計(jì)算機(jī)原理

前言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展不僅推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步，更對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它正潛移默化地改變著人們的生產(chǎn)方式、工作方式、生活方式和學(xué)習(xí)方式。掌握計(jì)算機(jī)基本知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)已成為當(dāng)今社會(huì)人們的迫切要求和參與社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)的必要條件，也是衡量個(gè)人素質(zhì)的重要標(biāo)志之一?！坝?jì)算機(jī)原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計(jì)算機(jī)硬件課程群中起著承上啟下的作用。為適應(yīng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展和教學(xué)改革的需要，編者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，首先進(jìn)行內(nèi)容“優(yōu)化”，將計(jì)算機(jī)硬件課程群中相近的內(nèi)容進(jìn)行整合，使該教材既能體現(xiàn)原課程教材的主體面貌，又賦予了新的結(jié)構(gòu)內(nèi)容；其次突出內(nèi)容“關(guān)聯(lián)”，將內(nèi)容之間的聯(lián)系勾畫出來(lái)，展現(xiàn)在讀者面前，以達(dá)到“綱舉目張”之目的；最后采用“案例教學(xué)”，針對(duì)目前學(xué)生普遍存在的“對(duì)設(shè)計(jì)無(wú)從下手，對(duì)問(wèn)題束手無(wú)策”等現(xiàn)象，采用“案例教學(xué)”是培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題行之有效的方法。全書共11章，內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示、運(yùn)算方法與運(yùn)算器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、控制器、接口與輸入，輸出、外圍設(shè)備、總線、并行處理與互連網(wǎng)絡(luò)、多處理機(jī)與機(jī)群系統(tǒng)。本書由張道光主編，劉衛(wèi)光、夏冰擔(dān)任副主編。其中，第1章和第3章由王鼎媛編寫；第2、4、5章由張道光編寫；第6章由張書欽編寫；第7章和第8章由劉衛(wèi)光編寫；第9章和第11章由董躍鈞編寫；第10章由夏冰編寫。全書由張道光、周兵統(tǒng)稿。周兵教授審閱了該書，并提出了許多寶貴意見(jiàn)，在此表示誠(chéng)摯的感謝。由于編者水平有限，書中難免存在疏漏之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)原理》圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，詳細(xì)論述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部分的組成及工作原理，并結(jié)合新的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，使內(nèi)容更具有先進(jìn)性和實(shí)用性。全書共11章，內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示、運(yùn)算方法與運(yùn)算器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、控制器、接口與輸入，輸出、外圍設(shè)備、總線、并行處理與互連網(wǎng)絡(luò)、多處理機(jī)與機(jī)群系統(tǒng)?！队?jì)算機(jī)原理》既可作為高等院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)本科生的教材，也可作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生及計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

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)的發(fā)展階段和發(fā)展趨勢(shì)1.1.2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.2.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)1.2.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.1 傳統(tǒng)馮？諾依曼計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)習(xí)題第2章 計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示2.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換2.1.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制2.1.2 進(jìn)位計(jì)數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換2.2 定點(diǎn)數(shù)的表示2.2.1 符號(hào)的表示2.2.2 小數(shù)點(diǎn)的表示2.2.3 機(jī)器數(shù)形式2.3 浮點(diǎn)數(shù)的表示2.3.1 浮點(diǎn)數(shù)的格式2.3.2 浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化2.3.3 浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍2.3.4.浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)器零2.4.非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.4.1 字符與字符串2.4.2 BCD碼與十進(jìn)制數(shù)2.5 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼2.5.1 奇偶校驗(yàn)碼2.5.2 海明校驗(yàn)碼2.5.3 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼關(guān)聯(lián)習(xí)題第3章 運(yùn)算方法與運(yùn)算器3.1 定點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算與實(shí)現(xiàn)3.1.1 定點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算3.1.2 定點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算3.1.3 定點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算3.2 邏輯運(yùn)算和移位操作3.2.1 邏輯運(yùn)算3.2.2 移位操作3.3 定點(diǎn)運(yùn)算器3.3.1 算術(shù)邏輯單元3.3.2 定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)3.3.3 定點(diǎn)運(yùn)算器模型3.4 浮點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算器3.4.1 浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算3.4.2 浮點(diǎn)數(shù)的乘法和除法運(yùn)算3.4.3 浮點(diǎn)運(yùn)算器并聯(lián)習(xí)題第4章 存儲(chǔ)器系統(tǒng)4.1 存儲(chǔ)器概述4.1.1 存儲(chǔ)器分類4.1.2 存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.3 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)4.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器4.2.1 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類4.2.2 存儲(chǔ)元電路4.2.3 存儲(chǔ)器芯片4.2.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與應(yīng)用4.2.5 并行存儲(chǔ)器4.3 每速緩沖存儲(chǔ)器4.3.1 Cache基本原理4.3.2 Cache的結(jié)構(gòu)4.3.3 Cache的讀，寫過(guò)程4.4 虛擬存儲(chǔ)器4.4.1 概述4.4.2 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器4.4.3 段式虛擬存儲(chǔ)器4.4.4 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器4.4.5 替換算法關(guān)聯(lián)習(xí)題第5章 指令系統(tǒng)5.1 指令系統(tǒng)與性能5.1.1 指令與指令系統(tǒng)5.1.2 指令系統(tǒng)的性能5.2 機(jī)器指令5.2.1 機(jī)器指令的格式5.2.2 指令字的長(zhǎng)度5.2.3 機(jī)器指令的分類.5.3 操作碼的編碼方法5.3.1 定長(zhǎng)編碼5.3.2 變長(zhǎng)編碼5.4 地址碼的尋址方式5.4.1 指令尋址方式5.4.2 操作數(shù)尋址方式5.5 典型的指令系統(tǒng)5.5.1 復(fù)雜指令系統(tǒng)5.5.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)關(guān)聯(lián)習(xí)題第6章 控制器6.1 CPU的功能和組成6.1.1 CPU的功能6.1.2 CPU的基本組成6.2 控制器的時(shí)序系統(tǒng)和控制方式6.2.1 有關(guān)周期的基本概念6.2.2 時(shí)序信號(hào)與體制6.2.3 時(shí)序信號(hào)發(fā)生器6.2.4 控制方式6.3 指令流程圖6.3.1 典型指令及周期分析6.3.2 指令周期流程6.4 微程序控制器6.4.1 基本概念6.4.2 微程序控制器基本原理6.4.3 微程序設(shè)計(jì)6.4.4 微程序設(shè)計(jì)舉例6.4.5 微程序控制器設(shè)計(jì)步驟6.5 組合邏輯控制器6.6 門陣列控制器6.6.1 可編程邏輯陣列PLA6.6.2 基本思想6.7 流水線處理技術(shù)6.7.1 指令執(zhí)行方式6.7.2 流水線的分類6.7.3 線性流水線6.7.4 流水線中的相關(guān)問(wèn)題6.8 多媒體技術(shù)6.9 典型CPU簡(jiǎn)介6.9.1 8086CPU6.9.2 Pentium微處理器關(guān)聯(lián)習(xí)題第7章 接口與輸入／輸出7.1 接口概述7.1.1 接口的功能與組成7.1.2 I／0接口的編址方式7.1.3 I／0接口地址的譯碼7.2 輸入／輸出方式7.2.1 程序控制傳送方式7.2.2 中斷方式7.2.3 直接存儲(chǔ)器方式7.2.4 通道方式關(guān)聯(lián)習(xí)題第8章 外圍設(shè)備8.1 外圍設(shè)備概述8.1.1 外圍設(shè)備的概念8.1.2 外圍設(shè)備的分類8.1.3 外圍設(shè)備的功能8.2 輸入設(shè)備8.2.1 鍵盤8.2.2 鼠標(biāo)8.2 5其他輸入設(shè)備8.3 輸出設(shè)備8.3.1 顯示器8.3.2 打印機(jī)8.4 外存儲(chǔ)設(shè)備8.4.1 磁表面存儲(chǔ)器的原理8.4.2 磁記錄方式8.4.3 硬磁盤存儲(chǔ)器8.4.4 光盤存儲(chǔ)設(shè)備8.4.5 閃存關(guān)聯(lián)習(xí)題第9章 總線9.1 總線技術(shù)概述9.2 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.2.1 總線通道組成9.2.2 總線結(jié)構(gòu)類型9.3 總線信息傳送方式及定時(shí)9.3.1 總線信息傳送方式9.3.2 總線定時(shí)9.4 總線的仲裁9.4.1 集中式仲裁9.4.2 分布式仲裁9.5 計(jì)算機(jī)中的總線9.5.1 內(nèi)部總線9.5.2 外部通信總線9.6 新一代總線9.6.1 PCIExpress總線9.6.2 USB總線關(guān)聯(lián)習(xí)題第10章 并行處理與互連網(wǎng)絡(luò)10.1 并行處理的概念10.1.1 并行性10.1.2 并行性的等級(jí)和分類10.1.3 開(kāi)發(fā)并行性的途徑10.2 并行處理機(jī)基本結(jié)構(gòu)10.2.1 ，并行處理機(jī)的兩種典型結(jié)構(gòu)10.2.2 并行處理機(jī)的特點(diǎn)10.3 SIMD計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)10.3.1 SIMD計(jì)算機(jī)模型10.3.2 SIMD計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程10.3.3 IlliacIV計(jì)算機(jī)10.3.4 BSP計(jì)算機(jī)10.3.5 CM.2 計(jì)算機(jī)10.4 SIMD計(jì)算機(jī)的應(yīng)用10.4.1 計(jì)算模型及有限差分10.4.2 陣列處理機(jī)的幾種基本算法10.5 互連網(wǎng)絡(luò)的概念10.5.1 互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念和作用10.5.2 特性參數(shù)和性能參數(shù)10.5.3 互連函數(shù)10.6 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)10.6.1 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)10.6.2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)特性10.7 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)10.7.1 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)的互連形式10.7.2 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)互連方式的比較10.7.3 多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)10.8 互連網(wǎng)絡(luò)的消息傳遞機(jī)制10.8.1 消息尋徑10.8.2 死鎖和虛擬通道10.8.3 單播方式下的尋徑10.8.4 廣播方式下的尋徑關(guān)聯(lián)習(xí)題第11章 多處理機(jī)與機(jī)群系統(tǒng)11.1 多處理機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)與分類11.1.1 基本結(jié)構(gòu)11.1.2 多處理機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)11.1.3 多處理機(jī)系統(tǒng)的Cache一致性問(wèn)題11.2 多處理機(jī)軟件和典型的多處理機(jī)系統(tǒng)11.2.1 并行算法11.2.2 程序并行性分析11.2.3 并行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言11.2.4 MPP和SMP11.2.5 CM－5系統(tǒng)11.2.6 SGIOrigin2000系列服務(wù)器11.3 機(jī)群系統(tǒng)11.3.1 機(jī)群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)11.3.2 機(jī)群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)11.3.3 提高通信系統(tǒng)的性能11.3.4 幾種典型系統(tǒng)關(guān)聯(lián)習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：6.2.2　時(shí)序信號(hào)與體制時(shí)序信號(hào)是對(duì)操作控制信號(hào)實(shí)施時(shí)間控制而形成的信號(hào)，是利用定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器的動(dòng)作，規(guī)定在這個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)做什么，在那個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)又做什么，給計(jì)算機(jī)各部分提供工作所需的時(shí)間標(biāo)志。為此，需要采用周期、節(jié)拍、脈沖多級(jí)時(shí)序體制。至于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中所存放的二進(jìn)制形式的指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分問(wèn)題，我們可以從兩個(gè)層面上進(jìn)行區(qū)分，一是從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，取指令是發(fā)生在指令周期的第一個(gè)CPU周期中，即發(fā)生在“取指令”階段，而取數(shù)據(jù)是發(fā)生在指令周期的后面幾個(gè)CPU周期中，即發(fā)生在“執(zhí)行指令”階段；二是從空間上來(lái)說(shuō)，如果取出的代碼是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取出的代碼是數(shù)據(jù)，那么一定送往運(yùn)算器。由此可見(jiàn)，時(shí)間控制對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是十分重要，計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用時(shí)序信號(hào)來(lái)體現(xiàn)的，控制器所產(chǎn)生的各種控制信號(hào)都是時(shí)間因素（時(shí)序信號(hào)）和空間因素（部件）的函數(shù)。時(shí)序信號(hào)最基本的體制是電位一脈沖制，該體制下最容易理解的例子是寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)加在觸發(fā)器的電位輸入端，用電位的高低來(lái)表示數(shù)據(jù)是“1”還是“0”；而打入數(shù)據(jù)的控制信號(hào)加在觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端，且要求打入數(shù)據(jù)的控制信號(hào)到來(lái)之前，電位信號(hào)必須是穩(wěn)定的，只有電位信號(hào)先建立，打入到寄存器中的數(shù)據(jù)才是可靠的。在組合邏輯控制器中，時(shí)序信號(hào)的體制往往采用周期一節(jié)拍一脈沖三級(jí)體制，即一個(gè)CPU周期包含多個(gè)節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍又允許包含多個(gè)脈沖。圖6.3中，一個(gè)CPU周期包含4個(gè)節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍又包含1個(gè)脈沖。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)原理》由西安電子科技大學(xué)出版社出版。

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