計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

計算機組成（cornputer organization）是指計算機主要功能部件的組成結(jié)構(gòu)、邏輯設(shè)計及功能部件問的相互連接關(guān)系。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（computer architecture）的經(jīng)典定義是指程序設(shè)計者（主要指低級語言程序員或編譯程序設(shè)計者）所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即計算機的功能特性和概念性結(jié)構(gòu)，也稱指令集體系結(jié)構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA），包括：數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)格式，指令格式，尋址方式和可訪問空間大小，程序可訪問的寄存器個數(shù)、位數(shù)和編號，控制寄存器的定義，I／O空間的編址方式，中斷結(jié)構(gòu)，機器工作狀態(tài)的定義和切換，輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式，存儲保護方式等。本書主要介紹單處理器計算機系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涉及的相關(guān)內(nèi)容。在計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中，這些內(nèi)容位于軟件和硬件的結(jié)合處，不僅涉及計算機硬件設(shè)計和指令系統(tǒng)設(shè)計，還涉及操作系統(tǒng)、編譯程序和程序設(shè)計等部分軟件設(shè)計技術(shù)，是整個計算機系統(tǒng)中最核心的部分。1.本書的寫作思路和內(nèi)容組織計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這兩部分涉及的內(nèi)容相互融合，密不可分。無論是國內(nèi)還是國外，很多高校都逐漸把計算機組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容有機結(jié)合起來；甚至國外一些經(jīng)典教材還把密切相關(guān)的軟件設(shè)計的內(nèi)容也融合到一起。這種方式可以加深讀者對計算機軟硬件系統(tǒng)的整體化理解，并有效地增強對學(xué)生的計算機系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。本書在總結(jié)和借鑒國外著名高校使用的教材、教案、教學(xué)理念和教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，力圖以“培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代計算機系統(tǒng)設(shè)計能力”為目標(biāo)，貫徹“從程序設(shè)計視角出發(fā)、強調(diào)軟硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同、以CPU設(shè)計為核心”的組織思路，試圖改變國內(nèi)同類教材通常的就硬件講硬件、軟硬件分離的傳統(tǒng)內(nèi)容組織方式，以系統(tǒng)化觀點全面地介紹計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識和技術(shù)。為了體現(xiàn)以上思路和目標(biāo)，本書在以下幾個方面進行了重點考慮和內(nèi)容組織：（1）首先基于“高級語言程序一匯編語言程序一機器指令序列一控制信號”的路線，展現(xiàn)程序從編程設(shè)計、轉(zhuǎn)換翻譯到最終在CPU上運行的整個過程；在此基礎(chǔ)上，用計算機系統(tǒng)層次化的觀點闡述計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在整個計算機系統(tǒng)中的位置、內(nèi)容和作用，從而為清晰了解本課程的內(nèi)容和作用、為全面建立計算機軟硬件系統(tǒng)的整體概念打下基礎(chǔ)。（2）將指令執(zhí)行過程和異常、中斷、存儲訪問、I／O訪問等重要概念和技術(shù)結(jié)合起來進行介紹，力求清晰說明cPu執(zhí)行指令過程中硬件與操作系統(tǒng)相互切換和協(xié)同工作的處理過程，使讀者深刻理解軟硬件系統(tǒng)之間的關(guān)系與協(xié)同工作過程。

內(nèi)容概要

本書主要介紹計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涉及的相關(guān)概念、理論和技術(shù)內(nèi)容，主要包括指令集體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的表示和存儲，以及實現(xiàn)指令集體系結(jié)構(gòu)的計算機各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)及其相互連接關(guān)系。本書共分9章： 第1章對計算機系統(tǒng)及其性能評價進行概述性介紹；第2～3章主要介紹數(shù)據(jù)的機器級表示、運算，以及運算部件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計；第4章主要介紹包含主存、cache和虛擬存儲器在內(nèi)的存儲器分層體系結(jié)構(gòu)；第5～7章介紹指令系統(tǒng)以及各種CPU設(shè)計技術(shù)；第8～9章介紹總線互連以及輸入輸出系統(tǒng)。　　本書內(nèi)容詳盡、反映現(xiàn)實、概念清楚、通俗易懂、實例豐富，并提供大量典型習(xí)題以供讀者練習(xí)。本書可以作為計算機專業(yè)本科或大專院校學(xué)生計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教材，也可以作為有關(guān)專業(yè)研究生或計算機技術(shù)人員的參考書。

作者簡介

袁春風(fēng)，南京大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系教授。主要研究領(lǐng)域為Web信息檢索與文本挖掘技術(shù)、多媒體文檔處理等。在相關(guān)領(lǐng)域承擔(dān)科研項目近30項，發(fā)表論文50多篇，獲江蘇省科技進步二等獎2次，省優(yōu)秀軟件一等獎1次。編寫計算機組成原理和有關(guān)多媒體處理方面的教材4本，獲教育部優(yōu)秀教材二等獎1次。從事“計算機組成原理”和“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)工作20年?！坝嬎銠C組成原理”獲教育部一微軟精品課程、遠程教育國家精品課程，并作為主要課程之一獲江蘇省優(yōu)秀課程群?！坝嬎銠C組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”獲江蘇省精品課程，其課程網(wǎng)站在2009年江蘇省高等學(xué)校優(yōu)秀多媒體教學(xué)課件遴選中獲特等獎。

書籍目錄

第1章 計算機系統(tǒng)概述1 　1.1 計算機的功能和特性1 　1.2 計算機的發(fā)展歷程2 　　1.2.1 電子計算機的誕生2 　　1.2.2 第一代計算機2 　　1.2.3 第二代計算機3 　　1.2.4 第三代計算機4 　　1.2.5 第四代計算機4 　1.3 計算機系統(tǒng)的組成6 　　1.3.1 計算機硬件6 　　1.3.2 計算機軟件9 　1.4 計算機系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)10 　　1.4.1 最終用戶眼中的計算機10 　　1.4.2 系統(tǒng)管理員眼中的計算機10 　　1.4.3 應(yīng)用程序員眼中的計算機11 　　1.4.4 系統(tǒng)程序員眼中的計算機11 　　1.4.5 程序開發(fā)與執(zhí)行過程11 　1.5 本教材的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)14 　1.6 計算機系統(tǒng)性能評價16 　　1.6.1 計算機性能的定義16 　　1.6.2 計算機性能的測試16 　　1.6.3 用指令執(zhí)行速度進行性能評估19 　　1.6.4 用基準(zhǔn)程序進行性能評估20 　1.7 本章小結(jié)21 　習(xí)題122 第2章 數(shù)據(jù)的機器級表示25 　2.1 數(shù)制和編碼25 　　2.1.1 信息的二進制編碼25 　　2.1.2 進位計數(shù)制27 　　2.1.3 定點與浮點表示31 　　2.1.4 定點數(shù)的編碼表示31 　2.2 整數(shù)的表示36 　　2.2.1 無符號整數(shù)的表示36 　　2.2.2 帶符號整數(shù)的表示37 　　2.2.3 C語言中的整數(shù)類型37 　2.3 實數(shù)的表示38 　　2.3.1 浮點數(shù)的表示格式38 　　2.3.2 浮點數(shù)的規(guī)格化40 　　2.3.3 IEEE 754浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)41 　　2.3.4 C語言中的浮點數(shù)類型45 　2.4 十進制數(shù)的表示47 　　2.4.1 用ASCII碼字符表示47 　　2.4.2 用BCD碼表示48 　2.5 非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示49 　　2.5.1 邏輯值49 　　2.5.2 西文字符50 　　2.5.3 漢字字符51 　2.6 數(shù)據(jù)的寬度和存儲53 　　2.6.1 數(shù)據(jù)的寬度和單位53 　　2.6.2 數(shù)據(jù)的存儲和排列順序55 　2.7 數(shù)據(jù)校驗碼58 　　2.7.1 奇偶校驗碼60 　　2.7.2 海明校驗碼60 　　2.7.3 循環(huán)冗余校驗碼64 　2.8 本章小結(jié)67 　習(xí)題268 第3章 運算方法和運算部件72 　3.1 高級語言和機器指令中的運算72 　　3.1.1 C程序中涉及的運算72 　　3.1.2 MIPS指令中涉及的運算75 　3.2 基本運算部件77 　　3.2.1 串行進位加法器78 　　　　3.2.2 進位選擇加法器79 　　3.2.3 并行進位加法器79 　　3.2.4 算術(shù)邏輯部件82 　3.3 定點數(shù)運算85 　　3.3.1 補碼加減運算86 　　3.3.2 原碼加減運算88 　　3.3.3 移碼加減運算89 　　3.3.4 原碼乘法運算90 　　3.3.5 補碼乘法運算95 　　3.3.6 快速乘法器99 　　3.3.7 原碼除法運算101 　　3.3.8 補碼除法運算108 　　3.3.9 陣列除法器112 　3.4 浮點數(shù)運算113 　　3.4.1 浮點數(shù)加減運算113 　　3.4.2 浮點數(shù)乘除運算117 　3.5 運算部件的組成120 　　3.5.1 定點運算部件120 　　3.5.2 浮點運算部件122 　3.6 十進制數(shù)加減運算124 　3.7 本章小結(jié)125 　習(xí)題3126 第4章 存儲器分層體系結(jié)構(gòu)130 第5章 指令系統(tǒng)192 第6章 中央處理器229 第7章 指令流水線287 第8章 系統(tǒng)總線329 第9章 輸入輸出組織358 參考文獻422

章節(jié)摘錄

插圖：計算機是一種能自動對數(shù)字化信息進行算術(shù)和邏輯運算的高速處理裝置。也就是說，計算機處理的對象是數(shù)字化信息，處理的手段是算術(shù)和邏輯運算，處理的方式是自動的。計算機不僅具有數(shù)據(jù)處理功能，還具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送等功能，因此，計算機與算盤以及各類機械式計算器有本質(zhì)的差別。數(shù)據(jù)處理是計算機系統(tǒng)最基本的功能，計算機不僅可以進行加、減、乘、除等基本算術(shù)運算，也可以進行與、或、非等邏輯運算；處理的數(shù)據(jù)不僅可以是日常生活中使用的十進制數(shù)據(jù)，也可以是文字、圖形、圖像、聲音、視頻等非數(shù)值化的各種多媒體信息。數(shù)據(jù)存儲功能是計算機能采用自動工作方式的最基本保證。計算機中提供的存儲器使得程序和數(shù)據(jù)能事先被存儲，并在需要時被取出自動執(zhí)行。計算機中有各類存儲部件，大量的文件信息需要長期存儲在計算機系統(tǒng)中，因此有能夠長期保存信息的像磁盤存儲器那樣的非易失性存儲器；正在執(zhí)行的程序和處理的數(shù)據(jù)需要存放在快速存儲器中，因此有半導(dǎo)體元器件構(gòu)成的隨機訪問存儲器等。數(shù)據(jù)傳送功能是指計算機內(nèi)部的各個功能部件之間、計算機主機與外部設(shè)備之間、各個計算機系統(tǒng)之間進行信息交換的操作功能。例如，進行數(shù)據(jù)處理的部件需要從數(shù)據(jù)存儲部件中讀取信息或?qū)懭胄畔?；輸入設(shè)備的信息需要送到存儲設(shè)備保存或送到數(shù)據(jù)處理部件進行計算；一臺計算機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要送到另一臺計算機，因此，計算機系統(tǒng)中不可避免地需要進行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳送的功能最終是通過執(zhí)行指令來完成的，而計算機指令的執(zhí)行過程由控制器產(chǎn)生的控制信號來控制。對照上述基本功能，計算機中需要有對數(shù)據(jù)進行處理、存儲和傳送的基本功能部件，以及控制這些功能部件操作的控制部件。

編輯推薦

《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》：根據(jù)教育部“高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)規(guī)范”組織編寫，與美國ACM和lEEE CS ComputingCurricula最新進展同步，教育部一微軟精品課程教材，遠程教育國家精品課程教材。《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》集作者20年相關(guān)課程教學(xué)之經(jīng)驗，匯國內(nèi)外相關(guān)資料之精華，內(nèi)容新穎、充實，結(jié)構(gòu)清晰、完整，文字通俗、簡潔。既可作為“計算機組成原理”、“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等課程的教材，也可作為“計算機組成原理實驗”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等課程的教學(xué)參考書。與國內(nèi)外同類教材相比，主要特色如下：·強調(diào)軟件和硬件的關(guān)聯(lián)將計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容與程序設(shè)計、操作系統(tǒng)以及編譯器等軟件內(nèi)容有機結(jié)合，使讀者能從程序員角度深刻理解計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，以及硬件與軟件的關(guān)系。·細化流水線CPO設(shè)計內(nèi)容以MIPS體系為主線，建立高級語言一匯編語言一機器語言一CPU功能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并以實際MIPS指令為目標(biāo)，循序漸進地逐步細化流水線CPU設(shè)計內(nèi)容?！ぷ⒅赜脤嵗龍D表闡述概念用大量實例和圖表詳實闡述基本原理及其具體應(yīng)用，使抽象的概念和內(nèi)容易于理解和消化，并提供形式多樣、內(nèi)容豐富的習(xí)題，用以進行課后練習(xí)?！ぬ峁┴S富的教輔資源教材配套網(wǎng)站提供了課堂電子教案、習(xí)題參考答案、動畫視頻以及其他各類豐富的教輔資料，以幫助教師備課，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，并提供學(xué)習(xí)交流平臺。

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