計(jì)算機(jī)組成原理

前言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)必修的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講述構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各功能部件的基本原理與互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)。它在計(jì)算機(jī)硬件課程方面具有承上啟下的重要作用，對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建具有重要意義。在2009年計(jì)算機(jī)考研專業(yè)課統(tǒng)考大綱中，明確規(guī)定計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容約占整份試卷分值的三分之一。本書緊扣計(jì)算機(jī)考研大綱知識(shí)點(diǎn)要求，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，主要針對(duì)單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)及相互連接方式進(jìn)行講解，各章節(jié)內(nèi)容安排如下：第1章、第2章為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述，主要概括介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的基本組成與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和構(gòu)成計(jì)算機(jī)的電路基礎(chǔ)知識(shí)等。第3章介紹計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算方法，以及運(yùn)算器的功能和結(jié)構(gòu)。第4章介紹計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器，包括主存儲(chǔ)器工作原理、計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)、高速緩沖存儲(chǔ)器與輔助存儲(chǔ)器等。第5章介紹計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。第6章至第8章主要講解中央處理器CPU，內(nèi)容包括CPIJ的功能與結(jié)構(gòu)，控制單元的功能與結(jié)構(gòu)，控制單元的基本設(shè)計(jì)原理等。第9章介紹計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)。第10章介紹輸入／輸出系統(tǒng)與常見的I／O設(shè)備。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展非?？?，新知識(shí)、新技術(shù)層出不窮，作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，沒有必要去刻意求新。本書立足于基本原理和基本思想，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹近些年廣泛使用的一些較新技術(shù)，希望本書的使用者也能著重于基本原理的理解，而不致被眾多的、風(fēng)格各異的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及組成所迷惑。

內(nèi)容概要

本書按照計(jì)算機(jī)專業(yè)考研統(tǒng)考大綱中計(jì)算機(jī)組成原理科目知識(shí)點(diǎn)的要求，結(jié)合作者多年實(shí)際授課經(jīng)驗(yàn)編寫而成。全書共10章，主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)邏輯部件基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)中信息的表示和數(shù)值運(yùn)算、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、CPU的功能與結(jié)構(gòu)、控制單元CU、控制單元的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總線、輸入輸出系統(tǒng)等。    本書既注重基礎(chǔ)，具有概念清晰、講解簡(jiǎn)明扼要、配合大量實(shí)例的特點(diǎn)；同時(shí)又力求與當(dāng)代技術(shù)相結(jié)合，介紹DDR存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)流水線、超標(biāo)量等內(nèi)容。為了突出應(yīng)用、便于開展實(shí)踐教學(xué)，在附錄中簡(jiǎn)單介紹MAX+plus II軟件和VHDL語(yǔ)言的基本知識(shí)。    本書既可作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子工程等專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的教材，又適合于有志考取計(jì)算機(jī)方向研究生者參考，對(duì)于從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用和開發(fā)的技術(shù)人員也具有一定的參考價(jià)值。

書籍目錄

前言第1章  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論  1.1  計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用    1.1.1  計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生    1.1.2  計(jì)算機(jī)的發(fā)展    1.1.3  微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展    1.1.4  計(jì)算機(jī)的應(yīng)用    1.1.5  計(jì)算機(jī)的未來展望  1.2  計(jì)算機(jī)的基本組成    1.2.1  計(jì)算機(jī)軟、硬件的概念    1.2.2  計(jì)算機(jī)硬件的基本組成    1.2.3  指令與軟件    1.2.4  計(jì)算機(jī)的工作過程  1.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介    1.3.1  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)    1.3.2  計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)  1.4  計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)    1.4.1  CPU的相關(guān)指標(biāo)    1.4.2  存儲(chǔ)器的相關(guān)指標(biāo)    1.4.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)  本章小結(jié)  習(xí)題1第2章  計(jì)算機(jī)邏輯部件基礎(chǔ)  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(jiǎn)介    2.1.2  雙極型三極管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性    2.1.3  MOS管的結(jié)構(gòu)及其工作特性  2.2  布爾代數(shù)與門電路    2.2.1  布爾代數(shù)    2.2.2  基本邏輯運(yùn)算與復(fù)合邏輯運(yùn)算    2.2.3  門電路  2.3  組合邏輯電路    2.3.1  加法器    2.3.2  譯碼器    2.3.3  多路選擇器  2.4  時(shí)序邏輯電路    2.4.1  觸發(fā)器    2.4.2  計(jì)數(shù)器  2.5  數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介    2.5.1  數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法    2.5.2  可編程邏輯器件簡(jiǎn)介  本章小結(jié)  習(xí)題2第3章  計(jì)算機(jī)中信息的表示和數(shù)值運(yùn)算  3.1  數(shù)制與編碼    3.1.1  進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換    3.1.2  十進(jìn)制數(shù)的編碼    3.1.3  字符與字符串編碼    3.1.4  漢字及其他信息的編碼表示    3.1.5  校驗(yàn)碼  3.2  數(shù)值數(shù)據(jù)的表示    3.2.1  真值和機(jī)器數(shù)    3.2.2  無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)    3.2.3  定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示    3.2.4  IEEE754標(biāo)準(zhǔn)  3.3  定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算    3.3.1  移位運(yùn)算    3.3.2  補(bǔ)碼加減運(yùn)算與溢出    3.3.3  乘法運(yùn)算    3.3.4  除法運(yùn)算  3.4  浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算    3.4.1  浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算    3.4.2  浮點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算  3.5  算術(shù)邏輯單元ALU    3.5.1  串行加法器和并行加法器    3.5.2  ALU的功能和結(jié)構(gòu)  本章小結(jié)  習(xí)題3第4章  存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)  4.1  存儲(chǔ)器概述    4.1.1  存儲(chǔ)器的分類    4.1.2  存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)    4.1.3  存儲(chǔ)器的層次化結(jié)構(gòu)  4.2  半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器    4.2.1  SRAM存儲(chǔ)器    4.2.2  DRAM存儲(chǔ)器  4.3  只讀存儲(chǔ)器  4.4  主存儲(chǔ)器與CPU的連接  4.5  高性能存儲(chǔ)器介紹    4.5.1  提高主存性能的措施    4.5.2  雙口RAM和多模塊存儲(chǔ)器    4.5.3  DRAM技術(shù)的發(fā)展  4.6  高速緩沖存儲(chǔ)器    4.6.1  程序訪問的局部性    4.6.2  Cache的基本工作原理    4.6.3  Cache與主存的地址映像方式    4.6.4  Cache的替換算法與寫策略    4.6.5  Cache應(yīng)用舉例  4.7  虛擬存儲(chǔ)器    4.7.1  虛擬存儲(chǔ)器的基本概念    4.7.2  段式虛擬存儲(chǔ)器    4.7.3  頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器    4.7.4  段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器    4.7.5  快表TLB  4.8  輔助存儲(chǔ)器介紹    4.8.1  輔存概述    4.8.2  磁記錄原理與記錄方式    4.8.3  硬磁盤存儲(chǔ)器與磁盤陣列    4.8.4  磁帶存儲(chǔ)器    4.8.5  光盤存儲(chǔ)器  本章小結(jié)  習(xí)題4第5章  指令系統(tǒng)  5.1  指令格式    5.1.1  指令的基本格式    5.1.2  定長(zhǎng)操作碼與擴(kuò)展操作碼    5.1.3  指令字長(zhǎng)  5.2  操作數(shù)類型和操作類型    5.2.1  操作數(shù)類型    5.2.2  數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放方式    5.2.3  操作類型    5.2.4  Pentium機(jī)器數(shù)據(jù)類型和操作類型  5.3  指令的尋址方式    5.3.1  指令尋址    5.3.2  數(shù)據(jù)尋址  5.4  CISC與RISC技術(shù)    5.4.1  指令系統(tǒng)的發(fā)展    5.4.2  RISC的特點(diǎn)  5.5  指令格式舉例    5.5.1  設(shè)計(jì)指令格式應(yīng)考慮的因素    5.5.2  指令格式舉例  本章小結(jié)  習(xí)題五第6章  CPU的功能與結(jié)構(gòu)  6.1  CPU的功能  6.2  CPU的基本結(jié)構(gòu)    6.2.1  CPU的結(jié)構(gòu)框圖    6.2.2  CPU的寄存器結(jié)構(gòu)    6.2.3  控制單元與中斷系統(tǒng)    6.2.4  CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路  6.3  CPU的外部特性    6.3.1  8086的引腳定義    6.3.2  80386的引腳定義  本章小結(jié)  習(xí)題6第7章  控制單元CU  7.1  控制器的功能與組成    7.1.1  控制器的功能    7.1.2  控制器的組成  7.2  指令周期與多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)    7.2.1  指令周期的概念    7.2.2  多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)    7.2.3  多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)舉例  7.3  指令的執(zhí)行過程  7.4  控制方式  7.5  指令流水線  7.6  動(dòng)態(tài)流水線的基本概念  7.7  超標(biāo)量的基本概念  7.8  CPU舉例    7.8.1  RISC的CPU結(jié)構(gòu)    7.8.2  RISC的編譯優(yōu)化  本章小結(jié)  習(xí)題7第8章  控制單元的設(shè)計(jì)  8.1  硬布線控制器設(shè)計(jì)    8.1.1  硬布線控制的基本方法    8.1.2  硬布線控制器的組成    8.1.3  硬布線控制器的設(shè)計(jì)  8.2  微程序控制器設(shè)計(jì)    8.2.1  微程序設(shè)計(jì)思想的產(chǎn)生    8.2.2  微程序控制的基本原理    8.2.3  微指令的編碼方式    8.2.4  微地址的形成方式    8.2.5  微指令格式及執(zhí)行方式  本章小結(jié)  習(xí)題8第9章  系統(tǒng)總線  9.1  總線概述    9.1.1  總線的基本概念    9.1.2  總線的分類  9.2  總線的組成與連接方式    9.2.1  總線的基本組成    9.2.2  總線的基本連接方式  9.3  總線特性與性能指標(biāo)    9.3.1  總線特性    9.3.2  總線性能指標(biāo)  9.4  總線仲裁與總線操作    9.4.1  總線仲裁    9.4.2  總線操作  9.5  總線標(biāo)準(zhǔn)舉例  本章小結(jié)  習(xí)題9第10章  輸入輸出系統(tǒng)  10.1  輸入輸出系統(tǒng)基本概念    10.1.1  輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況    10.1.2  輸入輸出系統(tǒng)的組成    10.1.3  I／O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式    10.1.4  I／O與主機(jī)信息傳送的控制方式  10.2  外部設(shè)備舉例    10.2.1  輸入設(shè)備    10.2.2  輸出設(shè)備  10.3  I／O接口    10.3.1  概述    10.3.2  接口的功能和基本結(jié)構(gòu)    10.3.3  接口類型    10.3.4  I／O端口及其編址  10.4  程序查詢方式    10.4.1  程序查詢流程    10.4.2  程序查詢方式的接口電路  10.5  程序中斷方式    10.5.1  中斷的基本概念    10.5.2  中斷的響應(yīng)、處理過程    10.5.3  多重中斷處理    10.5.4  程序中斷方式的接口電路    10.5.5  中斷控制器舉例  10.6  DMA方式    10.6.1  DMA方式的特點(diǎn)    10.6.2  DMA控制器的功能和組成    10.6.3  DMA傳送過程  10.7  通道方式  10.8  外設(shè)接口舉例  本章小結(jié)  習(xí)題10附錄1  陣列乘法器與陣列除法器附錄2  74181與AM2901附錄3  相聯(lián)存儲(chǔ)器附錄4  MAX+plus II軟件附錄5  VHDL語(yǔ)言參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：計(jì)算機(jī)的軟件是根據(jù)解決問題的方法、思想和過程編寫的程序的有機(jī)集合，它可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。所謂程序指的是指令的有序集合，一臺(tái)計(jì)算機(jī)中全部程序的集合，統(tǒng)稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的指令的全部集合，稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)（Instructionset）。指令是指揮計(jì)算機(jī)完成特定操作的命令。計(jì)算機(jī)所能認(rèn)識(shí)的指令屬于機(jī)器語(yǔ)言，是指能直接指揮計(jì)算機(jī)硬件工作的命令，也叫機(jī)器碼，用二進(jìn)制編碼表示。在早期的計(jì)算機(jī)中，使用機(jī)器自身能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言來編寫程序。由于機(jī)器不同，機(jī)器語(yǔ)言也不同，因此人們?cè)诓煌臋C(jī)器上編程，就需要熟悉不同機(jī)器的機(jī)器指令，使用極不方便，寫出的程序也很難閱讀。因此在20世紀(jì)50年代后，逐漸產(chǎn)生了用與機(jī)器語(yǔ)言相對(duì)應(yīng)的符號(hào)（稱為助記符）來編寫的程序，這種符號(hào)語(yǔ)言后來就發(fā)展成了匯編語(yǔ)言，但它們?nèi)允敲嫦驒C(jī)器的，即不同的機(jī)器各自有不同的匯編語(yǔ)言。同時(shí)機(jī)器硬件不認(rèn)識(shí)匯編語(yǔ)言，所以必須通過叫做匯編程序的軟件把它轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言后才能在機(jī)器上得到執(zhí)行。為了擺脫對(duì)具體機(jī)器的依賴，在匯編語(yǔ)言之后又出現(xiàn)了面向問題的高級(jí)語(yǔ)言。使用高級(jí)語(yǔ)言編程可以不了解機(jī)器的結(jié)構(gòu)，高級(jí)語(yǔ)言的命令通常是一個(gè)英語(yǔ)詞匯，詞義本身反映出命令的功能，比較接近人們習(xí)慣使用的自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)語(yǔ)言，使程序具有很強(qiáng)的可讀性。但為了使高級(jí)語(yǔ)言描述的算法和相應(yīng)的程序能在機(jī)器上執(zhí)行，同樣需要一個(gè)翻譯系統(tǒng)，于是產(chǎn)生了編譯程序和解釋程序，它們能把高級(jí)語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言。可見，隨著各種語(yǔ)言的出現(xiàn)，匯編程序、編譯程序、解釋程序的產(chǎn)生，逐漸形成了軟件系統(tǒng)。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，外部設(shè)備的增多，為了方便對(duì)計(jì)算機(jī)各種軟硬件資源的管理，又出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。后來又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)支持軟件等。上述各種軟件屬于系統(tǒng)軟件，而軟件發(fā)展的另一個(gè)主要內(nèi)容就是應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件種類繁多，是用戶在各自的行業(yè)中開發(fā)和使用的各種程序。如管理財(cái)務(wù)的各種財(cái)務(wù)軟件、辦公用的文字處理和排版軟件、日常事務(wù)和圖文報(bào)表處理的電子表格和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、幫助工程設(shè)計(jì)的CAD軟件以及各種實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)通信軟件等。

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