計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)

前言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件是軟件的物理基礎(chǔ)，掌握計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用具有重大支持作用。 在我國(guó)高等學(xué)?！坝?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范”中，硬件技術(shù)屬于“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織”知識(shí)領(lǐng)域。在目前我國(guó)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科教學(xué)計(jì)劃中，硬件技術(shù)系列課程有：數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微機(jī)原理及接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。但是，對(duì)于以軟件開(kāi)發(fā)為主的軟件工程方向和以系統(tǒng)應(yīng)用為主的信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)工程）方向來(lái)說(shuō)，既沒(méi)有如此多的學(xué)時(shí)，也沒(méi)有必要這樣進(jìn)行硬件技術(shù)教學(xué)。所以，“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范”對(duì)軟件工程和信息技術(shù)方向推薦的教學(xué)計(jì)劃中只有一門(mén)硬件技術(shù)核心課程，可以稱之為“計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”，希望通過(guò)本課程讓學(xué)生全面了解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，熟悉計(jì)算機(jī)工作原理。非計(jì)算機(jī)本科專業(yè)，尤其是電子、機(jī)電等與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相關(guān)的專業(yè)也有類似的要求，一般將該課程稱之為“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”。?？?、高職的計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)也屬于同樣情況，往往開(kāi)設(shè)一門(mén)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程。 為此，遵循我國(guó)“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范”等指導(dǎo)性文件，參考非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)要求，考慮計(jì)算機(jī)等專科專業(yè)的教學(xué)情況，結(jié)合實(shí)際教學(xué)，我們編寫(xiě)了本書(shū)。與同類教材相比，本書(shū)具有以下特點(diǎn)。 1．綜合計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)核心內(nèi)容 本書(shū)綜合了目前計(jì)算機(jī)專業(yè)所有硬件技術(shù)課程的核心內(nèi)容。各章結(jié)構(gòu)以 “計(jì)算機(jī)組成”為主體，結(jié)合“微機(jī)原理”實(shí)例，包括系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)、總線、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出接口等教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)實(shí)例理解原理。 本書(shū)的第3章是數(shù)字邏輯基礎(chǔ)，用來(lái)彌補(bǔ)未單獨(dú)開(kāi)設(shè)“數(shù)字邏輯”課程的問(wèn)題，為讀者理解基本電路提供方便，使其適合軟件工程、非電類等專業(yè)學(xué)生和普通軟件開(kāi)發(fā)人員。 “計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”核心內(nèi)容在本書(shū)的最后一章“處理器性能提高技術(shù)”中體現(xiàn)，其中包括性能評(píng)測(cè)、指令流水線、向量處理機(jī)等內(nèi)容，還跟蹤了計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展，特別介紹了超標(biāo)量、動(dòng)態(tài)執(zhí)行、多媒體指令、多線程、多核等先進(jìn)技術(shù)。 2．面向軟件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用取舍內(nèi)容 本書(shū)不同于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的“計(jì)算機(jī)組成原理”或“計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”教材，因?yàn)檫@些教材從計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的角度展開(kāi)，深入到電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的數(shù)字邏輯知識(shí)。本書(shū)則從應(yīng)用的角度解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不以設(shè)計(jì)者觀點(diǎn)論述技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 例如，本書(shū)舍棄了運(yùn)算方法和運(yùn)算器電路、微程序控制器和硬布線控制器，只是簡(jiǎn)單介紹運(yùn)算原理和微程序、硬布線技術(shù)的特點(diǎn)。另一方面，通過(guò)舉例說(shuō)明C語(yǔ)言的整數(shù)、字符、浮點(diǎn)數(shù)類型，有助于讀者更好地理解數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也使得學(xué)生深刻體會(huì)硬件對(duì)軟件的支持。使用高級(jí)語(yǔ)言程序?qū)嵗慕虒W(xué)內(nèi)容還有存儲(chǔ)器地址、局部性原理等。 本書(shū)的許多教學(xué)內(nèi)容都以應(yīng)用為例，不僅僅是為了理解工作原理。例如，對(duì)于實(shí)數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)編碼，直接使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)格式；對(duì)于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)單介紹MIPS處理器；超長(zhǎng)指令字技術(shù)引出安騰處理器。 3．以IA-32處理器和個(gè)人計(jì)算機(jī)為實(shí)例 有別于寬泛的舉例，本書(shū)以具有典型意義的IA-32處理器和桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)為實(shí)例，使得學(xué)生在理解計(jì)算機(jī)工作原理的同時(shí)，熟悉廣泛使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如，寄存器結(jié)構(gòu)、指令編碼、尋址方式、常用指令等都以IA-32處理器舉例，由此自然引出匯編語(yǔ)言。 本書(shū)不同于目前國(guó)內(nèi)的“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”教材，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上與“微機(jī)原理及接口技術(shù)”教材內(nèi)容幾乎完全相同，其中匯編語(yǔ)言和接口技術(shù)內(nèi)容過(guò)深，但缺少計(jì)算機(jī)組成和結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容。為此，本書(shū)強(qiáng)調(diào)基本概念和工作原理，淡化技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。例如，重點(diǎn)學(xué)習(xí)32位基本指令而不是所有指令泛泛而談；抓住處理器和總線的關(guān)鍵信號(hào)，而不詳細(xì)展開(kāi)所有引腳功能；重點(diǎn)說(shuō)明存儲(chǔ)器地址譯碼原理，而不分析存儲(chǔ)器芯片的連接細(xì)節(jié)。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》以IA-32處理器和32位個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為實(shí)例，從軟件開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的角度，論述了計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，包括IA-32處理器的發(fā)展和微機(jī)組成、數(shù)據(jù)表示、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、處理器結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)、總線系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出接口，還特別介紹了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)、高速緩沖存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)管理、指令流水線、多媒體指令、超標(biāo)量、動(dòng)態(tài)執(zhí)行、多線程、多核等提高處理器性能的先進(jìn)技術(shù)?！　　队?jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》適合作為普通高等院校面向軟件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)應(yīng)用的計(jì)算機(jī)專業(yè)的“計(jì)算機(jī)組成原理”或“計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)”課程的教材或參考書(shū)，同時(shí)也適合作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)的“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)”課程的教材或參考書(shū)。此外，《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》面向一般學(xué)生和普通讀者寫(xiě)作，起點(diǎn)低、內(nèi)容精練、敘述深入淺㈩，適合軟件丁程、信息技術(shù)及電子、通信和自控等電類專業(yè)的本科學(xué)生使用，也適合計(jì)算機(jī)等專業(yè)的高職高專、成教學(xué)生以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員、希望深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的普通讀者和培訓(xùn)班學(xué)員使用。

書(shū)籍目錄

前言第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況1.1.2 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.2 Intel80x86系列處理器1.2.1 16位80x86處理器1.2.2 IA-32處理器1.2.3 Intel64處理器1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3.1 馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1.3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)1.3.3 PC微機(jī)結(jié)構(gòu)1.3.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.5 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)第1章總結(jié)第1章習(xí)題第2章 數(shù)據(jù)表示2.1 數(shù)制2.1.1 二進(jìn)制和十六進(jìn)制2.1.2 數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換2.2 整數(shù)編碼2.2.1 定點(diǎn)整數(shù)格式2.2.2 有符號(hào)整數(shù)編碼2.3 字符編碼2.3.1 BCD2.3.2 ASCII2.3.3 Unicode2.4 實(shí)數(shù)編碼2.4.1 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式2.4.2 浮點(diǎn)數(shù)的舍入控制2.5 校驗(yàn)編碼2.5.1 奇偶校驗(yàn)碼2.5.2 海明碼2.5.3 循環(huán)冗余碼第2章總結(jié)第2章習(xí)題第3章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ)3.1 邏輯代數(shù)3.1.1 邏輯關(guān)系3.1.2 邏輯代數(shù)的運(yùn)算規(guī)則3.1.3 邏輯函數(shù)的形式、轉(zhuǎn)換及化簡(jiǎn)3.2 邏輯門(mén)電路3.2.1 門(mén)電路實(shí)現(xiàn)3.2.2 集成電路3.2.3 三態(tài)門(mén)3.3 組合邏輯電路3.3.1 編碼器3.3.2 譯碼器3.3.3 加法器3.4 時(shí)序邏輯電路3.4.1 觸發(fā)器3.4.2 寄存器3.4.3 計(jì)數(shù)器3.5 可編程邏輯器件3.5.1 PLD器件3.5.2 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化第3章總結(jié)第3章習(xí)題第4章 處理器4.1 處理器組成4.1.1 控制器4.1.2 運(yùn)算器4.2 處理器結(jié)構(gòu)4.2.1 處理器的基本結(jié)構(gòu)4.2.2 8086的功能結(jié)構(gòu)4.2.3 80386的功能結(jié)構(gòu)4.2.4 Pentium的功能結(jié)構(gòu)4.3 寄存器4.3.1 通用寄存器4.3.2 標(biāo)志寄存器4.3.3 專用寄存器4.4 存儲(chǔ)器組織4.4.1 存儲(chǔ)模型4.4.2 工作方式4.4.3 邏輯地址第4章總結(jié)第4章習(xí)題第5章 指令系統(tǒng)5.1 指令格式5.1.1 指令編碼5.1.2 IA32指令格式5.2 尋址方式5.2.1 數(shù)據(jù)尋址5.2.2 指令尋址5.2.3 堆棧及堆棧尋址5.3 通用指令及其功能5.3.1 數(shù)據(jù)傳送類指令5.3.2 算術(shù)運(yùn)算類指令5.3.3 位操作類指令5.3.4 控制轉(zhuǎn)移類指令5.4 匯編語(yǔ)言基礎(chǔ)5.4.1 語(yǔ)句格式5.4.2 源程序框架5.4.3 開(kāi)發(fā)過(guò)程5.5 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)技術(shù)5.5.1 復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集5.5.2 RISC技術(shù)的主要特點(diǎn)5.5.3 MIPS處理器第5章總結(jié)第5章習(xí)題第6章 總線系統(tǒng)6.1 總線技術(shù)6.1.1 總線類型6.1.2 總線的數(shù)據(jù)傳輸6.1.3 總線信號(hào)和總線時(shí)序6.2 8086的引腳信號(hào)6.2.1 地址/數(shù)據(jù)信號(hào)6.2.2 讀寫(xiě)控制信號(hào)6.2.3 其他控制信號(hào)6.3 8086的總線時(shí)序6.3.1 寫(xiě)總線周期6.3.2 讀總線周期6.4 Pentium處理器的引腳和時(shí)序6.4.1 引腳定義6.4.2 總線周期6.5 微機(jī)系統(tǒng)總線6.5.1 PC機(jī)總線的發(fā)展6.5.2 ISA總線6.5.3 PCI總線6.5.4 USB總線第6章總結(jié)第6章習(xí)題第7章 存儲(chǔ)系統(tǒng)7.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)7.1.1 技術(shù)指標(biāo)7.1.2 層次結(jié)構(gòu)7.1.3 局部性原理7.2 主存儲(chǔ)器7.2.1 讀寫(xiě)存儲(chǔ)器7.2.2 只讀存儲(chǔ)器7.2.3 存儲(chǔ)器地址譯碼7.2.4 主存空間分配7.3 高速緩沖存儲(chǔ)器7.3.1 工作原理7.3.2 地址映射7.3.3 替換算法7.3.4 寫(xiě)入策略7.3.5 80486的L1Cache7.3.6 Pentium的L1Cache7.4 存儲(chǔ)管理7.4.1 段式存儲(chǔ)管理7.4.2 頁(yè)式存儲(chǔ)管理第7章總結(jié)第7章習(xí)題第8章 輸入輸出接口8.1 I/O接口概述8.1.1 I/O接口的典型結(jié)構(gòu)8.1.2 I/O端口的編址8.1.3 輸入輸出指令8.2 外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式8.2.1 無(wú)條件傳送8.2.2 查詢傳送8.2.3 中斷傳送8.2.4 中斷控制系統(tǒng)8.2.5 DMA傳送8.3 常用輸入輸出接口8.3.1 定時(shí)控制接口8.3.2 并行接口8.3.3 異步串行通信接口8.3.4 模擬接口第8章總結(jié)第8章習(xí)題第9章 處理器性能提高技術(shù)9.1 并行處理技術(shù)9.1.1 并行性概念9.1.2 并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分類9.1.3 計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)9.2 指令級(jí)并行9.2.1 指令流水線技術(shù)9.2.2 超標(biāo)量技術(shù)9.2.3 動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)9.2.4 超長(zhǎng)指令字技術(shù)9.3 數(shù)據(jù)級(jí)并行9.3.1 向量處理機(jī)9.3.2 多媒體指令9.4 線程級(jí)并行9.4.1 同時(shí)多線程技術(shù)9.4.2 單芯片多處理器技術(shù)第9章總結(jié)第9章習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：桌面PC具有快速處理器和性能較高的特點(diǎn)，這是因?yàn)樗褂孟冗M(jìn)的微結(jié)構(gòu)，但同時(shí)體積、功耗和發(fā)熱量都很大。而可移動(dòng)設(shè)備卻需要在性能與物理封裝、電池壽命和冷卻方面進(jìn)行折中。過(guò)去，Intel公司使用NetBurst微結(jié)構(gòu)支持高性能計(jì)算，使用Pentium M微結(jié)構(gòu)支持移動(dòng)應(yīng)用?，F(xiàn)在，Intel Core（酷睿）微結(jié)構(gòu)同時(shí)提高了性能并降低了功耗，成為新一代Intel 80x86結(jié)構(gòu)的多核處理器的基礎(chǔ)，可以同時(shí)適用于桌面、移動(dòng)和服務(wù)器領(lǐng)域。Core微結(jié)構(gòu)引入了許多特性，用以支持單線程和多線程任務(wù)。例如，寬的動(dòng)態(tài)執(zhí)行核心、先進(jìn)的智能Cache、智能存儲(chǔ)器存取和先進(jìn)的數(shù)字媒體增強(qiáng)技術(shù)。3.多核技術(shù)多核（Muhi-core）技術(shù)是在一個(gè)集成電路芯片上制作了兩個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行核心，是另一種提升IA-32處理器硬件多線程能力的技術(shù)。Intel公司的奔騰處理器系列基于NetBurst微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多核技術(shù)。例如，。Intel Pentium至尊版處理器是第一個(gè)引入多核技術(shù)的IA一32系列處理器，它有兩個(gè)物理處理器核心，每個(gè)處理器核心都包含超線程技術(shù)，共支持4個(gè)邏輯處理器。Intel Pentium D處理器也具有多核技術(shù)，它提供兩個(gè)處理器核心，但不支持超線程技術(shù)。Intel Core Duo處理器是基于Pentium M微結(jié)構(gòu)的多核處理器，Intel酷睿系列處理器才是基于Intel Core微結(jié)構(gòu)的多核處理器，例如，Intel Core 2 Duo處理器支持雙核，Intel Core 2 Quad處理器則支持4核。Inte！公司充分利用集成電路生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)和處理器結(jié)構(gòu)的革新技術(shù)，推出了多種Intel80x86系列處理器芯片。就目前的發(fā)展來(lái)看，Intel公司正在利用單芯片多處理器技術(shù)生產(chǎn)雙核、4核等多核處理器，并逐漸推廣支持64位處理器和64位軟件的微型計(jì)算機(jī)。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。硬件（Hardware）是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的實(shí)在的物理設(shè)備，是看得見(jiàn)、摸得著的物體，就像人的軀體。軟件（Software）一般是指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序（廣義的軟件還包括由計(jì)算機(jī)管理的數(shù)據(jù)和有關(guān)的文檔資料），是指示計(jì)算機(jī)工作的命令，就像人的思想。計(jì)算機(jī)主要是指其硬件系統(tǒng)，當(dāng)然其核心是處理器。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》特點(diǎn)：綜合計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)核心內(nèi)容。《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》綜合了目前計(jì)算機(jī)專業(yè)所有硬件技術(shù)課程的核心內(nèi)容，各章結(jié)構(gòu)以“計(jì)算機(jī)組成”為主體，結(jié)合“微機(jī)原理”實(shí)例，使學(xué)生通過(guò)實(shí)例理解原理。面向軟件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用取舍內(nèi)容?！队?jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》從應(yīng)用角度解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不以設(shè)計(jì)者觀點(diǎn)論述技術(shù)實(shí)現(xiàn)。以IA-32處理器和個(gè)人計(jì)算機(jī)為實(shí)例?！队?jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》以具有典型意義的Intel 32位處理器和桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)為實(shí)例，使得學(xué)生在理解計(jì)算機(jī)工作原理的同時(shí)，熟悉廣泛使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！碽r〉開(kāi)辟教學(xué)網(wǎng)站，提供教輔資源。為了更好地服務(wù)于廣大師生和讀者，作者開(kāi)辟了“大學(xué)微機(jī)技術(shù)系列課程教學(xué)輔助網(wǎng)站”提供教學(xué)課件(電子教案)、例題源程序文件、配套匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件包等輔助資源。

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