計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

“計算機(jī)組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是高等院校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的兩門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。有的學(xué)校已將“計算機(jī)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(xué)時。本教材就是為了滿足不同學(xué)校的“計算機(jī)組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)需要而編寫的。“計算機(jī)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(xué)生經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且還可以減少大量重復(fù)的內(nèi)容。為了適應(yīng)計算機(jī)專業(yè)發(fā)展，更好地滿足“計算機(jī)組成原理”和“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程的教學(xué)需要，我們不斷更新課程的教學(xué)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(shè)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(xué)習(xí)與工程設(shè)計實踐緊密結(jié)合在一起，讓學(xué)生了解計算機(jī)部件設(shè)計的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的初步設(shè)計能力，為學(xué)生將來從事計算機(jī)系統(tǒng)和芯片設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。本課程的先導(dǎo)課程是“數(shù)字電路與系統(tǒng)”和“匯編語言程序設(shè)計”。前者可幫助學(xué)生理解計算機(jī)各功能部件工作原理及其邏輯實現(xiàn)的必備基礎(chǔ)知識；后者則可使學(xué)生了解計算機(jī)執(zhí)行的程序，以及如何用程序來調(diào)度管理計算機(jī)的各功能部件及外設(shè)。本專業(yè)的后續(xù)課程都是以本課程為基礎(chǔ)的。所以，本課程是承上啟下的主干課程，是學(xué)生必須掌握的重要知識結(jié)構(gòu)。本課程是一門理論性強(qiáng)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(jī)的整機(jī)概念。本教材結(jié)合計算機(jī)科學(xué)的理論、抽象和設(shè)計三種形態(tài)，講述計算機(jī)組成與設(shè)計，并力求與當(dāng)代先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，重點突出計算機(jī)的基本原理和設(shè)計方法。旨在使讀者建立計算機(jī)的整機(jī)概念，掌握計算機(jī)中各功能部件的工作原理和邏輯實現(xiàn)，包括運(yùn)算功能部件的設(shè)計、存儲器系統(tǒng)的設(shè)計、指令系統(tǒng)的設(shè)計、硬布線控制器的設(shè)計、微程序設(shè)計技術(shù)、數(shù)據(jù)通路的構(gòu)成及輸入／輸出接口的設(shè)計等，為分析、設(shè)計、開發(fā)以及使用計算機(jī)打下堅實的基礎(chǔ)。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(jī)系統(tǒng)，循序漸進(jìn)地進(jìn)行介紹。本教材共分12章，現(xiàn)介紹如下。

內(nèi)容概要

　　《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）》包括“計算機(jī)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(dāng)代先進(jìn)的計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相結(jié)合，全書共分為12章：計算機(jī)系統(tǒng)概論、數(shù)據(jù)的表示方法和數(shù)據(jù)校驗、運(yùn)算方法及算術(shù)邏輯運(yùn)算部件、主存儲器與Cache、指令系統(tǒng)的設(shè)計、中央處理器（CPU）與設(shè)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(shè)備、流水線與流水處理機(jī)、并行技術(shù)與多處理機(jī)等。本教材根據(jù)計算機(jī)科學(xué)的理論、抽象和設(shè)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(xué)和自學(xué)，形成完整的知識體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的初步設(shè)計能力為紅線貫通全書。堅持理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，抽象概念與基本原理相結(jié)合，設(shè)計技術(shù)與功能部件相結(jié)合?！　　队嬎銠C(jī)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(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)，可作為普通高等院校的計算機(jī)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“計算機(jī)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(shù)院校的有關(guān)計算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“計算機(jī)組成原理”課程的教科書，還可供從事計算機(jī)研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 電子計算機(jī)的發(fā)展概況1.1.1 計算機(jī)的產(chǎn)生1.2 國外計算機(jī)發(fā)展簡介1.1.3 中國計算機(jī)發(fā)展簡介1.1.4 計算機(jī)的發(fā)展趨勢1.2 計算機(jī)的分類、特點和技術(shù)指標(biāo)1.2.1 計算機(jī)的分類1.2.2 計算機(jī)的特點1.2.3 計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1.3 計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計思想1.3.1 馮·諾依曼計算機(jī)的設(shè)計思想1.3.2 計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.4 計算機(jī)的軟件與計算機(jī)的工作過程1.4.1 軟件的發(fā)展演變1.4.2 計算機(jī)的工作過程1.5 計算機(jī)軟件與硬件的邏輯等價性1.6 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.6.1 計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)1.6.2 計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.6.3 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展1.7 計算機(jī)的應(yīng)用習(xí)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(jī)為什么采用二進(jìn)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(jìn)制數(shù)的編碼與運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(xí)題二第3章 運(yùn)算方法及運(yùn)算部件3.1 二進(jìn)制串行加法器和十進(jìn)制加法器3.2 定點數(shù)的運(yùn)算3.2.1 定點補(bǔ)碼加、減運(yùn)算3.2.2 加、減運(yùn)算的溢出處理3.3 定點數(shù)乘法運(yùn)算3.3.1 定點數(shù)的位移運(yùn)算3.3.2 原碼一位乘法和兩位乘法3.3.3 補(bǔ)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(yùn)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(bǔ)碼一位除法3.4.4 陣列除法器3.5 定點運(yùn)算器的組成與結(jié)構(gòu)3.5.1 二進(jìn)制并行加法器3.5.2 多功能算術(shù)邏輯單元SN741813.5.3 雙極型位片式運(yùn)算器AM29c1013.5.4 定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)3.6 浮點數(shù)的運(yùn)算方法與浮點運(yùn)算器3.6.1 浮點數(shù)的加、減運(yùn)算3.6.2 浮點數(shù)的乘、除法運(yùn)算3.6.3 浮點運(yùn)算器的組成習(xí)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(biāo)4.2 半導(dǎo)體讀／寫存儲器4.2.1 靜態(tài)隨機(jī)讀／寫存儲器(SRAM)4.2.2 動態(tài)隨機(jī)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(xí)題四第5章 指令系統(tǒng)的設(shè)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(jī)器指令的設(shè)計要素5.2.1 機(jī)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(yīng)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(shù)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?、跳躍尋址)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(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)CISC5.6.2 精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)RISC5.6.3 RISC和CISC的比較習(xí)題五第6章 中央處理器與設(shè)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(shù)／邏輯運(yùn)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(shè)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(shè)計步驟6.3.4 硬布線控制器設(shè)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(shè)計技術(shù)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(shè)計舉例6.6 流水線式CPU6.6.1 并行處理技術(shù)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(shù)關(guān)鍵習(xí)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(shù)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(xí)題七第8章 系統(tǒng)總線及其互連結(jié)構(gòu)8.1 計算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計要素習(xí)題八第9章 輸入／輸出組成與設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(jī)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(jī)(IOP)和外圍處理機(jī)9.6 輸入／輸出(I／O)系統(tǒng)的設(shè)計習(xí)題九第10章 輸入／輸出(I／O)設(shè)備10.1 概述10.1.1 I／O設(shè)備的基本功能10.1.2 I／O設(shè)備的特點10.1.3 I／O設(shè)備的分類10.1.4 I／O設(shè)備與主機(jī)的連接10.2 輸入設(shè)備10.2.1 鍵盤10.2.2 鼠標(biāo)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(jī)10.2.6 數(shù)碼攝像機(jī)10.3 輸出設(shè)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(shù)10.3.4 打印設(shè)備習(xí)題十第11章 流水技術(shù)與流水處理機(jī)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(shù)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(shù)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(guān)處理和控制機(jī)構(gòu)11.4.1 局部相關(guān)及處理方法11.4.2 全局性相關(guān)及其處理11.4.3 流水機(jī)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(jī)11.5.1 向量的流水處理11.5.2 向量流水處理機(jī)11.6 指令級高度并行的超級處理機(jī)11.6.1 超標(biāo)量處理機(jī)11.6.z超長指令字(VLIW)處理機(jī)11.6.3 超流水線處理機(jī)習(xí)題十第12章 并行處理機(jī)與多處理機(jī)12.1 并行處理機(jī)12.1.1 并行處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)12.1.2 并行處理機(jī)的特點12.1.3 并行處理機(jī)的算法12.2 并行處理機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)與存儲分配12.2.1 并行處理機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)12.2.2 基本的單級互連網(wǎng)絡(luò)12.2.3 多級互連網(wǎng)絡(luò)12.2.4 并行處理機(jī)的質(zhì)數(shù)存儲系統(tǒng)12.3 多處理機(jī)系統(tǒng)12.3.1 多處理機(jī)系統(tǒng)的特點和分類12.3.2 多處理機(jī)Cache一致性問題及其解決方法12.4 多處理機(jī)的并行算法12.4.1 并行程序設(shè)計語言的特點12.4.2 并行程序設(shè)計模型12.4.3 并行程序設(shè)計算法12.5 多處理機(jī)的操作系統(tǒng)12.5.1 多處理機(jī)操作系統(tǒng)的復(fù)雜性和特點12.5.2 多處理機(jī)操作系統(tǒng)的類型12.6 多處理機(jī)實例與機(jī)群系統(tǒng)及計算模型簡介習(xí)題十二參考文獻(xiàn)

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、啟停控制邏輯、時序信號發(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(jī)器指令操作碼、被控部件反饋的信息及標(biāo)志信號綜合形成。（4）中斷控制邏輯。控制中斷處理的硬件邏輯。中斷系統(tǒng)是計算機(jī)的重要組成部分。在CPU中通常設(shè)有處理中斷的機(jī)構(gòu)，以解決各種中斷的共性問題。當(dāng)CPU收到“中斷請求”信號，在執(zhí)行完當(dāng)前指令后，若中斷是開放的就會響應(yīng)中斷請求信號，中止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序。當(dāng)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(jī)的指揮系統(tǒng)，完成計算機(jī)的指揮工作。它根據(jù)程序預(yù)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(biāo)志的一系列微命令控制信號?？刂七\(yùn)算器內(nèi)各功能部件及其他部件，如內(nèi)存、外設(shè)的操作，協(xié)調(diào)整個計算機(jī)完成指令的功能。從程序運(yùn)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(shè)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(zhǔn)備。

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