指令系統(tǒng)計算機 1155.6 習(xí)題 115第6章 中央處理器 1186.1 控制器的功能與組成 1186.1.1 控制器的功能 1186.1.2 控制器的組成 1196.1.3 指令執(zhí)行過程舉例 1206.2 微程序控制器的基本工作原理 1236.2.1 微程序控制的基本概念 1236.2.2 實現(xiàn)微程序控制的基本原理 1246.3 微程序設(shè)計技術(shù) 1306.3.1 微指令的編譯法 1306.3.2 微程序流的控制 1326.3.3 微指令的格式 1356.3.4 微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計 1366.3.5 微程序設(shè)計語言 1396.4 組合邏輯控制的計算機 1416.4.1 時序與節(jié)拍 1416.4.2 操作控制信號的產(chǎn)生 1426.4.3 組合邏輯控制器的組成 1466.4.4 組合邏輯控制器與微程序控制器的比較 1476.5 控制器的控制方式 1476.6 指令流水線技術(shù) 1496.6.1 流水線與超標(biāo)量流水線 1496.6.2 超流水線 1506.6.3 流水線中的主要問題及動態(tài)流水線 1516.7 習(xí)題 152第7章 模型計算機設(shè)計 1567.1 設(shè)計思想 1567.2 運算器設(shè)計 1567.2.1 運算器數(shù)據(jù)通路方案 1567.2.2 運算器數(shù)據(jù)通路調(diào)試 1577.3 存儲器設(shè)計 1597.3.1 存儲器數(shù)據(jù)通路方案 1597.3.2 存儲器數(shù)據(jù)通路調(diào)試 1597.4 時序電路設(shè)計 1607.4.1 對啟/停電路的要求 1607.4.2 啟/停電路的工作過程 1617.4.3 節(jié)拍脈沖形成電路 1617.5 數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)設(shè)計 1637.5.1 數(shù)據(jù)格式 1637.5.2 尋址方式 1647.5.3 指令系統(tǒng)設(shè)計 1647.5.4 面板控制指令 1677.6 整機數(shù)據(jù)通路設(shè)計 1687.7 指令的微程序操作流程 1717.8 微程序控制器設(shè)計 1727.9 指令的執(zhí)行過程舉例 1817.10 習(xí)題 182第8章 總線系統(tǒng) 1848.1 總線的概念及結(jié)構(gòu) 1848.1.1 總線的基本概念 1848.1.2 總線的連接方式 1858.1.3 總線結(jié)構(gòu)對計算機系統(tǒng)性能的影響 1878.1.4 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1878.2 總線接口 1898.2.1 信息的傳遞方式 1898.2.2 總線接口的基本概念 1908.3 總線仲裁 1928.3.1 集中式仲裁 1928.3.2 分布式仲裁 1948.4 總線定時 1948.4.1 同步定時 1948.4.2 異步定時 1958.5 總線數(shù)據(jù)的傳送模式 1968.6 常用的系統(tǒng)總線 1968.6.1 ISA總線 1968.6.2 EISA總線 1988.6.3 VESA總線 1998.6.4 PCI總線 2008.6.5 Future bus+總線簡介 2038.7 外部總線實例 2048.7.1 RS-232C總線 2048.7.2 USB總線 2058.7.3 IEEE 1394 2088.7.4 IDE/EIDE總線接口 2108.7.5 SCSI總線接口 2118.8 習(xí)題 213第9章 I/O接口 2149.1 I/O接口的功能與類型 2149.1.1 I/O接口的基本功能 2159.1.2 I/O接口的基本類型 2159.2 I/O接口的結(jié)構(gòu) 2169.2.1 接口硬件的結(jié)構(gòu) 2169.2.2 接口軟件 2189.3 I/O接口的編址方式 2189.3.1 I/O端口與存儲器單元統(tǒng)一編址 2199.3.2 I/O端口獨立編址 2199.4 I/O接口的數(shù)據(jù)傳送機制 2219.4.1 無條件傳送方式及其接口 2219.4.2 程序查詢方式 2229.5 程序中斷方式 2249.5.1 中斷的功能、類型與過程管理 2249.5.2 程序中斷的基本接口 2269.5.3 單級中斷與多級中斷 2279.6 DMA方式 2309.6.1 DMA的幾種傳送方式 2319.6.2 DMA控制器 2329.7 通道方式 2349.7.1 通道的概念 2349.7.2 通道的功能 2359.7.3 通道的類型 2379.8 習(xí)題 238第10章 外部設(shè)備 24010.1 外部設(shè)備概述 24010.1.1 外部設(shè)備的功能 24010.1.2 外部設(shè)備的分類 24010.2 輸入設(shè)備 24110.2.1 鍵盤 24110.2.2 鼠標(biāo) 24410.2.3 光筆、游動標(biāo)和圖形板 24610.2.4 觸摸屏 24610.2.5 聲音輸入/輸出設(shè)備——聲卡 24810.2.6 圖形與文字輸入設(shè)備——掃描儀 25110.2.7 數(shù)碼相機/攝像機 25210.3 輸出設(shè)備 25310.3.1 顯示器 25310.3.2 打印機 25710.4 外存儲器設(shè)備 26410.4.1 硬磁盤存儲設(shè)備 26410.4.2 光盤存儲設(shè)備 26710.5 習(xí)題 270附錄 271附錄A 模型計算機總圖 271附錄B 模型計算機微指令總表 273參考文獻 276

章節(jié)摘錄

　　第1章　計算機系統(tǒng)概述　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了計算機的誕生。計算機系統(tǒng)是一個由軟件和硬件組成的復(fù)雜的自動化設(shè)備。本章從計算機的基本概念、發(fā)展歷程，計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，計算機的工作過程等幾個方面，簡要地介紹計算機的概貌及工作原理?！　?.1　計算機的基本概念　　1.1.1　電子數(shù)字計算機的基本含義　　電子數(shù)字計算機是一種不需要人的干預(yù)，能夠自動連續(xù)地、快速地、準確地完成信息存儲、數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理和過程控制等多種功能的電子機器。電子邏輯器件是它的物質(zhì)基礎(chǔ)，其基本功能是進行數(shù)字化信息處理，人們常稱其為電子計算機或計算機?！　∮嬎銠C自問世以來，發(fā)展異常迅速，應(yīng)用十分廣泛。從尖端科學(xué)領(lǐng)域到人類社會生活，到處都可看到由計算機所帶來的深刻變化和深遠的影響。不少科學(xué)家認為：計算機的發(fā)明和應(yīng)用，在人類文明史中像蒸汽機的發(fā)明一樣，具有劃時代的歷史意義。　　1.1.2　計算機的特點　　快速性：由于計算機中使用了具有高速開關(guān)性能的電子邏輯元件和“存儲程序”（StoredProgram）結(jié)構(gòu)原理，這兩者相結(jié)合從而獲得了快速性和自動連續(xù)性?！　蚀_性：被計算機程序加工處理的對象，除了數(shù)值量之外，還有語言、文字、圖形、符號和音樂等各種各樣的信息。這些信息在計算機中都是用數(shù)字化信息編碼來表示的，而數(shù)字化編碼技術(shù)可以用增加數(shù)位的方法來保證運算和控制的極高準確性。　　邏輯性：由于計算機中常用的數(shù)字化編碼是二進制編碼，便于采用邏輯函數(shù)，具有邏輯判斷和處理的能力。因此，它能把各種運算有機地組成復(fù)雜多變的計算機控制流程?！　∮洃浶裕河嬎銠C能夠自動連續(xù)地進行工作，是因為它具有存儲器。存儲器能夠記憶各種程序和數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同任務(wù)的需要，方便、靈活地進行調(diào)用：“記憶”是實現(xiàn)自動化工作的關(guān)鍵?！　⊥ㄓ眯裕喝魏螐?fù)雜而繁重的信息處理任務(wù)，計算機都能把它分解為大量的基本算術(shù)運算和邏輯操作，并通過相應(yīng)的指令，按先后執(zhí)行的次序組成各種程序來完成。這些程序中既有由用戶編寫、利用輸入設(shè)備隨時輸入的用戶程序，又有大量事先編好的由廠商提供的常駐計算機內(nèi)部的系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序包。這些存儲于計算機中的程序，可以根據(jù)不同任務(wù)的需要從存儲器中調(diào)出來運行，而且非常靈活，易于變更，具有極大的通用性。

編輯推薦

　　《計算機組成原理》參照2009年全國碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計算機學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課綜合考試大綱編寫，可以作為計算機專業(yè)大學(xué)本科及相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科“計算機組成原理”課的教材和考研用書，也可作為計算機工程技術(shù)人員的參考書。

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