計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)

前言

　　本書重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)的組成與設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)簡要地介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念。全書共9章。　　第1章是全書內(nèi)容的概述，簡要介紹計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)的基本概念，從實(shí)現(xiàn)功能的角度來說明計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成，從功能和層次的觀點(diǎn)來講解計(jì)算機(jī)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(xué)目標(biāo)和對(duì)學(xué)習(xí)方法的建議?！　〉?章簡明講解數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)中的邏輯部件，屬于本書的預(yù)備性知識(shí)。通過本章學(xué)習(xí)，不僅可以了解一些基本知識(shí)，更重要的是為掌握學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成打下電子線路與邏輯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本章中給出的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用的例子，就直接取自于教學(xué)計(jì)算機(jī)中所用到的實(shí)際邏輯電路?！　〉?章的數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算、第4章的運(yùn)算器部件，構(gòu)成本書的第1個(gè)知識(shí)單元，主要圍繞著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件來進(jìn)行講解。第3章的內(nèi)容更多地涉及到信息編碼知識(shí)、數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算算法，是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器部件的理論基礎(chǔ)。第4章主要講解運(yùn)算器部件的功能和組成，其中給出了運(yùn)算器部件的物理實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。第4章的最后一節(jié)介紹提高運(yùn)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(gè)知識(shí)單元，主要圍繞著計(jì)算機(jī)的控制器部件來進(jìn)行講解。第5章的內(nèi)容更多地涉及指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和匯編語言程序設(shè)計(jì)的簡單知識(shí)，是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)控制器部件的出發(fā)點(diǎn)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(xué)計(jì)算機(jī)的控制器為例，詳細(xì)地講解微程序控制器和硬連線控制器的具體設(shè)計(jì)，其中給出了控制器部件的物理實(shí)現(xiàn)的方法。第6章的最后介紹指令流水線的概念和實(shí)現(xiàn)思路?！　〉?章的多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，構(gòu)成本書的第３個(gè)知識(shí)單元，包括內(nèi)（主）存儲(chǔ)器、外（輔助）存儲(chǔ)設(shè)備、高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器４部分內(nèi)容，主要圍繞著如何在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)來進(jìn)行講解。首先對(duì)多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)進(jìn)行簡單綜述，說明其具有高的性能價(jià)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(chǔ)器的有關(guān)知識(shí)，并給出了由靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片組成的一個(gè)主存儲(chǔ)器的實(shí)際例子。然后講解輔助存儲(chǔ)器設(shè)備（磁盤、光盤、磁帶和磁盤陣列技術(shù)）的基本組成與運(yùn)行原理。最后討論高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器的基本組成和運(yùn)行原理?！　∮?jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)前言第8章的輸入輸出設(shè)備和輸入輸出系統(tǒng)，構(gòu)成本書的第４個(gè)知識(shí)單元，主要圍繞著計(jì)算機(jī)的輸入和輸出功能進(jìn)行講解。對(duì)于輸入輸出設(shè)備，重點(diǎn)介紹常用的、以點(diǎn)陣方式運(yùn)行的顯示器和打印機(jī)等設(shè)備的基本組成和運(yùn)行原理；對(duì)于輸入輸出系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)總線的構(gòu)成、計(jì)算機(jī)中通用可編程接口線路的有關(guān)內(nèi)容，并給出了教學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)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(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》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(jì)算機(jī)中常用的邏輯器件，第3-8章講解計(jì)算機(jī)組成原理與設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)；第9章介紹并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)?！　　队?jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》既可作為高等院校計(jì)算機(jī)或相關(guān)專業(yè)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教材，也可供從事與計(jì)算機(jī)相關(guān)業(yè)務(wù)的生產(chǎn)、科研和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

計(jì)算機(jī)組成概述1.1　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)1.2　計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)1.3　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的歷程1.4　課程的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)建議小結(jié)習(xí)題與思考題2　數(shù)字電路基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)中的邏輯部件2.1　數(shù)字電路基礎(chǔ)2.1.1半導(dǎo)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(shè)計(jì)舉例2.3　組合邏輯電路及其應(yīng)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(yīng)用舉例2.4　時(shí)序邏輯電路及其應(yīng)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(jì)數(shù)器器件2.4.3時(shí)序邏輯電路應(yīng)用舉例2.5　現(xiàn)場(chǎng)可編程器件及其應(yīng)用2.5.1現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)CPU功能中的應(yīng)用2.6　幾個(gè)專用功能器件和存儲(chǔ)器芯片的引腳圖小結(jié)習(xí)題與思考題計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)目錄3　數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算算法和線路實(shí)現(xiàn)3.1　數(shù)字化信息編碼的概念和二進(jìn)制編碼知識(shí)3.1.1數(shù)字化信息編碼的概念3.1.2二進(jìn)制編碼和碼制轉(zhuǎn)換3.1.3檢錯(cuò)糾錯(cuò)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(jìn)制數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼與運(yùn)算算法3.3.1原碼、反碼、補(bǔ)碼的定義3.3.2補(bǔ)碼加、減運(yùn)算規(guī)則和電路實(shí)現(xiàn)3.3.3原碼一位乘法、除法的實(shí)現(xiàn)方案3.3.4實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的原理性電路組成3.3.5補(bǔ)碼一位乘法、除法的實(shí)現(xiàn)方案3.3.6加速乘除法運(yùn)算的有關(guān)算法介紹小結(jié)習(xí)題與思考題4　運(yùn)算器部件的組成與設(shè)計(jì)4.1　運(yùn)算器部件概述4.1.1運(yùn)算器部件的功能和在計(jì)算機(jī)中的地位4.1.2定點(diǎn)運(yùn)算器的功能、組成與運(yùn)行控制4.1.3位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器芯片Am29014.2　教學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1用4片Am2901芯片構(gòu)建16位的運(yùn)算器部件4.2.2在4片Am2901芯片之外的線路設(shè)計(jì)4.3　脫機(jī)的和聯(lián)機(jī)的運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)4.4浮點(diǎn)運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算器4.4.1浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算規(guī)則4.4.2浮點(diǎn)運(yùn)算器舉例4.5　提高運(yùn)算器部件處理能力的可行途徑4.5.1計(jì)算機(jī)性能的演變和并行性發(fā)展概述4.5.2提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算器處理能力的可行途徑小結(jié)習(xí)題與思考題5　指令、指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計(jì)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(gè)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(yīng)用實(shí)例5.2.1基本尋址方式概述5.2.2尋址方式應(yīng)用舉例5.3　指令系統(tǒng)舉例5.3.1教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)說明5.3.2Pentium Ⅱ機(jī)的指令系統(tǒng)5.3.3Ultra SPARC Ⅱ機(jī)的指令系統(tǒng)5.4　匯編語言程序設(shè)計(jì)舉例5.4.1匯編語言及其在教學(xué)計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)5.4.2教學(xué)計(jì)算機(jī)的匯編程序設(shè)計(jì)舉例小結(jié)習(xí)題與思考題6　控制器部件的組成與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中下地址形成邏輯的硬件技術(shù)6.2.3教學(xué)計(jì)算機(jī)微程序控制器的組成6.2.4設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)算機(jī)的微指令格式6.2.5設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)算機(jī)的微程序6.2.6微程序控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)6.3　硬連線控制器部件的組成與設(shè)計(jì)6.3.1硬連線控制器的組成和運(yùn)行原理簡介6.3.2教學(xué)計(jì)算機(jī)硬連線控制器的組成6.3.3設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令執(zhí)行流程與節(jié)拍發(fā)生器部件6.3.4設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)算機(jī)的時(shí)序控制信號(hào)產(chǎn)生部件6.3.5硬連線控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)思路6.4.2RISC計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和指令流水線實(shí)例6.4.3RISC計(jì)算機(jī)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(biāo)6.4.5指令級(jí)并行技術(shù)小結(jié)習(xí)題與思考題7　多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)7.1存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述7.1.1存儲(chǔ)器分類7.1.2存儲(chǔ)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和解決思路7.2　主存儲(chǔ)器7.2.1主存儲(chǔ)器概述7.2.2動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)原理和讀寫過程7.2.3靜態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.2.4主存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用中的幾項(xiàng)技術(shù)7.2.5TEC?2000教學(xué)計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器的組成與設(shè)計(jì)7.3　外存儲(chǔ)設(shè)備與磁盤陣列技術(shù)7.3.1外存儲(chǔ)設(shè)備概述7.3.2磁盤設(shè)備與磁盤陣列技術(shù)7.3.3光盤設(shè)備與技術(shù)7.4　高速緩沖存儲(chǔ)器cache7.4.1層次存儲(chǔ)器系統(tǒng)的運(yùn)行原理和必須遵從的原則7.4.2高速緩沖存儲(chǔ)器cache的工作原理和組織7.4.3Pentium機(jī)的cache管理7.5虛擬存儲(chǔ)器7.5.1虛擬存儲(chǔ)器的概念7.5.2段式虛擬存儲(chǔ)器7.5.3頁式虛擬存儲(chǔ)器7.5.4Pentium機(jī)的存儲(chǔ)器管理7.6提高存儲(chǔ)器系統(tǒng)性能的可行途徑小結(jié)習(xí)題與思考題8　輸入輸出設(shè)備與輸入輸出系統(tǒng)8.1輸入輸出設(shè)備8.1.1輸入輸出設(shè)備概述8.1.2點(diǎn)陣式設(shè)備運(yùn)行原理綜述8.2　顯示器設(shè)備的組成和運(yùn)行原理8.2.1顯示器設(shè)備概述8.2.2陰極射線管的組成與運(yùn)行原理8.2.3CRT字符顯示器的組成和運(yùn)行原理8.2.4CRT圖形顯示器8.2.5計(jì)算機(jī)終端8.2.6液晶顯示器的組成和運(yùn)行原理8.3　打印機(jī)設(shè)備的組成與運(yùn)行原理8.3.1針式打印機(jī)的組成與打印過程8.3.2噴墨打印機(jī)的組成與打印過程8.3.3激光打印機(jī)的組成與打印過程8.4　計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備8.4.1計(jì)算機(jī)鍵盤的組成和運(yùn)行原理8.4.2鼠標(biāo)設(shè)備8.5　輸入輸出系統(tǒng)概述8.6計(jì)算機(jī)總線8.6.1計(jì)算機(jī)總線概述8.6.2計(jì)算機(jī)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(xué)計(jì)算機(jī)的總線系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(xí)題與思考題9　并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)9.1　陣列處理機(jī)和向量處理機(jī)9.2　多處理機(jī)系統(tǒng)9.3　多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)小結(jié)習(xí)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(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)實(shí)例。選擇這幾個(gè)指令系統(tǒng)為例，并不是說它比其他計(jì)算機(jī)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(xué)的全過程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，包括授課內(nèi)容的實(shí)例部分，教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一部分作業(yè)內(nèi)容，都將圍繞教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)展開，因此比較詳細(xì)地講解教學(xué)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)是必要的。　　5．3．1教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)說明　　1．確定教學(xué)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的原則　　合理地確定一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，無論對(duì)計(jì)算機(jī)廠家還是對(duì)最終用戶來說都是十分重要的事情，它密切關(guān)系到計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，計(jì)算機(jī)使用的難易程度和運(yùn)行效率。對(duì)主要用于教學(xué)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡挠?jì)算機(jī)，特別是對(duì)于一臺(tái)16位字長的教學(xué)計(jì)算機(jī)來說，確定其指令系統(tǒng)，更多的是關(guān)注它在教學(xué)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(dāng)?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(dāng)?shù)叵騌ISC機(jī)的指令系統(tǒng)靠攏。給出的指令集合，只要能夠?qū)懗鼋虒W(xué)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控程序，能夠?qū)懗鼋虒W(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常用到的小程序即可。這樣做的好處是，教學(xué)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)可以簡化，實(shí)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(shí)容易完整地講解清楚這套指令系統(tǒng)本身和控制器設(shè)計(jì)，有利于教學(xué)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(yīng)適當(dāng)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(xí)慣?？傊?，有較好的易學(xué)易用性，還要盡可能地滿足對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)課時(shí)安排的要求?！　。?）更高的可擴(kuò)充性，即把全部指令劃分為基本指令和擴(kuò)展指令兩大類，為學(xué)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(xué)生親自實(shí)現(xiàn)的指令；當(dāng)擴(kuò)展新的指令時(shí)，實(shí)現(xiàn)手段要適當(dāng)簡單，但要有比較多的設(shè)計(jì)內(nèi)容和選擇余地，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和開創(chuàng)能力，有利于深化教學(xué)內(nèi)容?！　。?）符合教學(xué)計(jì)算機(jī)的特定要求。對(duì)16位字長的計(jì)算機(jī)，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(yùn)算器器件Am2901芯片內(nèi)含16個(gè)通用寄存器的特點(diǎn)，指定寄存器尋址時(shí)使用4位的形式地址，如果需要，還可以指定16個(gè)累加器中的幾個(gè)為專用的寄存器，以便最大程度地簡化教學(xué)機(jī)硬件組成，簡化指令執(zhí)行流程設(shè)計(jì)?！　∩鲜?項(xiàng)思路（或者說指導(dǎo)思想）比較充分地反映在教學(xué)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中。

媒體關(guān)注與評(píng)論

　　《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》依據(jù)該課程教學(xué)大綱的總體要求，把多種教學(xué)資源(教材、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書與習(xí)題解、教學(xué)課件、教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng))作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，精心設(shè)計(jì)，為教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段的改革和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)?！　　队?jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)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(shì)三個(gè)層次組織了全部教學(xué)內(nèi)容，從而兼顧了打牢基礎(chǔ)、體現(xiàn)先進(jìn)和跟蹤前沿的教學(xué)要求?！　　队?jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》結(jié)合教學(xué)計(jì)算機(jī)的具體組成與設(shè)計(jì)技術(shù)講解計(jì)算機(jī)的組成原理，并以該教學(xué)計(jì)算機(jī)為范例組織教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以強(qiáng)化所學(xué)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合解決科學(xué)研究中實(shí)際問題的能力。

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