計(jì)算機(jī)組成原理

前言

21世紀(jì)是知識經(jīng)濟(jì)的時代，是人才競爭的時代。隨著21世紀(jì)的到來，人類已步人信息社會，信息產(chǎn)業(yè)正成為全球經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)在信息產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了最重要的地位，這就對培養(yǎng)21世紀(jì)高素質(zhì)創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才提出了迫切的要求。。為了培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，必須建立高水平的教學(xué)計(jì)劃和課程體系。在20多年跟蹤分析ACM和IEEE計(jì)算機(jī)課程體系的基礎(chǔ)上，緊跟計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展潮流，及時制定并修正教學(xué)計(jì)劃和課程體系是尤其重要的。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展對高水平人才的要求，需要我們從總體上優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，精煉教學(xué)內(nèi)容，拓寬專業(yè)基礎(chǔ)，加強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐，特別注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，形成“基礎(chǔ)課程精深，專業(yè)課程寬新”的格局。為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展和計(jì)算機(jī)教學(xué)計(jì)劃的需要，要采取多種措施鼓勵長期從事計(jì)算機(jī)教學(xué)和科技前沿研究的專家教授積極參與計(jì)算機(jī)專業(yè)教材的編著和更新，在教材中及時反映學(xué)科前沿的研究成果與發(fā)展趨勢，以高水平的科研促進(jìn)教材建設(shè)。同時適當(dāng)引進(jìn)國外先進(jìn)的原版教材。為了提高教學(xué)質(zhì)量，需要不斷改革教學(xué)方法與手段，倡導(dǎo)因材施教，強(qiáng)調(diào)知識的總結(jié)。梳理。推演和挖掘，通過加快教案的不斷更新，使學(xué)生掌握教材中未及時反映的學(xué)科發(fā)展新動向，進(jìn)一步拓廣視野。教學(xué)與科研相結(jié)合是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑。高水平的科研可以為教學(xué)提供最先進(jìn)的高新技術(shù)平臺和創(chuàng)造性的工作環(huán)境，使學(xué)生得以接觸最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)理論。技術(shù)和環(huán)境。高水平的科研還可以為高水平人才的素質(zhì)教育提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。學(xué)生在課題研究中不但能了解科學(xué)研究的艱辛和科研工作者的奉獻(xiàn)精神，而且能熏陶和培養(yǎng)良好的科研作風(fēng)，鍛煉和培養(yǎng)攻關(guān)能力和協(xié)作精神。進(jìn)入21世紀(jì)，我國高等教育進(jìn)入了前所未有的大發(fā)展時期，時代的進(jìn)步與發(fā)展對高等教育質(zhì)量提出了更高。更新的要求。2001年8月，教育部頒發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》。文件指出，本科教育是高等教育的主體和基礎(chǔ)，抓好本科教學(xué)是提高整個高等教育質(zhì)量的重點(diǎn)和關(guān)鍵。隨著高等教育的普及和高等學(xué)校的擴(kuò)招，在校大學(xué)本科計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的人數(shù)將大量上升，對適合21世紀(jì)大學(xué)本科計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科課程體系要求的，并且適合中國學(xué)生學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)專業(yè)教材的需求量也將急劇增加。為此，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會和清華大學(xué)出版社共同規(guī)劃了面向全國高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的“21世紀(jì)大學(xué)本科計(jì)算機(jī)專業(yè)系列教材”。本系列教材借鑒美國ACM和IEEE最新制定的ComputingCurricula2005（簡稱CC2005）課程體系，反映當(dāng)代計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科水平和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展。新技術(shù)，并且結(jié)合中國計(jì)算機(jī)教育改革成果和中國國情。中國計(jì)算機(jī)學(xué)會教育專業(yè)委員會和全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會，在清華大學(xué)出版社的大力支持下，跟蹤分析CC2001，并結(jié)合中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀和計(jì)算機(jī)教育的改革成果，研究出了《中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002》（ChinaComputingCurricula2002，簡稱CCC2002），該項(xiàng)研究成果對中國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教育的改革和發(fā)展具有重要的參考價值和積極的推動作用?！?1世紀(jì)大學(xué)本科計(jì)算機(jī)專業(yè)系列教材”正是借鑒美國ACM和IEEECC2005課程體系，依據(jù)CCC2002基本要求組織編寫的計(jì)算機(jī)專業(yè)教材。相信通過這套教材的編寫和出版，能夠在內(nèi)容和形式上顯著地提高我國計(jì)算機(jī)專業(yè)教材的整體水平，繼而提高我國大學(xué)本科計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出符合時代發(fā)展要求的具有較強(qiáng)國際競爭力的高素質(zhì)創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才。

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)地介紹了計(jì)算機(jī)的基本組成原理和內(nèi)部工作機(jī)制。全書共分8章，主要內(nèi)容分成兩個部分；第1、2章介紹了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識；第3～8章介紹了計(jì)算機(jī)的各子系統(tǒng)（包括運(yùn)算器、存儲器、控制器、外部設(shè)備和輸入輸出子系統(tǒng)等）的基本組成原理、設(shè)計(jì)方法、相互關(guān)系以及各子系統(tǒng)互相連接構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)。
　　 本書既介紹了計(jì)算機(jī)的一般原理，又注意與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。全書內(nèi)容由淺入深，每章之后均附有習(xí)題，便于自學(xué)。
　　 本書可以作為高等院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教材，也可供從事計(jì)算機(jī)工作的工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

蔣本珊，北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，主要研究方向是嵌入式片上系統(tǒng)（SOPC）、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。主講“計(jì)算機(jī)組成原理”等課程二十余年，具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，多次獲得北京市和北京理工大學(xué)教學(xué)優(yōu)秀成果獎，被評為三育人和師德先進(jìn)個人。正式出版教材和教學(xué)參考

書籍目錄

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第1章 概論
1.1 電子計(jì)算機(jī)與存儲程序控制
1.1.1 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展
1.1.2 存儲程序概念
1.2 計(jì)算機(jī)的硬件組成
1.2.1 計(jì)算機(jī)的主要部件
1.2.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)
1.2.3 大、中型計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)
1.2.4 不同對象觀察到的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)
1.2.5 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的存儲器設(shè)計(jì)思想
1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
1.3.1 硬件與軟件的關(guān)系
1.3.2 系列機(jī)和軟件兼容
1.3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)
1.3.4 實(shí)際機(jī)器和虛擬機(jī)器
1.4 計(jì)算機(jī)的工作過程和主要性能指標(biāo)
1.4.1 計(jì)算機(jī)的工作過程
1.4.2 計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)
習(xí)題
第2章 數(shù)據(jù)的機(jī)器層次表示
.　2.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示
2.1.1 計(jì)算機(jī)中的數(shù)值數(shù)據(jù)
2.1.2 無符號數(shù)和帶符號數(shù)
2.1.3 原碼表示法
2.1.4 補(bǔ)碼表示法
2.1.5 反碼表示法
2.1.6 3種機(jī)器數(shù)的比較與轉(zhuǎn)換
2.2 機(jī)器數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示
2.2.1 定點(diǎn)表示法
2.2.2 浮點(diǎn)表示法
2.2.3 浮點(diǎn)數(shù)階碼的移碼表示法
2.2.4 定點(diǎn)、浮點(diǎn)表示法與定點(diǎn)、浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)
2.2.5 浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)的基數(shù)
2.2.6 實(shí)用浮點(diǎn)數(shù)舉例
2.3 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示
2.3.1 字符和字符串的表示
2.3.2 漢字的表示
2.3.3 統(tǒng)一代碼
2.4 十進(jìn)制數(shù)和數(shù)串的表示
2.4.1 十進(jìn)制數(shù)的編碼
2.4.2 十進(jìn)制數(shù)串
2.5 現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表示舉例
2.6 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼
2.6.1 奇偶校驗(yàn)碼
2.6.2 海明校驗(yàn)碼
2.6.3 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼
習(xí)題
第3章 指令系統(tǒng)
3.1 指令格式
3.1.1 機(jī)器指令的基本格式
3.1.2 地址碼結(jié)構(gòu)
3.1.3 指令操作碼
3.2 編址方式
3.2.1 編址方式
3.2.2 指令尋址和數(shù)據(jù)尋址
3.2.3 基本的數(shù)據(jù)尋址方式
3.2.4 變型或組合尋址方式
……
第4章 數(shù)值的機(jī)器運(yùn)算
第5章 存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)
第6章 中央處理器
第7章 外部設(shè)備
第8章 輸入輸出系統(tǒng)
索引
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   3.CD-R光盤的讀寫原理 CD-R光盤的寫入是利用聚焦成1μm左右的激光束的熱能，使記錄介質(zhì)表面的形狀發(fā)生永久性變化而完成的，所以只能寫入一次，不能抹除和改寫。 計(jì)算機(jī)送來的數(shù)據(jù)，先在光盤控制器內(nèi)調(diào)制成記錄序列，然后變成相應(yīng)的記錄脈沖信號。該脈沖信號在電流驅(qū)動電路內(nèi)變?yōu)殡娏鳎偷郊す馄?。激光器?0mW左右的功率發(fā)光，并聚焦成1μm左右的微小光點(diǎn)，落在記錄介質(zhì)表面上，CD-R光盤上有一個有機(jī)染料刻錄層，激光可以對該層的一個微小的區(qū)域加熱，燒透染料層使其不透明，即打出一個微米級的凹坑。有凹坑代表寫入“1”，無凹坑代表寫入“0”。 讀出時，用比寫入功率低的激光束（約幾毫瓦），連續(xù)照射在光盤上。由于有凹坑處的反射光弱，無凹坑處的反射光強(qiáng)，根據(jù)這一原理，當(dāng)激光照射到光盤后，由光檢測器將介質(zhì)表面反射率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過數(shù)據(jù)檢測、譯碼后送入到計(jì)算機(jī)中，即可讀出光盤上記錄的信息。由于讀出光束的功率僅是寫入光束功率的1／10，因此不會融出新的凹坑。 CD-R的盤片有金碟、綠碟、藍(lán)碟3種，它們主要因記錄層和反射層采用的材料不同而呈現(xiàn)出不同的顏色。 4.CD-RW光盤的讀寫原理 CD-RW光盤是利用激光照射引起記錄介質(zhì)的可逆性物理變化來進(jìn)行讀寫的，光盤上有一個相位變化刻錄層，所以CD-RW光盤又稱為相變光盤。 相變光盤的讀寫原理是利用存儲介質(zhì)的晶態(tài)、非晶態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，引起對入射激光束不同強(qiáng)度的反射（或折射），形成信息一一對應(yīng)的關(guān)系。 寫入時，利用高功率的激光聚焦于記錄介質(zhì)表面的一個微小區(qū)域內(nèi)，使晶態(tài)在吸熱后至熔點(diǎn)，并在激光束離開瞬間驟冷轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，信息即被寫入。 讀出時，由于晶態(tài)和非晶態(tài)對入射激光束存在不同的反射和折射率，利用已記錄信息區(qū)域的反射與周圍未發(fā)生晶態(tài)改變區(qū)域的反射之間存在著明顯反差的效應(yīng)，將所記錄的信息讀出。 擦除時，利用適當(dāng)波長和功率的激光作用于記錄信息點(diǎn)，使該點(diǎn)溫度介于材料的熔點(diǎn)和非晶態(tài)轉(zhuǎn)變溫度之間，使之產(chǎn)生重結(jié)晶而恢復(fù)到晶態(tài)，完成擦除功能。

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