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)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科各專業(yè)必修的一門專業(yè)公共基礎(chǔ)課，它以計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要介紹計(jì)算機(jī)硬件的基本組成、工作原理和邏輯設(shè)計(jì)?！　”緯鶕?jù)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共基礎(chǔ)課“計(jì)算機(jī)組成原理”的核心知識(shí)體系和研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱的要求編寫而成，較為全面地介紹了計(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)、邏輯設(shè)計(jì)以及相互連接方式，以便讓讀者建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)的概念。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)的講述，讓讀者能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)。本書內(nèi)容豐富、取材先進(jìn)，在闡述計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，力圖給出設(shè)計(jì)方法和實(shí)例，以幫助讀者更好地理解一些比較抽象的概念?！　”緯诰帉懮暇哂兴膫€(gè)特色：第一，基礎(chǔ)性強(qiáng)，知識(shí)結(jié)構(gòu)合理，教材內(nèi)容組織符合《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范（試行）》和研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱的要求；第二，取材先進(jìn)，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)、指令系統(tǒng)的發(fā)展、提高單機(jī)系統(tǒng)指令級(jí)并行性的措施、總線標(biāo)準(zhǔn)等章節(jié)中引入了近幾年來(lái)較新的計(jì)算機(jī)技術(shù)；第三，符合計(jì)算學(xué)科的認(rèn)知理論，注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，教材在內(nèi)容的設(shè)置上依據(jù)了人們?cè)谟?jì)算學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)規(guī)律，即從感性認(rèn)識(shí)（抽象）到理性認(rèn)識(shí)（理論），再由理性認(rèn)識(shí)（理論）回到實(shí)踐（設(shè)計(jì)）；第四，每章針對(duì)各主要知識(shí)點(diǎn)給出了大量的例題，解題過(guò)程詳細(xì)，思路清晰，有助于對(duì)基本理論、基本方法的理解。各章節(jié)后的習(xí)題附有部分參考答案，有助于讀者自學(xué)。　　本書中有關(guān)cPU的設(shè)計(jì)電路已通過(guò)EDA軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證。在保持CPU整體結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過(guò)擴(kuò)展指令系統(tǒng)、設(shè)計(jì)新的指令格式和尋址方式、增加通用寄存器的個(gè)數(shù)、更新操作控制器的設(shè)計(jì)等，可設(shè)計(jì)各類功能強(qiáng)弱不同的CPU，并通過(guò)運(yùn)行機(jī)器語(yǔ)言源程序來(lái)驗(yàn)證CPU設(shè)計(jì)的正確性。此部分可作為該課程的綜合實(shí)踐性環(huán)節(jié)，通過(guò)讓學(xué)生自己做來(lái)增強(qiáng)其實(shí)踐動(dòng)手能力。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地講述了計(jì)算機(jī)最基本的組成和工作原理、分析方法和設(shè)計(jì)技術(shù)，以及有關(guān)的先進(jìn)技術(shù)和在計(jì)算機(jī)組成方面的最新進(jìn)展。
全書共分8章。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論主要講述計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及組成、計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程、性能、分類和應(yīng)用。第2
章運(yùn)算方法和運(yùn)算器主要講述數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法、定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)主要講述存儲(chǔ)器的基本概念、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、多模塊交叉存儲(chǔ)器、相聯(lián)存儲(chǔ)器、Cache
存儲(chǔ)器以及虛擬存儲(chǔ)器。第4章指令系統(tǒng)主要講述指令和數(shù)據(jù)的尋址方式、指令格式的分析與設(shè)計(jì)以及CISC和RISC的基本概念。第5章中央處理器主要講述CPU的功能和組成、時(shí)序產(chǎn)生器、微程序控制器、硬連線控制器、流水線技術(shù)以及提高單機(jī)系統(tǒng)指令級(jí)并行性的措施。第6章總線結(jié)構(gòu)主要講述總線的基本概念、總線仲裁和總線通信以及總線標(biāo)準(zhǔn)。第7章輸入/輸出設(shè)備主要講述典型輸入/輸出設(shè)備的工作原理和常見(jiàn)的性能指標(biāo)。第8章輸入/輸出系統(tǒng)主要講述輸入/輸出系統(tǒng)的基本概念、I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)以及I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送控制方式。每章針對(duì)各主要知識(shí)點(diǎn)給出了大量的例題和習(xí)題，附錄A給出了部分習(xí)題的參考答案。
本書可作為高等院校普通本科計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程和信息技術(shù)等專業(yè)的教材，也可作為應(yīng)用型本科相關(guān)專業(yè)的教材。

書籍目錄

第1章  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論
  1.1  計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程
    1.1.1  馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和功能
    1.1.2  計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史
    1.1.3  計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
  1.2  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)及計(jì)算機(jī)組成
    1.2.1  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
    1.2.2  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成
  1.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成
    1.3.1  計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)
    1.3.2  計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)
    1.3.3  計(jì)算機(jī)硬件與軟件的邏輯等價(jià)性
  1.4  計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程
    1.4.1  使用計(jì)算機(jī)求解的一個(gè)簡(jiǎn)單例子
    1.4.2  計(jì)算機(jī)工作過(guò)程
  1.5  計(jì)算機(jī)性能
    1.5.1  計(jì)算機(jī)性能的衡量尺度
    1.5.2  反映計(jì)算機(jī)性能的參數(shù)
    1.5.3  性能因子CPI
    1.5.4  計(jì)算機(jī)性能常用指標(biāo)
  1.6  計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用
    1.6.1  計(jì)算機(jī)的分類
    1.6.2  計(jì)算機(jī)的應(yīng)用
  本章小結(jié)
  習(xí)題1
第2章  運(yùn)算方法和運(yùn)算器
  2.1  數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法
    2.1.1  數(shù)據(jù)格式
    2.1.2  數(shù)的機(jī)器碼表示
  2.2  非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法
    2.2.1  字符數(shù)據(jù)的表示
    2.2.2  漢字的表示
  2.3  定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算
    2.3.1  補(bǔ)碼加法、減法
    2.3.2  原碼加法、減法
    2.3.3  移碼加法、減法
    2.3.4  十進(jìn)制加法器
  2.4  定點(diǎn)乘法運(yùn)算
    2.4.1  原碼一位乘法
    2.4.2  補(bǔ)碼一位乘法
    2.4.3  陣列乘法器
  2.5  定點(diǎn)除法運(yùn)算
    2.5.1  原碼一位除法
    2.5.2  補(bǔ)碼一位除法
    2.5.3  陣列除法器
  2.6  邏輯運(yùn)算和移位運(yùn)算
    2.6.1  邏輯運(yùn)算
    2.6.2  移位運(yùn)算
  2.7  定點(diǎn)運(yùn)算器的組成與結(jié)構(gòu)
    2.7.1  多功能算術(shù)邏輯運(yùn)算單元
    2.7.2  定點(diǎn)運(yùn)算器
  2.8  浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器
    2.8.1  浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算
    2.8.2  浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算
    2.8.3  浮點(diǎn)運(yùn)算器舉例
  2.9  數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼
    2.9.1  奇偶校驗(yàn)碼
    2.9.2  海明校驗(yàn)碼
    2.9.3  循環(huán)冗余校驗(yàn)碼
  本章小結(jié)
  習(xí)題2
第3章  存儲(chǔ)系統(tǒng)
  3.1  存儲(chǔ)器概述
    3.1.1  存儲(chǔ)器的分類
    3.1.2  存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)
    3.1.3  主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)
  3.2  半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器
    3.2.1  SRAM
    3.2.2  DRAM
  3.3  半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器
    3.3.1  半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器的分類
    3.3.2  EPROM存儲(chǔ)器芯片實(shí)例
  3.4  半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展
    3.4.1  位擴(kuò)展
    3.4.2  字?jǐn)U展
    3.4.3  字位擴(kuò)展
  3.5  高速存儲(chǔ)器
    3.5.1  雙端口RAM
    3.5.2  多模塊交叉存儲(chǔ)器
    3.5.3  相聯(lián)存儲(chǔ)器
  3.6  Cache存儲(chǔ)器
    3.6.1  Cache的功能、基本原理與性能參數(shù)
    3.6.2  多層次Cache存儲(chǔ)器
    3.6.3  Cache的地址映像與變換
    3.6.4  Cache的替換算法
    3.6.5  Cache的取算法
    3.6.6  Cache的寫策略
  3.7  虛擬存儲(chǔ)器
    3.7.1  虛擬存儲(chǔ)器的基本概念
    3.7.2  頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器
    3.7.3  段式虛擬存儲(chǔ)器
    3.7.4  段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器
    3.7.5  虛擬存儲(chǔ)器的替換算法
  本章小結(jié)
  習(xí)題3
第4章  指令系統(tǒng)
  4.1  指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求
    4.1.1  指令系統(tǒng)的發(fā)展
    4.1.2  對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求
    4.1.3  計(jì)算機(jī)語(yǔ)言
  4.2  指令格式
    4.2.1  地址碼
    4.2.2  操作碼
    4.2.3  指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系
    4.2.4  指令格式舉例
  4.3  指令和數(shù)據(jù)的尋址方式
    4.3.1  指令的尋址方式
    4.3.2  操作數(shù)的尋址方式
    4.3.3  指令格式的分析與設(shè)計(jì)
  4.4  典型指令
    4.4.1  指令的分類
    4.4.2  RISC指令系統(tǒng)實(shí)例SUN SPARC
    4.4.3  Pentium指令系統(tǒng)
  4.5  CISC和RISC
    4.5.1  CISC
    4.5.2  RISC
    4.5.3  退耦的CISC/RISC
    4.5.4  后RISC
  本章小結(jié)
  習(xí)題4
第5章  中央處理器
  5.1  CPU的功能和組成
    5.1.1  CPU的功能
    5.1.2  CPU的基本組成
    5.1.3  CPU中的主要寄存器
    5.1.4  操作控制器和時(shí)序產(chǎn)生器
  5.2  指令周期
    5.2.1  指令周期的基本概念
    5.2.2  MOV指令的指令周期
    5.2.3  LAD指令的指令周期
    5.2.4  ADD指令的指令周期
    5.2.5  INC指令的指令周期
    5.2.6  DEC指令的指令周期
    5.2.7  JNZ指令的指令周期
    5.2.8  STO指令的指令周期
    5.2.9  JMP指令的指令周期
    5.2.10  用方框圖語(yǔ)言表示指令周期
  5.3  時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式
    5.3.1  時(shí)序信號(hào)的作用和體制
    5.3.2  多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)
    5.3.3  時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器
    5.3.4  控制方式
  5.4  微程序控制器
    5.4.1  微指令和微程序
    5.4.2  微程序控制器的組成和工作原理
    5.4.3  微程序設(shè)計(jì)舉例
  5.5  微程序設(shè)計(jì)技術(shù)
    5.5.1  微命令的編碼方法
    5.5.2  微地址的形成方法
    5.5.3  微指令格式
    5.5.4  微程序控制器的設(shè)計(jì)方法
  5.6  硬連線控制器
    5.6.1  硬連線控制器的組成和工作原理
    5.6.2  典型指令的指令周期流程圖
    5.6.3  硬連線控制器的設(shè)計(jì)方法
    5.6.4  硬連線控制與微程序控制的比較
  5.7  流水線技術(shù)
    5.7.1  并行性的基本概念
    5.7.2  并行處理技術(shù)
    5.7.3  流水線的工作原理、特點(diǎn)及分類
    5.7.4  相關(guān)問(wèn)題及解決方法
    5.7.5  流水線的性能分析
  5.8  提高單機(jī)系統(tǒng)指令級(jí)并行性(ILP)的措施
    5.8.1  超標(biāo)量處理機(jī)和VLIW體系結(jié)構(gòu)
    5.8.2  超流水處理機(jī)
    5.8.3  超標(biāo)量超流水處理機(jī)
    5.8.4  EPIC技術(shù)
  5.9  現(xiàn)代微處理器舉例
    5.9.1  Pentium 4處理器
    5.9.2  UltraSPARC ⅢCu處理器
  本章小結(jié)
  習(xí)題5
第6章  總線結(jié)構(gòu)
  6.1  總線的基本概念
    6.1.1  總線的特性
    6.1.2  總線的標(biāo)準(zhǔn)化
    6.1.3  總線的分類
    6.1.4  總線的性能
    6.1.5  單機(jī)系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)
  6.2  總線仲裁和總線通信
    6.2.1  總線仲裁
    6.2.2  總線通信
  6.3  總線舉例
    6.3.1  ISA總線
    6.3.2  PCI總線
    6.3.3  PCI Express總線
    6.3.4  通用串行總線USB
  本章小結(jié)
  習(xí)題6
第7章  輸入/輸出設(shè)備
  7.1  輸入設(shè)備
    7.1.1  鍵盤
    7.1.2  鼠標(biāo)
  7.2  輸出設(shè)備
    7.2.1  顯示器
    7.2.2  打印機(jī)
  7.3  輔助存儲(chǔ)器
    7.3.1  輔助存儲(chǔ)器的種類與技術(shù)指標(biāo)
    7.3.2  磁盤
    7.3.3  Flash存儲(chǔ)器
    7.3.4  RAID盤
    7.3.5  光盤存儲(chǔ)器
  本章小結(jié)
  習(xí)題7
第8章  輸入/輸出系統(tǒng)
  8.1  輸入/輸出系統(tǒng)概述
    8.1.1  I/O接口的概念及功能
    8.1.2  輸入/輸出設(shè)備的編址
    8.1.3  I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送控制方式
  8.2  程序中斷方式
    8.2.1  中斷的基本概念
    8.2.2  中斷處理
    8.2.3  多重中斷
  8.3  DMA方式
    8.3.1  DMA的基本概念
    8.3.2  DMA的三種工作方式
    8.3.3  DMA控制器的組成和工作原理
  8.4  通道方式
    8.4.1  通道的基本概念
    8.4.2  通道的種類
  本章小結(jié)
  習(xí)題8
附錄A  各章部分習(xí)題參考答案
  習(xí)題1 參考答案
  習(xí)題2 參考答案
  習(xí)題3 參考答案
  習(xí)題4 參考答案
  習(xí)題5 參考答案
  習(xí)題6 參考答案
  習(xí)題7 參考答案
  習(xí)題8 參考答案
附錄B  研究生入學(xué)考試“計(jì)算機(jī)組成原理”課程全國(guó)統(tǒng)考大綱
附錄C  國(guó)內(nèi)外常用二進(jìn)制邏輯元件圖形符號(hào)對(duì)照表
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　?。?）自我控制功能。計(jì)算機(jī)應(yīng)能保證程序執(zhí)行的正確性和各部件之間的協(xié)調(diào)性?！　‰m然計(jì)算機(jī)種類繁多，運(yùn)算處理能力有強(qiáng)有弱，但作為計(jì)算機(jī)，它們的基本功能卻是相同的。即馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)都應(yīng)當(dāng)具有輸入／輸出、記憶、計(jì)算、判斷和自我控制這五大功能?！　?0多年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，通用計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)作了很多改進(jìn)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了很大的發(fā)展，例如機(jī)器程序與數(shù)據(jù)分開存放在不同的存儲(chǔ)器區(qū)域中，程序不允許修改，計(jì)算機(jī)不再以運(yùn)算器為中心，而是以存儲(chǔ)器為中心等。雖然有以上這些突破，但其本質(zhì)變化不大，習(xí)慣上仍稱之為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)?！　●T·諾依曼型計(jì)算機(jī)的局限性在于它的并行性有限，使工程設(shè)計(jì)人員一直未能找到構(gòu)建廉價(jià)且與大部分商用軟件兼容的快速系統(tǒng)的途徑。顯然，未受到要與馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)保持兼容性要求約束的工程師們，就可以自由地選擇使用許多不同的計(jì)算模式。許多不同的研究領(lǐng)域都屬于非馮·諾依曼模型的范疇，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（利用人腦模型的思想作為計(jì)算范式）、基因算法（利用生物學(xué)和DNA演化的思想開發(fā)的算法）、量子計(jì)算機(jī)（在量子效應(yīng)和量子力學(xué)基礎(chǔ)上開發(fā)的進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的計(jì)算機(jī)）、光子計(jì)算機(jī)（利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)）、納米計(jì)算機(jī)（采用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)）和大規(guī)模并行處理機(jī)等。在這些新的體系結(jié)構(gòu)中，并行計(jì)算的概念是目前最流行的。

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