計算機組成與設計

前言

　　本書重點介紹計算機的組成與設計技術(shù)，同時簡要地介紹計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念。全書共9章?！　〉?章是全書內(nèi)容的概述，簡要介紹計算機組成與體系結(jié)構(gòu)的基本概念，從實現(xiàn)功能的角度來說明計算機硬件系統(tǒng)的基本組成，從功能和層次的觀點來講解計算機組成與體系結(jié)構(gòu)各自需要研究和解決的問題。此外，還簡單說明了本課程的教學目標和對學習方法的建議?！　〉?章簡明講解數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)和計算機中的邏輯部件，屬于本書的預備性知識。通過本章學習，不僅可以了解一些基本知識，更重要的是為掌握學習計算機組成打下電子線路與邏輯設計的基礎(chǔ)。本章中給出的數(shù)字邏輯電路設計與應用的例子，就直接取自于教學計算機中所用到的實際邏輯電路?！　〉?章的數(shù)據(jù)表示和運算、第4章的運算器部件，構(gòu)成本書的第1個知識單元，主要圍繞著計算機的運算器部件來進行講解。第3章的內(nèi)容更多地涉及到信息編碼知識、數(shù)據(jù)表示和運算算法，是設計與實現(xiàn)運算器部件的理論基礎(chǔ)。第4章主要講解運算器部件的功能和組成，其中給出了運算器部件的物理實現(xiàn)的實例。第4章的最后一節(jié)介紹提高運算器處理能力的可行途徑?！　〉?章的指令和指令系統(tǒng)、第6章的控制器部件，構(gòu)成本書的第２個知識單元，主要圍繞著計算機的控制器部件來進行講解。第5章的內(nèi)容更多地涉及指令系統(tǒng)設計和匯編語言程序設計的簡單知識，是設計與實現(xiàn)控制器部件的出發(fā)點和基本依據(jù)。第6章在綜述控制器的功能和基本組成的基礎(chǔ)上，以教學計算機的控制器為例，詳細地講解微程序控制器和硬連線控制器的具體設計，其中給出了控制器部件的物理實現(xiàn)的方法。第6章的最后介紹指令流水線的概念和實現(xiàn)思路。　　第7章的多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)，構(gòu)成本書的第３個知識單元，包括內(nèi)（主）存儲器、外（輔助）存儲設備、高速緩沖存儲器和虛擬存儲器４部分內(nèi)容，主要圍繞著如何在計算機的存儲器系統(tǒng)中存儲和管理數(shù)據(jù)來進行講解。首先對多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)進行簡單綜述，說明其具有高的性能價格比的道理、層次之間需要滿足的原則等。接下來講解主存儲器的有關(guān)知識，并給出了由靜態(tài)存儲器芯片組成的一個主存儲器的實際例子。然后講解輔助存儲器設備（磁盤、光盤、磁帶和磁盤陣列技術(shù)）的基本組成與運行原理。最后討論高速緩沖存儲器和虛擬存儲器的基本組成和運行原理。　　計算機組成與設計前言第8章的輸入輸出設備和輸入輸出系統(tǒng)，構(gòu)成本書的第４個知識單元，主要圍繞著計算機的輸入和輸出功能進行講解。對于輸入輸出設備，重點介紹常用的、以點陣方式運行的顯示器和打印機等設備的基本組成和運行原理；對于輸入輸出系統(tǒng)，重點介紹計算機系統(tǒng)中最常用的輸入輸出方式的操作過程和基本原理、計算機總線的構(gòu)成、計算機中通用可編程接口線路的有關(guān)內(nèi)容，并給出了教學計算機實際的總線構(gòu)成和使用串行接口芯片的具體例子。

內(nèi)容概要

　　《計算機組成與設計》共分9章。第1章是綜述，第2章介紹數(shù)字電路基礎(chǔ)和計算機中常用的邏輯器件，第3-8章講解計算機組成原理與設計的主體內(nèi)容，包括計算機系統(tǒng)的中央處理器（CPU）、存儲器系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)；第9章介紹并行計算機體系結(jié)構(gòu)?！　　队嬎銠C組成與設計》既可作為高等院校計算機或相關(guān)專業(yè)“計算機組成原理”課程的教材，也可供從事與計算機相關(guān)業(yè)務的生產(chǎn)、科研和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

計算機組成概述1.1　計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)1.2　計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)1.3　計算機系統(tǒng)發(fā)展進步與拓展應用的歷程1.4　課程的教學目標和學習建議小結(jié)習題與思考題2　數(shù)字電路基礎(chǔ)和計算機中的邏輯部件2.1　數(shù)字電路基礎(chǔ)2.1.1半導體材料和晶體二極管簡介2.1.2雙極型三極管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性2.1.3MOS管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性2.2　基本邏輯門和布爾代數(shù)基礎(chǔ)2.2.1最基本的邏輯門電路2.2.2布爾代數(shù)基礎(chǔ)2.2.3一位加法器的邏輯線路設計舉例2.3　組合邏輯電路及其應用2.3.1基本邏輯門2.3.2三態(tài)門2.3.3數(shù)據(jù)選擇器2.3.4譯碼器和編碼器2.3.5組合邏輯電路應用舉例2.4　時序邏輯電路及其應用2.4.1基本R?S觸發(fā)器2.4.2D型觸發(fā)器與寄存器、計數(shù)器器件2.4.3時序邏輯電路應用舉例2.5　現(xiàn)場可編程器件及其應用2.5.1現(xiàn)場可編程器件概述2.5.2通用可編程器件GAL20V8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及編程使用2.5.3MACH器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與編程使用2.5.4FPGA器件及其在實現(xiàn)CPU功能中的應用2.6　幾個專用功能器件和存儲器芯片的引腳圖小結(jié)習題與思考題計算機組成與設計目錄3　數(shù)據(jù)表示、運算算法和線路實現(xiàn)3.1　數(shù)字化信息編碼的概念和二進制編碼知識3.1.1數(shù)字化信息編碼的概念3.1.2二進制編碼和碼制轉(zhuǎn)換3.1.3檢錯糾錯碼3.2　數(shù)據(jù)表示--常用的信息編碼3.2.1邏輯類型數(shù)據(jù)的表示3.2.2字符類型數(shù)據(jù)的表示3.2.3數(shù)值類型數(shù)據(jù)的表示3.3　二進制數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼與運算算法3.3.1原碼、反碼、補碼的定義3.3.2補碼加、減運算規(guī)則和電路實現(xiàn)3.3.3原碼一位乘法、除法的實現(xiàn)方案3.3.4實現(xiàn)數(shù)據(jù)算術(shù)運算和邏輯運算的原理性電路組成3.3.5補碼一位乘法、除法的實現(xiàn)方案3.3.6加速乘除法運算的有關(guān)算法介紹小結(jié)習題與思考題4　運算器部件的組成與設計4.1　運算器部件概述4.1.1運算器部件的功能和在計算機中的地位4.1.2定點運算器的功能、組成與運行控制4.1.3位片結(jié)構(gòu)的運算器芯片Am29014.2　教學計算機運算器的設計與實現(xiàn)4.2.1用4片Am2901芯片構(gòu)建16位的運算器部件4.2.2在4片Am2901芯片之外的線路設計4.3　脫機的和聯(lián)機的運算器實驗4.4浮點運算與浮點運算器4.4.1浮點數(shù)的運算規(guī)則4.4.2浮點運算器舉例4.5　提高運算器部件處理能力的可行途徑4.5.1計算機性能的演變和并行性發(fā)展概述4.5.2提高計算機運算器處理能力的可行途徑小結(jié)習題與思考題5　指令、指令系統(tǒng)和匯編語言程序設計5.1指令格式和指令系統(tǒng)概述5.1.1操作碼的組織與編碼5.1.2操作數(shù)類型和指令操作類型5.1.3操作數(shù)的個數(shù)、來源、去向和地址安排5.1.4指令的分類5.2　尋址方式概述與應用實例5.2.1基本尋址方式概述5.2.2尋址方式應用舉例5.3　指令系統(tǒng)舉例5.3.1教學計算機的指令系統(tǒng)說明5.3.2Pentium Ⅱ機的指令系統(tǒng)5.3.3Ultra SPARC Ⅱ機的指令系統(tǒng)5.4　匯編語言程序設計舉例5.4.1匯編語言及其在教學計算機中的實現(xiàn)5.4.2教學計算機的匯編程序設計舉例小結(jié)習題與思考題6　控制器部件的組成與設計6.1控制器的功能、組成與指令執(zhí)行步驟6.1.1控制器部件的功能、組成概述6.1.2指令的執(zhí)行步驟概述6.1.3指令周期和其他有關(guān)術(shù)語6.2　微程序控制器部件的組成與設計6.2.1微程序控制器的基本組成和工作原理6.2.2微程序設計中下地址形成邏輯的硬件技術(shù)6.2.3教學計算機微程序控制器的組成6.2.4設計教學計算機的微指令格式6.2.5設計教學計算機的微程序6.2.6微程序控制器教學實驗6.3　硬連線控制器部件的組成與設計6.3.1硬連線控制器的組成和運行原理簡介6.3.2教學計算機硬連線控制器的組成6.3.3設計教學計算機的指令執(zhí)行流程與節(jié)拍發(fā)生器部件6.3.4設計教學計算機的時序控制信號產(chǎn)生部件6.3.5硬連線控制器教學實驗6.4　提高指令執(zhí)行速度的可行途徑6.4.1指令流水的基本概念和實現(xiàn)思路6.4.2RISC計算機的指令系統(tǒng)和指令流水線實例6.4.3RISC計算機中的通用寄存器組織和編譯程序簡介6.4.4流水線的性能指標6.4.5指令級并行技術(shù)小結(jié)習題與思考題7　多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)7.1存儲器系統(tǒng)概述7.1.1存儲器分類7.1.2存儲器系統(tǒng)的設計目標和解決思路7.2　主存儲器7.2.1主存儲器概述7.2.2動態(tài)存儲器芯片的存儲原理和讀寫過程7.2.3靜態(tài)存儲器的存儲原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.2.4主存儲器實現(xiàn)與應用中的幾項技術(shù)7.2.5TEC?2000教學計算機內(nèi)存儲器的組成與設計7.3　外存儲設備與磁盤陣列技術(shù)7.3.1外存儲設備概述7.3.2磁盤設備與磁盤陣列技術(shù)7.3.3光盤設備與技術(shù)7.4　高速緩沖存儲器cache7.4.1層次存儲器系統(tǒng)的運行原理和必須遵從的原則7.4.2高速緩沖存儲器cache的工作原理和組織7.4.3Pentium機的cache管理7.5虛擬存儲器7.5.1虛擬存儲器的概念7.5.2段式虛擬存儲器7.5.3頁式虛擬存儲器7.5.4Pentium機的存儲器管理7.6提高存儲器系統(tǒng)性能的可行途徑小結(jié)習題與思考題8　輸入輸出設備與輸入輸出系統(tǒng)8.1輸入輸出設備8.1.1輸入輸出設備概述8.1.2點陣式設備運行原理綜述8.2　顯示器設備的組成和運行原理8.2.1顯示器設備概述8.2.2陰極射線管的組成與運行原理8.2.3CRT字符顯示器的組成和運行原理8.2.4CRT圖形顯示器8.2.5計算機終端8.2.6液晶顯示器的組成和運行原理8.3　打印機設備的組成與運行原理8.3.1針式打印機的組成與打印過程8.3.2噴墨打印機的組成與打印過程8.3.3激光打印機的組成與打印過程8.4　計算機的輸入設備8.4.1計算機鍵盤的組成和運行原理8.4.2鼠標設備8.5　輸入輸出系統(tǒng)概述8.6計算機總線8.6.1計算機總線概述8.6.2計算機總線的構(gòu)成8.6.3總線仲裁和數(shù)據(jù)傳輸控制8.6.4教學計算機的總線系統(tǒng)實例8.7　輸入輸出接口概述8.7.1輸入輸出接口的基本功能8.7.2通用可編程接口的一般組成8.7.3串行接口實例8.8　常用的輸入輸出方式8.8.1常用的輸入輸出方式概述8.8.2中斷的概念和中斷處理過程8.8.3DMA的概念和DMA處理過程8.9　提高數(shù)據(jù)輸入輸出能力和可靠性的可行途徑小結(jié)習題與思考題9　并行計算機體系結(jié)構(gòu)9.1　陣列處理機和向量處理機9.2　多處理機系統(tǒng)9.3　多計算機系統(tǒng)小結(jié)習題與思考題

章節(jié)摘錄

　　5．3　指令系統(tǒng)舉例　　下面介紹3種計算機的指令系統(tǒng)實例。選擇這幾個指令系統(tǒng)為例，并不是說它比其他計算機的指令系統(tǒng)有更多的長處，而是它們指令的操作碼部分的組織和編碼、操作數(shù)地址字段的編碼方案有一定的代表性；而且，在課程教學的全過程的各個教學環(huán)節(jié)中，包括授課內(nèi)容的實例部分，教學實驗內(nèi)容，一部分作業(yè)內(nèi)容，都將圍繞教學計算機系統(tǒng)展開，因此比較詳細地講解教學計算機指令系統(tǒng)是必要的。　　5．3．1教學計算機的指令系統(tǒng)說明　　1．確定教學計算機指令系統(tǒng)的原則　　合理地確定一臺計算機的指令系統(tǒng)，無論對計算機廠家還是對最終用戶來說都是十分重要的事情，它密切關(guān)系到計算機設計與實現(xiàn)的復雜程度和生產(chǎn)成本，計算機使用的難易程度和運行效率。對主要用于教學和教學實驗目的的計算機，特別是對于一臺16位字長的教學計算機來說，確定其指令系統(tǒng)，更多的是關(guān)注它在教學過程中的作用和使用方法。我們的主要想法是：　?。?）盡可能小的指令集，指令數(shù)目要適當?shù)厣?，較短的指令格式，簡化的尋址方式，單字指令為主，每條指令的功能要盡可能地簡單，適當?shù)叵騌ISC機的指令系統(tǒng)靠攏。給出的指令集合，只要能夠?qū)懗鼋虒W計算機的監(jiān)控程序，能夠?qū)懗鼋虒W實驗經(jīng)常用到的小程序即可。這樣做的好處是，教學計算機的結(jié)構(gòu)可以簡化，實現(xiàn)可以簡單，有利于降低制造成本，更重要的考慮是，講課時容易完整地講解清楚這套指令系統(tǒng)本身和控制器設計，有利于教學內(nèi)容的整體安排?！　。?）指令系統(tǒng)要有一定的完備程度，有較好的典型性，給出的指令格式應適當規(guī)范，指令分類要合理，指令執(zhí)行步驟容易理解，符合人們通常的編程使用習慣?？傊?，有較好的易學易用性，還要盡可能地滿足對教學內(nèi)容、教學課時安排的要求?！　。?）更高的可擴充性，即把全部指令劃分為基本指令和擴展指令兩大類，為學生添加各種新的指令留下比較充足的余地，包括為每一類指令保留多條要學生親自實現(xiàn)的指令；當擴展新的指令時，實現(xiàn)手段要適當簡單，但要有比較多的設計內(nèi)容和選擇余地，以便更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和開創(chuàng)能力，有利于深化教學內(nèi)容?！　。?）符合教學計算機的特定要求。對16位字長的計算機，指令的操作碼部分可以選擇為固定長度；再結(jié)合我們所選用的運算器器件Am2901芯片內(nèi)含16個通用寄存器的特點，指定寄存器尋址時使用4位的形式地址，如果需要，還可以指定16個累加器中的幾個為專用的寄存器，以便最大程度地簡化教學機硬件組成，簡化指令執(zhí)行流程設計。　　上述4項思路（或者說指導思想）比較充分地反映在教學計算機的設計與實現(xiàn)中。

媒體關(guān)注與評論

　　《計算機組成與設計》依據(jù)該課程教學大綱的總體要求，把多種教學資源(教材、實驗指導書與習題解、教學課件、教學計算機系統(tǒng))作為一個整體進行統(tǒng)一規(guī)劃，精心設計，為教學內(nèi)容、教學手段的改革和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)?！　　队嬎銠C組成與設計》強調(diào)計算機組成原理的系統(tǒng)性和完整性，并依據(jù)基礎(chǔ)理論、較新技術(shù)和發(fā)展趨勢三個層次組織了全部教學內(nèi)容，從而兼顧了打牢基礎(chǔ)、體現(xiàn)先進和跟蹤前沿的教學要求。　　《計算機組成與設計》結(jié)合教學計算機的具體組成與設計技術(shù)講解計算機的組成原理，并以該教學計算機為范例組織教學實驗環(huán)節(jié)，以強化所學的理論知識，培養(yǎng)學生綜合解決科學研究中實際問題的能力。

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