計算機硬件技術基礎

前言

　　“微型計算機原理”是高等學校理工類非計算機專業(yè)本科生的一門必修課程，但是由于微型機更新換代速度太快，因此以型號為背景所寫的教材往往使任課教師無所適從。存在的問題是：（1）教學內容缺乏基礎性和時代性；（2）技術細節(jié)較多，即使學生花費很多的時間和精力，也難以消化教學內容；（3）難以開展有效的實踐教學。在此情況下，進行課程改革的呼聲日益強烈。高等教育出版社《計算機硬件技術基礎》（立體化教材）一書，正是響應了這種呼聲而出版的。　　作者認為，為了保持教學內容的基礎性和時代性，應當避免只講某種型號的處理機，一本好的《計算機硬件技術基礎》教材主要應具備：　　（1）基礎性強，知識結構合理，為學生建立終生知識體系打下良好基礎；　?。?）系統(tǒng)性強，知識模塊彼此交互，使學生能清晰地建立計算機整機概念；　?。?）時代性強，及時反映前沿方向，以適應計算機科學技術快速發(fā)展的需要；　?。?）實踐性強，理論教學與實踐教學結合，注重學生的智力開發(fā)和能力培養(yǎng)；　　（5）實用性強，有較廣的適應面，以適應學生在各類計算機上從事開發(fā)應用的需要；　?。?）啟發(fā)性強，結合計算機科學技術的重大進展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識?！　”緯髡叨嗄陱氖掠嬎銠C硬件課程的理論教學和實踐教學，從傳授知識和培養(yǎng)能力的目標出發(fā)，并結合本課程教學的特點、難點和要點，進行了課程體系、教學內容、教學方法和教學手段的研究，在此基礎上編寫的文字教材與多媒體CAI軟件、教學課件、習題答案庫、自測試題庫、教學儀器、實驗設計綜合配套，力求形成“理論、實驗、設計”三個過程相統(tǒng)一的立體化教學體系。本書理論教學建議安排64學時，實踐教學學時單獨安排。因學時所限，帶.的內容可以自學?！　●≌\、馮一兵、楊春武、陳楠、王莉、靳秀國、楊秦、張杰、祁之力、王軍德、于艷麗、劉俊榮、張振華、宗華麗、李嬌嬌、王曉梅、胡文發(fā)、李貞、王坤山、肖煒、崔洪浚、高明、常培、張果桃、趙玉霞、郝靜、吳璇、楊孟柯等參與了文字教材、CAI軟件、教學課件、習題答案庫、試題庫、教學儀器、實驗設計等的編寫和研制工作，限于版面，未能在封面上——署名。　　本書由中國科學院院士、中國科學技術大學國家高性能計算中心主任陳國良教授主審。清華大學科教儀器廠李鴻儒教授為配套教學儀器的研制給予了大力幫助，在此，作者一并向他們表示衷心感謝。

內容概要

　　《計算機硬件技術基礎（立體化教材）》是作者對“計算機硬件技術基礎”課程體系、教學內容、教學方法、教學手段進行綜合研究的具體成果，內容分10章，包括計算機系統(tǒng)概論、運算方法和運算器、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理機、總線系統(tǒng)、外圍設備、輸入輸出系統(tǒng)、安騰高性能處理機體系結構和片上系統(tǒng)。《計算機硬件技術基礎（立體化教材）》特色：基礎性、時代性，系統(tǒng)性、啟發(fā)性、實踐性、實用性融為一體，《計算機硬件技術基礎（立體化教材）》與副教材、多媒體CAI軟件、教學課件、習題答案庫、自測試題庫、教學儀器、實驗設計、課程設計綜合配套，形成“理論、實驗、設計”三個過程相統(tǒng)一的立體化教學體系。《計算機硬件技術基礎（立體化教材）》文字流暢，內容通俗易懂，循序漸進，有廣泛的適應面，是高等學校理工類計算機基礎課程教材。

書籍目錄

第一章 計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的分類1.2 計算機的發(fā)展簡史1.2.1 計算機的五代變化1.2.2 半導體存儲器的發(fā)展1.2.3 微處理器的發(fā)展1.2.4 計算機的性能指標1.3 計算機的硬件1.3.1 硬件組成要素1.3.2 運算器1.3.3 存儲器1.3.4 控制器1.3.5 適配器與輸入輸出設備1.4 計算機的軟件1.4.1 軟件的組成與分類1.4.2 軟件的發(fā)展演變1.5 計算機系統(tǒng)的層次結構1.5.1 多級組成的計算機系統(tǒng)1.5.2 軟件與硬件的邏輯等價性本章小結習題第二章 運算方法和運算器2.1 數據與文字的表示方法2.1.1 數據格式2.1.2 數的機器碼表示2.1.3 字符與字符串的表示方法2.1.4 漢字的表示方法2.1.5 校驗碼2.2 定點加法與減法運算2.2.1 補碼加法2.2.2 補碼減法2.2.3 溢出概念與檢測方法2.2.4 基本的二進制加法／減法器2.3 定點乘法運算2.3.1 人工算法與機器算法的同異性2.3.2 并行乘法器2.4 定點除法運算2.4.1 原碼除法算法原理2.4.2 并行除法器2.5 定點運算器的組成2.5.1 邏輯運算2.5.2 多功能算術／邏輯運算單元（ALU）2.5.3 內部總線2.5.4 定點運算器的基本結構2.6 浮點運算方法和浮點運算器2.6.1 浮點加法與減法運算2.6.2 浮點乘法與除法運算2.6.3 浮點運算流水線2.6.4 浮點運算器實例本章小結習題第三章 存儲系統(tǒng)3.1 存儲器概述3.1.1 存儲器的分類3.1.2 存儲器的分級3.1.3 主存儲器的技術指標3.2 SRAM存儲器3.2.1 基本的靜態(tài)存儲元陣列3.2.2 基本的SRAM邏輯結構3.2.3 讀／寫周期波形圖3.3 DRAM存儲器3.3.1 DRAM存儲元的記憶原理3.3.2 DRAM芯片的邏輯結構3.3.3 讀／寫周期、刷新周期3.3.4 存儲器容量的擴充3.4 只讀存儲器和閃速存儲器3.4.1 只讀存儲器ROM3.4.2 FLASH存儲器3.5 并行存儲器3.5.1 雙端口存儲器3.5.2 多模塊交叉存儲器3.6 cache存儲器3.6.1 cache基本原理3.6.2 主存與cache的地址映射3.6.3 替換策略3.6.4 cache的寫操作策略3.6.5 Pentium4的cache組織3.7 虛擬存儲器3.7.1 虛擬存儲器的基本概念3.7.2 虛擬存儲器分類3.7.3 替換算法3.7.4 虛擬存儲器實例3.8 存儲保護3.8.1 存儲區(qū)域保護3.8.2 訪問方式保護本章小結習題第四章 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 對指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3 低級語言與硬件結構的關系4.2 指令格式4.2.1 操作碼4.2.2 地址碼4.2.3 指令字長度4.2.4 指令助記符4.2.5 指令格式舉例4.3 操作數類型4.3.1 一般的數據類型4.3.2 Pentium數據類型4.3.3 PowerPC數據類型4.4 指令和數據的尋址方式4.4.1 指令的尋址方式4.4.2 操作數基本尋址方式4.4.3 尋址方式舉例4.5 典型指令4.5.1 指令的分類4.5.2 基本指令系統(tǒng)的操作4.5.3 精簡指令系統(tǒng)本章小結習題第五章 中央處理機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 操作控制器與時序發(fā)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 STO指令的指令周期5.2.6 JMP指令的指令周期5.2.7 用方框圖語言表示指令周期5.3 時序發(fā)生器5.3.1 時序信號的作用和體制5.3.2 時序信號發(fā)生器5.4 微程序控制器5.4.1 微程序控制原理5.4.2 微程序設計技術5.5 傳統(tǒng)CPU5.5.1 Intel8088CPU5.5.2 IBM370系列CPU5.6 流水CPU5.6.1 并行處理技術5.6.2 流水CPU的結構5.6.3 流水線中的主要問題5.6.4 奔騰CPU5.7 RISCCPU5.7.1 RISC機器的特點5.7.2 RISCCPU實例5.8 多媒體CPU5.8.1 多媒體技術的主要問題5.8.2 MMX技術本章小結習題第六章 總線系統(tǒng)6.1 總線的概念和結構形態(tài)6.1.1 總線的基本概念6.1.2 總線的連接方式6.1.3 總線的內部結構6.2 總線接口6.2.1 信息傳送方式6.2.2 總線接口的基本概念6.3 總線的仲裁6.3.1 集中式仲裁6.3.2 分布式仲裁6.4 總線的定時和數據傳送模式6.4.1 總線的定時6.4.2 總線數據傳送模式6.5 HOST總線和PCI總線6.5.1 多總線結構6.5.2 PCI總線信號6.5.3 總線周期類型6.5.4 總線周期操作6.5.5 總線仲裁6.6 InfiniBand標準本章小結習題第七章 外圍設備7.1 外圍設備概述7.1.1 外圍設備的一般功能7.1.2 外圍設備的分類7.2 磁盤存儲設備7.2.1 磁記錄原理7.2.2 硬磁盤的組成和分類7.2.3 磁盤驅動器和控制器7.2.4 磁盤上信息的分布7.2.5 磁盤存儲器的技術指標7.3 磁盤存儲設備的技術發(fā)展7.3.1 磁盤cache7.3.2 磁盤陣列RAID7.3.3 可移動存儲設備7.4 磁帶存儲設備7.5 光盤和磁光盤存儲設備7.5.1 光盤存儲設備7.5.2 磁光盤存儲設備7.6 顯示設備7.6.1 顯示設備的分類與有關概念7.6.2 字符／圖形顯示器7.6.3 圖像顯示設備7.6.4 vESA顯示標準7.7 輸入設備和打印設備7.7.1 輸入設備7.7.2 打印設備本章小結習題：第八章輸入輸出系統(tǒng)8.1 外圍設備的速度分級及與CPU進行數據交換的方式8.1.1 外圍設備的速度分級8.1.2 外設與CPU進行數據交換的方式8.2 程序查詢方式8.3 程序中斷方式8.3.1 中斷的基本概念8.3.2 程序中斷方式的基本I／O接口8.3.3 單級中斷和多級中斷8.3.4 中斷控制器8.3.5 Pentium中斷機制8.4 DMA方式8.4.1 DMA的基本概念8.4.2 DMA傳送方式8.4.3 基本的DMA控制器8.4.4 選擇型和多路型DMA控制器8.5 通道方式8.5.1 通道的功能8.5.2 通道的類型8.5.3 通道結構的發(fā)展8.6 通用I／O標準接口8.6.1 并行I／O標準接口SCSI8.6.2 串行I／O標準接口IEEEl3948.6.3 串行I／O標準接口USB本章小結習題第九章 安騰高性能處理機體系結構9.1 高性能處理機體系結構的演變9.1.1 IA體系結構的歷史演變9.1.2 Intel64位處理機的兩種體系結構9.2 安騰體系結構的基本設計思想9.3 安騰指令系統(tǒng)結構9.3.1 執(zhí)行單元與指令類型9.3.2 安騰寄存器結構9.3.3 安騰指令格式9.3.4 安騰匯編語言格式9.4 指令級并行機制9.4.1 推斷執(zhí)行技術9.4.2 推測技術9.5 雙核安騰處理機的組成9.5.1 雙核安騰處理機的基本特性9.5.2 雙核安騰處理機的組織結構本章小結習題第十章 片上系統(tǒng)10.1 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)10.1.1 嵌入式系統(tǒng)10.1.2 片上系統(tǒng)10.2 C8051F片上系統(tǒng)體系結構10.3 CIP－51內核10.3.1 CIP－5l內部結構10.3.2存儲器組織10.3.3 特殊功能寄存器SFR10.4 CIP－51指令系統(tǒng)10.4.1 指令格式10.4.2 尋址方式10.4.3 指令類型10.5 模擬量數字量轉換與I／O接口10.5.1 數字信號處理系統(tǒng)10.5.2 模擬數字轉換原理10.5.3 數字模擬轉換原理10.5.4 I／O接口10.6 編程應用10.6.1 計算機編程的相關概念10.6.2 匯編語言程序10.6.3 C語言程序本章小結習題附錄A C8051F指令系統(tǒng)附錄B 配套教材與教學設備參考文獻參考網站

章節(jié)摘錄

　　理想的計算機輸入設備應該是“會看”和“會聽”的，即能夠把人們用文字或語言所表達的問題直接送到計算機內部進行處理，但是現在這種理想的輸入設備還未大規(guī)模投入應用。目前常用的輸入設備是鍵盤、鼠標器、數字掃描儀以及模數轉換器等。它們的作用是把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。　　輸出設備的作用是把計算機處理的結果變換為人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式。理想的輸出設備應該“會寫”和“會講”。“會寫”已經做到，如目前廣為使用的激光打印機、繪圖儀等。這些設備不僅能輸出文字符號，而且還能畫圖。至于“會講”即輸出語言的設備，目前也有高級產品問世?！　∮嬎銠C的輸入輸出設備通常稱為外圍設備，簡稱外設。這些外圍設備有高速的也有低速的，有機電結構的，也有全電子式的。由于外設種類繁多且速度各異，因而它們不是直接地同高速工作的主機相連接，而是通過適配器部件與主機相聯系。適配器的作用相當于一個轉換器，它可以保證外圍設備用計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息?！　∫粋€典型的計算機系統(tǒng)具有各種類型的外圍設備，因而有各種類型的適配器，它們使得被連接的外圍設備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯系，以便使主機和外圍設備并行協(xié)調地工作?！　〕松鲜龈鞑考?，計算機系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數據傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計算機在各系統(tǒng)部件之間實現傳送地址、數據和控制信息的操作?！　∫陨鲜俏覀儗σ慌_計算機硬件組成的概述，其目的在于使讀者對計算機的整體先有一個粗略的印象，為在講授后面各章時提供一些方便。

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