計(jì)算機(jī)組成原理

前言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展很快，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，很少有計(jì)算機(jī)不與網(wǎng)絡(luò)相連。不論網(wǎng)絡(luò)如何先進(jìn)，它都是以計(jì)算機(jī)單機(jī)為基礎(chǔ)的。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已延伸到各個(gè)領(lǐng)域，從而產(chǎn)生了許多學(xué)科分支，如數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的許多學(xué)科分支，其根基都是計(jì)算機(jī)，所以，“計(jì)算機(jī)組成原理”是一門十分重要的課程。計(jì)算機(jī)的組成和其運(yùn)行原理的基本思想滲透到由計(jì)算機(jī)衍生出來的許多領(lǐng)域。要想真正理解軟件，就必須理解硬件，軟件和硬件共存于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。本書寫作的目的是提供一本普及讀本，盡可能讓讀者可以自學(xué)讀懂。這就要求選材得當(dāng)，以幫助讀者建立起整機(jī)概念、建立起計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行原理的概念為出發(fā)點(diǎn)，使問題簡(jiǎn)化，而不是講解某一臺(tái)計(jì)算機(jī)的具體組成。當(dāng)前通常使用的計(jì)算機(jī)都是很復(fù)雜的。然而，當(dāng)我們從本質(zhì)上理解計(jì)算機(jī)之后，再來認(rèn)識(shí)更復(fù)雜、更具體的計(jì)算機(jī)，就會(huì)變得很容易了。本書寫作的指導(dǎo)思想是：凡是用較短篇幅講不清楚，而又不是認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理的必要的問題，干脆不講。只介紹一些新鮮名詞，似乎擴(kuò)大了知識(shí)面，卻使學(xué)生不明不白，反而增加了思想負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生了對(duì)本門課程的畏懼和厭煩情緒。為了達(dá)到上述目的，作者閱讀了大量文獻(xiàn)，特別是國內(nèi)已經(jīng)出版的教材。盡可能吸取其精華部分，只選擇必要內(nèi)容，并根據(jù)作者的思路和多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重新編寫。本書具體內(nèi)容為：第1章簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和其層次結(jié)構(gòu)；第2章介紹數(shù)字化信息編碼和數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼；第3章介紹邏輯函數(shù)和邏輯電路；第4章介紹運(yùn)算器的基本原理和組織；第5章介紹指令系統(tǒng)：第6章介紹中央處理部件；第7章介紹存儲(chǔ)系統(tǒng)；第8章介紹輸入／輸出設(shè)備；第9章介紹輸入／輸出系統(tǒng)。其中，第6章是全書的重點(diǎn)和難點(diǎn)，占用較大的篇幅來講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，特別是中央處理部件中的數(shù)據(jù)通路、時(shí)序電路和微操作控制信號(hào)發(fā)生器，這些內(nèi)容是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最為核心的知識(shí)。本書以計(jì)算機(jī)專業(yè)、信息專業(yè)、電子類專業(yè)、電子商務(wù)專業(yè)及其他有關(guān)理工科專業(yè)的學(xué)生為讀者對(duì)象，可作為“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教材，也可供從事計(jì)算機(jī)專業(yè)工作的工程技術(shù)人員參考。在本書的編寫和出版過程中，得到許多專家學(xué)者的指教；清華大學(xué)出版社的領(lǐng)導(dǎo)和編輯付出了大量的辛勤勞動(dòng)，特別是章憶文老師給作者提出了許多寶貴意見，使作者獲益匪淺，在此一并表示由衷的感謝。限于作者的知識(shí)水平，書中一定存在不少缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，希望讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹計(jì)算機(jī)的組成原理及內(nèi)部工作機(jī)制，包括計(jì)算機(jī)各大部件的工作原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及互連構(gòu)成計(jì)算機(jī)整機(jī)的技術(shù)。全書共分9章，其內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、數(shù)字化信息編碼與數(shù)據(jù)表示、邏輯函數(shù)和邏輯電路、運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、中央處理部件、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入／輸出設(shè)備、輸入／輸出系統(tǒng)。    本書力求成為一種普及讀本，使讀者主要通過自學(xué)，建立起整機(jī)概念，建立起計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行原理的概念。為此，作者精選內(nèi)容，簡(jiǎn)化模型，根據(jù)作者的思路和多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，把重點(diǎn)放在講述數(shù)據(jù)通路、時(shí)序系統(tǒng)和微操作控制信號(hào)發(fā)生器上。    本書以計(jì)算機(jī)專業(yè)、信息專業(yè)、電子類專業(yè)、電子商務(wù)專業(yè)及其他有關(guān)理工科專業(yè)的學(xué)生為閱讀對(duì)象，可作為開設(shè)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教材，也可供從事計(jì)算機(jī)專業(yè)工作的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論   1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成   1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)   1.3 軟、硬件界面與邏輯上的等價(jià)   1.4 計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)   1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的信息活動(dòng)   1.6 計(jì)算機(jī)的過去、現(xiàn)在和未來   1.7 習(xí)題 第2章 數(shù)字化信息編碼與數(shù)據(jù)表示   2.1 數(shù)字化信息編碼的概念   2.2 常用的信息編碼   2.3 計(jì)算機(jī)中數(shù)值數(shù)據(jù)的表示、轉(zhuǎn)換和運(yùn)算   2.4 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼   2.5 習(xí)題 第3章 邏輯函數(shù)和邏輯電路   3.1 邏輯變量和邏輯函數(shù)的概念   3.2 布爾代數(shù)的基本公式   3.3 邏輯函數(shù)的代數(shù)化簡(jiǎn)   3.4 邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)表示   3.5 邏輯電路分類   3.6 邏輯門電路   3.7 記憶電路   3.8 基本時(shí)序電路   3.9 陣列邏輯電路   3.10 習(xí)題 第4章 運(yùn)算器   4.1 運(yùn)算器概述   4.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的算術(shù)邏輯單元   4.3 定點(diǎn)運(yùn)算器的基本組成與實(shí)現(xiàn)   4.4 加速乘除運(yùn)算的技術(shù)   4.5 浮點(diǎn)四則運(yùn)算   4.6 運(yùn)算器組織   4.7 習(xí)題 第5章 指令系統(tǒng)   5.1 計(jì)算機(jī)指令概念   5.2 指令格式   5.3 數(shù)據(jù)的表示和存儲(chǔ)   5.4 尋址方式   5.5 指令類型   5.6 指令系統(tǒng)舉例   5.7 機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言   5.8 習(xí)題 第6章 中央處理部件   6.1 中央處理部件的功能   6.2 中央處理部件的組成   6.3 一臺(tái)模型機(jī)的總體設(shè)計(jì)   6.4 模型機(jī)組合邏輯控制設(shè)計(jì)   6.5 微程序控制原理   6.6 模型機(jī)的微程序設(shè)計(jì)   6.7 流水線處理技術(shù)   6.8 主流CPU簡(jiǎn)介   6.9 習(xí)題 第7章 存儲(chǔ)系統(tǒng)   7.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)概論   7.2 主存儲(chǔ)器   7.3 高速緩存   7.4 虛擬存儲(chǔ)器   7.5 磁盤存儲(chǔ)器   7.6 磁帶存儲(chǔ)器   7.7 光盤存儲(chǔ)器   7.8 習(xí)題 第8章 輸入／輸出設(shè)備   8.1 外圍設(shè)備概述-   8.2 鍵盤   8.3 顯示設(shè)備   8.4 打印輸出設(shè)備   8.5 習(xí)題 第9章 輸入／輸出系統(tǒng)   9.1 輸入／輸出系統(tǒng)概述   9.2 輸入／輸出接口   9.3 系統(tǒng)總線   9.4 輸入／輸出的連接方式   9.5 信息交換的控制方式   9.6 程序直接控制方式   9.7 程序中斷控制方式   9.8 DMA方式   9.9 通道方式   9.10 習(xí)題 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第四個(gè)層次是操作系統(tǒng)層。它主要承擔(dān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源管理與分配，把一些常用的功能以操作命令或系統(tǒng)調(diào)用的方式提供給使用者，并通過友好的界面為使用者和程序設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)單、方便和高效的服務(wù)。由此可以說，操作系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展了原來的指令系統(tǒng)，提供了新的可用指令（命令1，從而構(gòu)成了一臺(tái)比純硬件系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。第五個(gè)層次是匯編語言層。它建立在操作系統(tǒng)之上。匯編語言大體上是對(duì)計(jì)算機(jī)語言符號(hào)化處理的結(jié)果，再增加一些為方便程序設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能。與機(jī)器語言相比，匯編語言有兩大優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了用英文單詞或其縮寫形式替代二進(jìn)制的指令代碼，容易為人們記憶和理解；可以選用含義明確的英文單詞來表示程序中用到的數(shù)據(jù)（常量和變量），避免程序設(shè)計(jì)人員為這些數(shù)據(jù)分配具體的存儲(chǔ)單元。匯編語言依然是面向計(jì)算機(jī)硬件的。匯編語言程序必須經(jīng)過一個(gè)叫做匯編程序的系統(tǒng)軟件的翻譯，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)機(jī)器語言后，才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上執(zhí)行。第六個(gè)層次是高級(jí)語言層。它建立在匯編語言層次之上。高級(jí)語言也稱算法語言，和匯編語言不同，它不再過分地靠攏計(jì)算機(jī)硬件的指令系統(tǒng)，而是面向解決實(shí)際問題所用的算法，為程序設(shè)計(jì)人員編寫程序提供方便。目前常用的高級(jí)語言有Basic、c、c++、Pascal、Java、Prolog等幾百種。用這些語言設(shè)計(jì)出來的程序，通常需要經(jīng)過一個(gè)叫做編譯程序的軟件編譯成機(jī)器語言程序，或者首先編譯成匯編源程序，再經(jīng)過匯編程序的翻譯，得到機(jī)器語言程序。機(jī)器語言程序直接在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行（當(dāng)然可以運(yùn)行多次）而不需要編譯程序和匯編程序的存在。此外，還存在另一種高級(jí)語言。任何時(shí)候，只要執(zhí)行這種高級(jí)語言程序，就必須要有相應(yīng)的專門針對(duì)這種高級(jí)語言的解釋程序同時(shí)存在。顯然，執(zhí)行這種解釋性高級(jí)語言程序，效率要低得多。第七個(gè)層次是應(yīng)用層。它建立在高級(jí)語言層之上，由解決實(shí)際問題的處理程序組成。這部分內(nèi)容不在本書討論的范圍之內(nèi)。在這7個(gè)層次中，第一層和第二層應(yīng)該劃分到計(jì)算機(jī)硬件范圍內(nèi)；指令系統(tǒng)則介于硬件與軟件之間，是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)最基本和最重要的依據(jù)，與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度、設(shè)計(jì)程序的難易程度、程序占用硬件資源的多少、程序運(yùn)行的效率等都直接相關(guān)。指令系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件的關(guān)系當(dāng)然也十分密切，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的全部軟件最終都是由指令系統(tǒng)所提供的指令代碼組成的。毫無疑問，軟件系統(tǒng)是建立在硬件系統(tǒng)層次之上的，它的存在是以已有硬件系統(tǒng)為前提，且必須在已有硬件系統(tǒng)上運(yùn)行。顯然，第一至第三層屬于實(shí)際機(jī)器層，而第四至第七層則屬于虛擬機(jī)器層。在圖1.2給出的層次結(jié)構(gòu)中，上面一層的實(shí)現(xiàn)是建立在下面一層基礎(chǔ)上的。實(shí)現(xiàn)的功能越強(qiáng)大，就意味著越接近于人們解決實(shí)際問題的思維方式和處理問題的具體過程，對(duì)使用人員就越方便，在使用這一層的功能時(shí)，不必關(guān)心下面一層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。下面一層是實(shí)現(xiàn)上面一層的基礎(chǔ)，更接近計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，盡管實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但人們使用這些功能卻感到更困難。在實(shí)現(xiàn)這一層的功能時(shí)，可能尚無法了解其上一層的目標(biāo)和將要解決的問題，也不必理解其更下一層實(shí)現(xiàn)中的有關(guān)細(xì)節(jié)問題，只要使用下層所提供的功能來完成本層次的功能即可。

編輯推薦

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