計算機原理

前言

計算機技術(shù)的迅速發(fā)展不僅推動了社會的進步，更對社會產(chǎn)生了深遠的影響，它正潛移默化地改變著人們的生產(chǎn)方式、工作方式、生活方式和學習方式。掌握計算機基本知識和應(yīng)用技術(shù)已成為當今社會人們的迫切要求和參與社會競爭的必要條件，也是衡量個人素質(zhì)的重要標志之一?！坝嬎銠C原理”是計算機科學與技術(shù)學科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計算機硬件課程群中起著承上啟下的作用。為適應(yīng)計算機的發(fā)展和教學改革的需要，編者結(jié)合多年的教學實踐經(jīng)驗，首先進行內(nèi)容“優(yōu)化”，將計算機硬件課程群中相近的內(nèi)容進行整合，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，展現(xiàn)在讀者面前，以達到“綱舉目張”之目的；最后采用“案例教學”，針對目前學生普遍存在的“對設(shè)計無從下手，對問題束手無策”等現(xiàn)象，采用“案例教學”是培養(yǎng)學生分析問題、解決問題行之有效的方法。全書共11章，內(nèi)容包括：計算機系統(tǒng)概論、計算機中數(shù)據(jù)的表示、運算方法與運算器、存儲器系統(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)、多處理機與機群系統(tǒng)。本書由張道光主編，劉衛(wèi)光、夏冰擔任副主編。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，在此表示誠摯的感謝。由于編者水平有限，書中難免存在疏漏之處，敬請廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　《計算機原理》圍繞計算機系統(tǒng)的組成，詳細論述了計算機系統(tǒng)各個部分的組成及工作原理，并結(jié)合新的計算機應(yīng)用技術(shù)，使內(nèi)容更具有先進性和實用性。全書共11章，內(nèi)容包括：計算機系統(tǒng)概論、計算機中數(shù)據(jù)的表示、運算方法與運算器、存儲器系統(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)、多處理機與機群系統(tǒng)?！队嬎銠C原理》既可作為高等院校計算機及相關(guān)專業(yè)本科生的教材，也可作為非計算機專業(yè)研究生及計算機工程技術(shù)人員的參考用書。

書籍目錄

第1章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的發(fā)展與應(yīng)用1.1.1 計算機的發(fā)展階段和發(fā)展趨勢1.1.2 計算機的應(yīng)用1.2 計算機系統(tǒng)的組成1.2.1 計算機硬件系統(tǒng)1.2.2 計算機軟件系統(tǒng)1.2.3 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.1 傳統(tǒng)馮？諾依曼計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.2 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)習題第2章 計算機中數(shù)據(jù)的表示2.1 進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換2.1.1 進位計數(shù)制2.1.2 進位計數(shù)制的相互轉(zhuǎn)換2.2 定點數(shù)的表示2.2.1 符號的表示2.2.2 小數(shù)點的表示2.2.3 機器數(shù)形式2.3 浮點數(shù)的表示2.3.1 浮點數(shù)的格式2.3.2 浮點數(shù)的規(guī)格化2.3.3 浮點數(shù)的表示范圍2.3.4.浮點數(shù)的機器零2.4.非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.4.1 字符與字符串2.4.2 BCD碼與十進制數(shù)2.5 數(shù)據(jù)校驗碼2.5.1 奇偶校驗碼2.5.2 海明校驗碼2.5.3 循環(huán)冗余校驗碼關(guān)聯(lián)習題第3章 運算方法與運算器3.1 定點數(shù)的算術(shù)運算與實現(xiàn)3.1.1 定點數(shù)加減運算3.1.2 定點數(shù)乘法運算3.1.3 定點數(shù)除法運算3.2 邏輯運算和移位操作3.2.1 邏輯運算3.2.2 移位操作3.3 定點運算器3.3.1 算術(shù)邏輯單元3.3.2 定點運算器的基本結(jié)構(gòu)3.3.3 定點運算器模型3.4 浮點數(shù)的算術(shù)運算與浮點運算器3.4.1 浮點數(shù)的加減運算3.4.2 浮點數(shù)的乘法和除法運算3.4.3 浮點運算器并聯(lián)習題第4章 存儲器系統(tǒng)4.1 存儲器概述4.1.1 存儲器分類4.1.2 存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.3 主存儲器的技術(shù)指標4.2 半導體存儲器4.2.1 半導體存儲器分類4.2.2 存儲元電路4.2.3 存儲器芯片4.2.4 存儲器的擴展與應(yīng)用4.2.5 并行存儲器4.3 每速緩沖存儲器4.3.1 Cache基本原理4.3.2 Cache的結(jié)構(gòu)4.3.3 Cache的讀，寫過程4.4 虛擬存儲器4.4.1 概述4.4.2 頁式虛擬存儲器4.4.3 段式虛擬存儲器4.4.4 段頁式虛擬存儲器4.4.5 替換算法關(guān)聯(lián)習題第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 機器指令5.2.1 機器指令的格式5.2.2 指令字的長度5.2.3 機器指令的分類.5.3 操作碼的編碼方法5.3.1 定長編碼5.3.2 變長編碼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 復雜指令系統(tǒng)5.5.2 精簡指令系統(tǒng)關(guān)聯(lián)習題第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 時序信號與體制6.2.3 時序信號發(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6.4.4 微程序設(shè)計舉例6.4.5 微程序控制器設(shè)計步驟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)問題6.8 多媒體技術(shù)6.9 典型CPU簡介6.9.1 8086CPU6.9.2 Pentium微處理器關(guān)聯(lián)習題第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 直接存儲器方式7.2.4 通道方式關(guān)聯(lián)習題第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8.4 外存儲設(shè)備8.4.1 磁表面存儲器的原理8.4.2 磁記錄方式8.4.3 硬磁盤存儲器8.4.4 光盤存儲設(shè)備8.4.5 閃存關(guān)聯(lián)習題第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9.3.1 總線信息傳送方式9.3.2 總線定時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 計算機中的總線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 并行性的等級和分類10.1.3 開發(fā)并行性的途徑10.2 并行處理機基本結(jié)構(gòu)10.2.1 ，并行處理機的兩種典型結(jié)構(gòu)10.2.2 并行處理機的特點10.3 SIMD計算機基本結(jié)構(gòu)10.3.1 SIMD計算機模型10.3.2 SIMD計算機發(fā)展過程10.3.3 IlliacIV計算機10.3.4 BSP計算機10.3.5 CM.2 計算機10.4 SIMD計算機的應(yīng)用10.4.1 計算模型及有限差分10.4.2 陣列處理機的幾種基本算法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 動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)10.7.1 動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)的互連形式10.7.2 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)互連方式的比較10.7.3 多級互連網(wǎng)絡(luò)10.8 互連網(wǎng)絡(luò)的消息傳遞機制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)習題第11章 多處理機與機群系統(tǒng)11.1 多處理機系統(tǒng)特點與分類11.1.1 基本結(jié)構(gòu)11.1.2 多處理機系統(tǒng)特點11.1.3 多處理機系統(tǒng)的Cache一致性問題11.2 多處理機軟件和典型的多處理機系統(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)計語言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 機群系統(tǒng)11.3.1 機群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點11.3.2 機群系統(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)習題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：6.2.2　時序信號與體制時序信號是對操作控制信號實施時間控制而形成的信號，是利用定時脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機器的動作，規(guī)定在這個脈沖到來時做什么，在那個脈沖到來時又做什么，給計算機各部分提供工作所需的時間標志。為此，需要采用周期、節(jié)拍、脈沖多級時序體制。至于計算機內(nèi)存中所存放的二進制形式的指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分問題，我們可以從兩個層面上進行區(qū)分，一是從時間上來說，取指令是發(fā)生在指令周期的第一個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CPU周期中，即發(fā)生在“執(zhí)行指令”階段；二是從空間上來說，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)，那么一定送往運算器。由此可見，時間控制對計算機來說是十分重要，計算機的協(xié)調(diào)動作需要時間標志，而時間標志則是用時序信號來體現(xiàn)的，控制器所產(chǎn)生的各種控制信號都是時間因素（時序信號）和空間因素（部件）的函數(shù)。時序信號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，用電位的高低來表示數(shù)據(jù)是“1”還是“0”；而打入數(shù)據(jù)的控制信號加在觸發(fā)器的時鐘輸入端，且要求打入數(shù)據(jù)的控制信號到來之前，電位信號必須是穩(wěn)定的，只有電位信號先建立，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，時序信號的體制往往采用周期一節(jié)拍一脈沖三級體制，即一個CPU周期包含多個節(jié)拍，每個節(jié)拍又允許包含多個脈沖。圖6.3中，一個CPU周期包含4個節(jié)拍，每個節(jié)拍又包含1個脈沖。

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《計算機原理》由西安電子科技大學出版社出版。

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