計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

“計算機組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是高等院校計算機科學與技術專業(yè)及相關專業(yè)的兩門核心專業(yè)基礎課。有的學校已將“計算機組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這兩門課程合并為一門課程，80至90學時。本教材就是為了滿足不同學校的“計算機組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學需要而編寫的?！坝嬎銠C組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程合起來上課可以使用這本教材，這兩門課程分開上課使用這本教材也可以滿足要求。比分別使用兩本教材具有更多的優(yōu)越性，不僅可以減輕學生經(jīng)濟負擔，且還可以減少大量重復的內(nèi)容。為了適應計算機專業(yè)發(fā)展，更好地滿足“計算機組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程的教學需要，我們不斷更新課程的教學內(nèi)容。因此，本次修訂對原教材的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容作了較大調(diào)整和修改，刪除了一些內(nèi)容，增加了許多設計舉例和新的理念、新的方法和新的知識。旨在將原理結(jié)構(gòu)的學習與工程設計實踐緊密結(jié)合在一起，讓學生了解計算機部件設計的基本方法，培養(yǎng)學生的初步設計能力，為學生將來從事計算機系統(tǒng)和芯片設計打下良好的基礎。本課程的先導課程是“數(shù)字電路與系統(tǒng)”和“匯編語言程序設計”。前者可幫助學生理解計算機各功能部件工作原理及其邏輯實現(xiàn)的必備基礎知識；后者則可使學生了解計算機執(zhí)行的程序，以及如何用程序來調(diào)度管理計算機的各功能部件及外設。本專業(yè)的后續(xù)課程都是以本課程為基礎的。所以，本課程是承上啟下的主干課程，是學生必須掌握的重要知識結(jié)構(gòu)。本課程是一門理論性強且又與實際緊密結(jié)合的課程，它的特點是內(nèi)容覆蓋面廣，基本概念多，而且又比較抽象，特別是難以建立計算機的整機概念。本教材結(jié)合計算機科學的理論、抽象和設計三種形態(tài)，講述計算機組成與設計，并力求與當代先進的計算機技術相結(jié)合，重點突出計算機的基本原理和設計方法。旨在使讀者建立計算機的整機概念，掌握計算機中各功能部件的工作原理和邏輯實現(xiàn)，包括運算功能部件的設計、存儲器系統(tǒng)的設計、指令系統(tǒng)的設計、硬布線控制器的設計、微程序設計技術、數(shù)據(jù)通路的構(gòu)成及輸入／輸出接口的設計等，為分析、設計、開發(fā)以及使用計算機打下堅實的基礎。本教材內(nèi)容由淺入深、由易到難、由單元電路到功能部件、再由功能部件到計算機系統(tǒng)，循序漸進地進行介紹。本教材共分12章，現(xiàn)介紹如下。

內(nèi)容概要

　　《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）》包括“計算機組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程的主要內(nèi)容，力求與當代先進的計算機科學與技術相結(jié)合，全書共分為12章：計算機系統(tǒng)概論、數(shù)據(jù)的表示方法和數(shù)據(jù)校驗、運算方法及算術邏輯運算部件、主存儲器與Cache、指令系統(tǒng)的設計、中央處理器（CPU）與設計（流水線CPU和多核CPU）、輔助存儲器與虛擬存儲器、系統(tǒng)總線、輸入／輸出（I／O）系統(tǒng)、輸入／輸出（I／O）設備、流水線與流水處理機、并行技術與多處理機等。本教材根據(jù)計算機科學的理論、抽象和設計三種形態(tài)，力求貫徹“一條紅線，三個結(jié)合”，以符合社會的需要，適用、實用、能用、通用，方便教學和自學，形成完整的知識體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生的初步設計能力為紅線貫通全書。堅持理論知識與實際應用相結(jié)合，抽象概念與基本原理相結(jié)合，設計技術與功能部件相結(jié)合?！　　队嬎銠C組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）》內(nèi)容全面新穎、結(jié)構(gòu)合理、概念清楚、講述嚴謹、邏輯性強，可作為普通高等院校的計算機專業(yè)及相關專業(yè)學生學習“計算機組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教科書，也可作高等職業(yè)技術院校的有關計算機專業(yè)學生學習“計算機組成原理”課程的教科書，還可供從事計算機研發(fā)的工程技術人員參考。

書籍目錄

第1章 計算機系統(tǒng)概論1.1 電子計算機的發(fā)展概況1.1.1 計算機的產(chǎn)生1.2 國外計算機發(fā)展簡介1.1.3 中國計算機發(fā)展簡介1.1.4 計算機的發(fā)展趨勢1.2 計算機的分類、特點和技術指標1.2.1 計算機的分類1.2.2 計算機的特點1.2.3 計算機的主要技術指標1.3 計算機基本結(jié)構(gòu)及設計思想1.3.1 馮·諾依曼計算機的設計思想1.3.2 計算機的基本結(jié)構(gòu)1.4 計算機的軟件與計算機的工作過程1.4.1 軟件的發(fā)展演變1.4.2 計算機的工作過程1.5 計算機軟件與硬件的邏輯等價性1.6 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.6.1 計算機的層次結(jié)構(gòu)1.6.2 計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.6.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展1.7 計算機的應用習題第2章 數(shù)據(jù)的表示方法和數(shù)據(jù)校驗2.1 數(shù)據(jù)的表示方法及其轉(zhuǎn)換2.1.1 數(shù)制2.1.2 計算機為什么采用二進制2.1.3 不同數(shù)制問的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2.1.4 數(shù)據(jù)符號的表示2.1.5 十進制數(shù)的編碼與運算2.2 無符號數(shù)和有符號數(shù)2.2.1 無符號數(shù)2.2.2 有符號數(shù)及其編碼2.3 定點數(shù)和浮點數(shù)2.3.1 數(shù)的定點表示2.3.2 數(shù)的浮點表示2.3.3 IEEE754標準2.4 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法2.4.1 邏輯數(shù)據(jù)2.4.2 字符的表示方法2.4.3 漢字的表示方法2.4.4 其他信息的表示2.5 數(shù)據(jù)校驗2.5.1 奇偶校驗2.5.2 海明碼校驗2.5.3 循環(huán)冗余校驗習題二第3章 運算方法及運算部件3.1 二進制串行加法器和十進制加法器3.2 定點數(shù)的運算3.2.1 定點補碼加、減運算3.2.2 加、減運算的溢出處理3.3 定點數(shù)乘法運算3.3.1 定點數(shù)的位移運算3.3.2 原碼一位乘法和兩位乘法3.3.3 補碼一位乘法和兩位乘法3.3.4 陣列乘法器3.4 定點數(shù)除法運算3.4.1 原碼一位除法3.4.2 原碼加減交替除法3.4.3 補碼一位除法3.4.4 陣列除法器3.5 定點運算器的組成與結(jié)構(gòu)3.5.1 二進制并行加法器3.5.2 多功能算術邏輯單元SN741813.5.3 雙極型位片式運算器AM29c1013.5.4 定點運算器的基本結(jié)構(gòu)3.6 浮點數(shù)的運算方法與浮點運算器3.6.1 浮點數(shù)的加、減運算3.6.2 浮點數(shù)的乘、除法運算3.6.3 浮點運算器的組成習題三第4章 主存儲器與Cache4.1 存儲器系統(tǒng)概述4.1.1 存儲器系統(tǒng)的Cache-主存層次結(jié)構(gòu)4.1.2 存儲器分類4.1.3 主存儲器的主要性能指標4.2 半導體讀／寫存儲器4.2.1 靜態(tài)隨機讀／寫存儲器(SRAM)4.2.2 動態(tài)隨機讀／寫存儲器(DRAM)4.2.3 存儲器芯片的讀／寫時序4.2.4 DRAM的刷新4.3 半導體只讀存儲器和閃速存儲器4.3.1 固定掩膜只讀存儲器(ROM)4.3.2 一次編程只讀存儲器(PROM)4.3.3 可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)4.3.4 閃速存儲器4.4 主存儲器的組成與設計4.4.1 主存儲器存儲單元的分配4.4.2 主存儲器與CPU的連接4.4.3 主存儲器的設計4.5 并行讀／寫存儲器4.5.1 雙端口存儲器4.5.2 單體多字存儲器4.5.3 多體交叉存儲器4.6 相聯(lián)存儲器4.6.1 相聯(lián)存儲器的基本原理4.6.2 相聯(lián)存儲器的基本組成4.7 高速緩沖存儲器(Cache)4.7.1 Cache的功能4.7.2 cache的基本原理及結(jié)構(gòu)4.7.3 Cache的讀／寫操作和命中率4.7.4 地址映像4.7.5 替換算法4.7.6 Pentium Ⅱ的Cache組織習題四第5章 指令系統(tǒng)的設計5.1 指令系統(tǒng)的作用和性能要求5.1.1 指令系統(tǒng)的作用5.1.2 對指令系統(tǒng)的性能要求5.2 機器指令的設計要素5.2.1 機器指令的組成要素5.2.2 指令的表示和類型5.2.3 指令集應考慮的各種因素5.3 指令的基本格式5.3.1 指令的一般格式5.3.2 操作碼的編碼技術5.3.3 地址碼的安排5.3.4 指令的字長5.4 操作類型和操作數(shù)類型5.4.1 操作類型5.4.2 操作數(shù)類型5.5 指令尋址方式和操作數(shù)尋址方式5.5.1 指令尋址方式(包括順序?qū)ぶ贰⑻S尋址)5.5.2 操作數(shù)尋址方式5.6 CISC和RISC的指令系統(tǒng)5.6.1 復雜指令系統(tǒng)計算機CISC5.6.2 精簡指令系統(tǒng)計算機RISC5.6.3 RISC和CISC的比較習題五第6章 中央處理器與設計6.1 CPU的基本功能與結(jié)構(gòu)6.1.1 CPU的基本功能6.1.2 CPU的基本結(jié)構(gòu)6.1.3 算術／邏輯運算器的功能6.1.4 控制器的結(jié)構(gòu)及功能6.1.5 寄存器與總線接口6.2 時序與控制6.2.1 指令周期6.2.2 時序信號發(fā)生器6.2.3 控制方式6.3 硬布線控制器的組成與設計6.3.1 基本概念6.3.2 硬布線控制器的基本原理6.3.3 硬布線控制器的設計步驟6.3.4 硬布線控制器設計舉例6.3.5 陣列邏輯控制器6.3.6 指令執(zhí)行過程舉例6.4 微程序控制器結(jié)構(gòu)原理6.4.1 微程序控制的基本概念6.4.2 微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)6.4.3 微程序控制的基本原理6.4.4 微程序控制器和硬布線控制器的比較6.5 微程序設計技術6.5.1 微指令的編碼方式6.5.2 微地址的形成方法6.5.3 微指令的格式6.S.4 微程序設計舉例6.6 流水線式CPU6.6.1 并行處理技術6.6.2 流水線式CPU的結(jié)構(gòu)6.6.3 流水線中的主要問題及解決方法6.7 CPU舉例6.7.1 早期Intel系列CPU簡介6.7.2 早期Pentium系列CPU6.7.3 RISC處理器6.8 多核處理器6.8.1 為什么要發(fā)展多核處理器6.8.2 多核處理器的技術關鍵習題六第7章 輔存與虛擬存儲器系統(tǒng)7.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)7.1.1 局部性原理7.1.2 多級存儲器體系結(jié)構(gòu)7.1.3 主存-輔存層次結(jié)構(gòu)7.1.4 三級存儲層次結(jié)構(gòu)7.2 輔助存儲器7.2.1 磁表面記錄原理及記錄方式7.2.2 磁盤存儲器7.2.3 磁帶存儲器7.2.4 光盤存儲器7.3 微型可移動U盤和SSD固態(tài)硬盤7.3.1 微型司移動U盤7.3.2 SSD固態(tài)硬盤7.4 虛擬存儲器技術7.4.1 虛擬存儲器的基本概念7.4.2 虛擬存儲器的管理方式7.4.3 虛擬存儲器的工作過程習題七第8章 系統(tǒng)總線及其互連結(jié)構(gòu)8.1 計算機系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)8.2 總線的基本概念8.2.1 總線的作用及分類8.2.2 總線的特性與標準8.2.3 總線的連接方式8.2.4 總線的數(shù)據(jù)傳送方式8.3 總線仲裁和協(xié)議8.3.1 總線仲裁8.3.2 總線協(xié)議8.4 PCI總線8.4.1 PCI總線的特點8.4.2 PCI總線信號定義8.4.3 PCI總線周期類型和操作8.4.4 PCI總線仲裁器8.5 外部通信總線8.5.1 RS-232C串行通信總線8.5.2 通用串行總線USB8。6總線設計要素習題八第9章 輸入／輸出組成與設計9.1 輸入／輸出系統(tǒng)概述9.1.1 I／O接口的基本功能9.1.2 I／O接口的基本組成9.1.3 I／O設備的編址方式9.1.4 I／O接口的類型9.2 程序直接控制方式9.2.1 無條件傳送方式9.2.2 程序查詢方式9.2.3 程序查詢方式的接口9.3 程序中斷方式9.3.1 中斷的基本概念及分類9.3.2 中斷的請求和中斷屏蔽9.3.3 中斷響應和中斷處理9.3.4 中斷判優(yōu)和多重中斷9.3.5 程序中斷設備接口和工作原理9.4 直接存儲器訪問(DMA)方式9.4.1 DMA方式的基本概念9.4.2 DMA控制器組成9.4.3 DMA傳送過程9.4.4 DMA傳輸方式9.4.5 DMA控制器與系統(tǒng)的連接方式9.5 通道控制方式和輸入／輸出處理機9.5.1 I／O通道的基本概念9.5.2 I／O通道的基本功能9.5.3 I／O通道的類型9.5.4 通道型I／O處理機(IOP)和外圍處理機9.6 輸入／輸出(I／O)系統(tǒng)的設計習題九第10章 輸入／輸出(I／O)設備10.1 概述10.1.1 I／O設備的基本功能10.1.2 I／O設備的特點10.1.3 I／O設備的分類10.1.4 I／O設備與主機的連接10.2 輸入設備10.2.1 鍵盤10.2.2 鼠標器10.2.3 觸摸屏10.2.4 語音與文字輸入系統(tǒng)10.2.5 數(shù)碼相機10.2.6 數(shù)碼攝像機10.3 輸出設備10.3.1 CRT顯示器10.3.2 液晶顯示器10.3.3 等離子顯示技術10.3.4 打印設備習題十第11章 流水技術與流水處理機11.1 指令重疊與先行控制11.1.1 重疊方式11.1.2 先行控制技術11.2 流水線的時空圖與流水線的分類11.2.1 流水線的時空圖11.2.2 流水線分類11.2.3 流水技術的特點11.3 流水線的性能11.3.1 吞吐率(throughput rate)11.3.2 加速比(speedup ratio)11.3.3 效率(efficiency)11.3.4 舉例11.4 流水線的相關處理和控制機構(gòu)11.4.1 局部相關及處理方法11.4.2 全局性相關及其處理11.4.3 流水機器的中斷處理11.4.4 非線性流水線調(diào)度11.5 向量流水處理與向量流水處理機11.5.1 向量的流水處理11.5.2 向量流水處理機11.6 指令級高度并行的超級處理機11.6.1 超標量處理機11.6.z超長指令字(VLIW)處理機11.6.3 超流水線處理機習題十第12章 并行處理機與多處理機12.1 并行處理機12.1.1 并行處理機的基本結(jié)構(gòu)12.1.2 并行處理機的特點12.1.3 并行處理機的算法12.2 并行處理機的互連網(wǎng)絡與存儲分配12.2.1 并行處理機互連網(wǎng)絡的設計目標12.2.2 基本的單級互連網(wǎng)絡12.2.3 多級互連網(wǎng)絡12.2.4 并行處理機的質(zhì)數(shù)存儲系統(tǒng)12.3 多處理機系統(tǒng)12.3.1 多處理機系統(tǒng)的特點和分類12.3.2 多處理機Cache一致性問題及其解決方法12.4 多處理機的并行算法12.4.1 并行程序設計語言的特點12.4.2 并行程序設計模型12.4.3 并行程序設計算法12.5 多處理機的操作系統(tǒng)12.5.1 多處理機操作系統(tǒng)的復雜性和特點12.5.2 多處理機操作系統(tǒng)的類型12.6 多處理機實例與機群系統(tǒng)及計算模型簡介習題十二參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：（1）指令部件。包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、地址寄存器AR等。（2）時序部件。包括脈沖源、啟?？刂七壿嫛r序信號發(fā)生器。（3）微命令控制信號發(fā)生器?；蚍Q作時序控制信號形成部件。根據(jù)其實現(xiàn)方法可分為組合邏輯型（即硬布控制）、存儲邏輯型（即微程序控制）、組合邏輯與存儲邏輯結(jié)合型。它們的根本區(qū)別在于微命令控制信號形成的方法不同。無論是哪種方法，微命令控制信號都要由時序信號、機器指令操作碼、被控部件反饋的信息及標志信號綜合形成。（4）中斷控制邏輯?？刂浦袛嗵幚淼挠布壿?。中斷系統(tǒng)是計算機的重要組成部分。在CPU中通常設有處理中斷的機構(gòu)，以解決各種中斷的共性問題。當CPU收到“中斷請求”信號，在執(zhí)行完當前指令后，若中斷是開放的就會響應中斷請求信號，中止當前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序。當中斷處理程序執(zhí)行完畢后，再返回原來被中止的程序繼續(xù)往下執(zhí)行。2.控制器的基本功能控制器是計算機的指揮系統(tǒng)，完成計算機的指揮工作。它根據(jù)程序預定的指令執(zhí)行順序，從內(nèi)存中取出一條指令，按該指令的功能，產(chǎn)生所需的帶有時序標志的一系列微命令控制信號?？刂七\算器內(nèi)各功能部件及其他部件，如內(nèi)存、外設的操作，協(xié)調(diào)整個計算機完成指令的功能。從程序運行角度來看，控制器的基本功能是對指令流與數(shù)據(jù)流在時間與空間上實施正確的控制。無論哪一種控制器都必須具有以下基本功能。1）取指令假設要執(zhí)行的程序已存人了主存儲器中，控制器將根據(jù)該程序的人口地址取出第一條指令送指令寄存器，然后自動修改程序計數(shù)器PC的內(nèi)容使其指向下一條要執(zhí)行的指令地址，為取下一條指令做好準備。

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《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第2版)》：普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材,高等院校計算機系列教材。

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