計(jì)算機(jī)組成原理

前言

　　作為一個(gè)工科計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教育工作者，本書(shū)的主要作者教過(guò)許多門硬件方面的課程，用過(guò)許多教材，在獲益匪淺的同時(shí)，總感到有些不足，那就是許多教材存在的冗余較多。隨著近年來(lái)新課程的進(jìn)一步增多，每門課所給的課時(shí)也越來(lái)越少，使這個(gè)問(wèn)題顯得尤為突出。除此之外，就是教材與本門課程的相關(guān)課程呼應(yīng)較少，造成教材的不必要重復(fù)。為此，編寫(xiě)一本適用于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和相近專業(yè)大學(xué)本科生的“計(jì)算機(jī)組成原理”教材，是編者們多年的夙愿?！　”窘滩淖⒁獾搅讼嚓P(guān)課程的設(shè)置，前導(dǎo)課程“數(shù)字電路”的內(nèi)容這里不再講授。后續(xù)課程“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容這里不重點(diǎn)講授。第1～6章是基本內(nèi)容，第7～9章是取舍內(nèi)容，第10章是閱讀內(nèi)容。后續(xù)課不開(kāi)“微機(jī)原理與接口”課的學(xué)校可講第8章和第9章；要求高的學(xué)校可以講授第7章。第7章講述一個(gè)模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例，是本教材的特色，這是作者所在學(xué)校教師多年來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)的成果總結(jié)，是學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)用電路。讀者可以在所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，自己動(dòng)手組成一臺(tái)教學(xué)模型計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更加深入地理解計(jì)算機(jī)組成原理?！　榱耸棺x者更好、更快地學(xué)懂計(jì)算機(jī)組成原理，本教材精選了與教材內(nèi)容配套的習(xí)題，供讀者練習(xí)?！　⒓颖窘滩木帉?xiě)的都是講授本課程的一線教師，其中，第6章、第8～10章由耿恒山編寫(xiě)；第1章、第5章由張軍編寫(xiě)；第2章、第3章由田紅麗編寫(xiě)；第7章由劉肅編寫(xiě)；第4章由董永峰編寫(xiě)；第6章、第8章、第9章的插圖由翟艷東繪制，并編寫(xiě)了附錄；全書(shū)由耿恒山統(tǒng)稿?！　”緯?shū)參照2009年全國(guó)碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課綜合考試大綱編寫(xiě)，可以作為考研參考書(shū)?！　∮捎诰幷叩膶W(xué)識(shí)水平有限，教材中總會(huì)有一些缺憾與不足，誠(chéng)摯地期望廣大讀者提出寶貴意見(jiàn)。

內(nèi)容概要

　　《高等院校規(guī)劃教材·計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系列：計(jì)算機(jī)組成原理》共10章，第1～6章主要講述計(jì)算機(jī)組成的基本原理，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算方法與運(yùn)算器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、中央處理器等計(jì)算機(jī)組成的基本知識(shí)。第8章、第9章講述總線和輸入輸出系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部的接口部分。第10章講述計(jì)算機(jī)外部設(shè)備?！　〉?章講述一個(gè)模型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例。這一章的內(nèi)容是作者所在學(xué)校教師多年來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)的成果總結(jié)，是學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)用電路。讀者可以根據(jù)教材內(nèi)容搭建一臺(tái)教學(xué)模型計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更加深入地理解計(jì)算機(jī)組成原理?！　　陡叩仍盒Ｒ?guī)劃教材·計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系列：計(jì)算機(jī)組成原理》參照2009年全國(guó)碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課綜合考試大綱編寫(xiě)，可以作為計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)本科及相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科“計(jì)算機(jī)組成原理”課的教材和考研用書(shū)，也可作為計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

出版說(shuō)明前言第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 11.1 計(jì)算機(jī)的基本概念 11.1.1 電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本含義 11.1.2 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 11.1.3 計(jì)算機(jī)的分類 11.1.4 計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo) 31.2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程 41.2.1 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 41.2.2 我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展 41.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 51.3.1 “存儲(chǔ)程序控制”的概念 51.3.2 馮?諾依曼計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 61.3.3 計(jì)算機(jī)的各功能部件簡(jiǎn)介 71.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 81.4.1 計(jì)算機(jī)軟件的組成及分類 81.4.2 計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展 91.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 91.5.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次 101.5.2 軟、硬件關(guān)系 101.6 計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的過(guò)程 101.6.1 計(jì)算機(jī)處理問(wèn)題的一般步驟 101.6.2 計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過(guò)程 101.7 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 111.8 習(xí)題 11第2章 計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)表示 122.1 數(shù)據(jù)的編碼 122.2 數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示 122.2.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其各進(jìn)位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 132.2.2 定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示 162.2.3 編碼系統(tǒng) 172.2.4 浮點(diǎn)數(shù)的編碼表示 212.2.5 無(wú)符號(hào)數(shù)的表示 232.2.6 十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼 232.3 非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示 242.3.1 邏輯數(shù)據(jù) 242.3.2 字符數(shù)據(jù) 252.4 數(shù)據(jù)校驗(yàn) 252.4.1 奇偶校驗(yàn) 262.4.2 海明校驗(yàn) 282.4.3 循環(huán)冗余校驗(yàn) 312.5 習(xí)題 34第3章 運(yùn)算方法與運(yùn)算器 353.1 定點(diǎn)數(shù)加減法運(yùn)算 353.1.1 補(bǔ)碼加法運(yùn)算 353.1.2 補(bǔ)碼減法運(yùn)算 353.1.3 溢出判斷 363.2 定點(diǎn)數(shù)乘法運(yùn)算 383.2.1 原碼乘法 393.2.2 補(bǔ)碼乘法 423.3 定點(diǎn)數(shù)除法運(yùn)算 473.3.1 原碼恢復(fù)余數(shù)除法 483.3.2 原碼加減交替除法 493.3.3 并行陣列除法器 503.4 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 523.4.1 浮點(diǎn)數(shù)的加減法運(yùn)算 523.4.2 浮點(diǎn)數(shù)的乘除法運(yùn)算 553.5 定點(diǎn)運(yùn)算器 573.5.1 加法器 573.5.2 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 603.6 浮點(diǎn)運(yùn)算器簡(jiǎn)介 643.7 習(xí)題 64第4章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 664.1 存儲(chǔ)器概述 664.1.1 存儲(chǔ)器分類 664.1.2 存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu) 674.1.3 存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 694.2 主存儲(chǔ)器 704.2.1 SRAM存儲(chǔ)器 704.2.2 DRAM存儲(chǔ)器 754.2.3 主存儲(chǔ)器與CPU的連接 794.2.4 只讀存儲(chǔ)器 814.2.5 閃速存儲(chǔ)器 834.3 并行存儲(chǔ)器 834.3.1 雙端口存儲(chǔ)器 834.3.2 多體交叉存儲(chǔ)器 844.3.3 相聯(lián)存儲(chǔ)器 864.4 Cache 874.4.1 Cache的基本原理 874.4.2 主存與Cache的地址映像 884.4.3 替換算法 904.4.4 寫(xiě)策略 914.5 虛擬存儲(chǔ)器 924.5.1 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念 924.5.2 虛擬存儲(chǔ)器的特點(diǎn) 934.5.3 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 934.5.4 段式虛擬存儲(chǔ)器 954.5.5 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 964.6 習(xí)題 97第5章 指令系統(tǒng) 995.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 995.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 995.1.2 對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求 1005.2 指令格式 1005.2.1 操作碼 1005.2.2 地址碼 1025.2.3 指令字長(zhǎng)度 1035.2.4 指令助記符 1045.3 尋址方式 1045.3.1 指令的尋址方式 1055.3.2 操作數(shù)的尋址方式 1065.3.3 堆棧尋址方式 1105.4 指令系統(tǒng)舉例 1125.4.1 Pentium指令系統(tǒng)的指令格式 1125.4.2 Pentium指令系統(tǒng)的尋址方式 1135.5 復(fù)雜指令系統(tǒng)與精簡(jiǎn)指令系統(tǒng) 1145.5.1 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) 1145.5.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) 1155.6 習(xí)題 115第6章 中央處理器 1186.1 控制器的功能與組成 1186.1.1 控制器的功能 1186.1.2 控制器的組成 1196.1.3 指令執(zhí)行過(guò)程舉例 1206.2 微程序控制器的基本工作原理 1236.2.1 微程序控制的基本概念 1236.2.2 實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理 1246.3 微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 1306.3.1 微指令的編譯法 1306.3.2 微程序流的控制 1326.3.3 微指令的格式 1356.3.4 微程序控制存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì) 1366.3.5 微程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 1396.4 組合邏輯控制的計(jì)算機(jī) 1416.4.1 時(shí)序與節(jié)拍 1416.4.2 操作控制信號(hào)的產(chǎn)生 1426.4.3 組合邏輯控制器的組成 1466.4.4 組合邏輯控制器與微程序控制器的比較 1476.5 控制器的控制方式 1476.6 指令流水線技術(shù) 1496.6.1 流水線與超標(biāo)量流水線 1496.6.2 超流水線 1506.6.3 流水線中的主要問(wèn)題及動(dòng)態(tài)流水線 1516.7 習(xí)題 152第7章 模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) 1567.1 設(shè)計(jì)思想 1567.2 運(yùn)算器設(shè)計(jì) 1567.2.1 運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路方案 1567.2.2 運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路調(diào)試 1577.3 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì) 1597.3.1 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)通路方案 1597.3.2 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)通路調(diào)試 1597.4 時(shí)序電路設(shè)計(jì) 1607.4.1 對(duì)啟/停電路的要求 1607.4.2 啟/停電路的工作過(guò)程 1617.4.3 節(jié)拍脈沖形成電路 1617.5 數(shù)據(jù)格式和指令系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1637.5.1 數(shù)據(jù)格式 1637.5.2 尋址方式 1647.5.3 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1647.5.4 面板控制指令 1677.6 整機(jī)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì) 1687.7 指令的微程序操作流程 1717.8 微程序控制器設(shè)計(jì) 1727.9 指令的執(zhí)行過(guò)程舉例 1817.10 習(xí)題 182第8章 總線系統(tǒng) 1848.1 總線的概念及結(jié)構(gòu) 1848.1.1 總線的基本概念 1848.1.2 總線的連接方式 1858.1.3 總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響 1878.1.4 總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1878.2 總線接口 1898.2.1 信息的傳遞方式 1898.2.2 總線接口的基本概念 1908.3 總線仲裁 1928.3.1 集中式仲裁 1928.3.2 分布式仲裁 1948.4 總線定時(shí) 1948.4.1 同步定時(shí) 1948.4.2 異步定時(shí) 1958.5 總線數(shù)據(jù)的傳送模式 1968.6 常用的系統(tǒng)總線 1968.6.1 ISA總線 1968.6.2 EISA總線 1988.6.3 VESA總線 1998.6.4 PCI總線 2008.6.5 Future bus+總線簡(jiǎn)介 2038.7 外部總線實(shí)例 2048.7.1 RS-232C總線 2048.7.2 USB總線 2058.7.3 IEEE 1394 2088.7.4 IDE/EIDE總線接口 2108.7.5 SCSI總線接口 2118.8 習(xí)題 213第9章 I/O接口 2149.1 I/O接口的功能與類型 2149.1.1 I/O接口的基本功能 2159.1.2 I/O接口的基本類型 2159.2 I/O接口的結(jié)構(gòu) 2169.2.1 接口硬件的結(jié)構(gòu) 2169.2.2 接口軟件 2189.3 I/O接口的編址方式 2189.3.1 I/O端口與存儲(chǔ)器單元統(tǒng)一編址 2199.3.2 I/O端口獨(dú)立編址 2199.4 I/O接口的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制 2219.4.1 無(wú)條件傳送方式及其接口 2219.4.2 程序查詢方式 2229.5 程序中斷方式 2249.5.1 中斷的功能、類型與過(guò)程管理 2249.5.2 程序中斷的基本接口 2269.5.3 單級(jí)中斷與多級(jí)中斷 2279.6 DMA方式 2309.6.1 DMA的幾種傳送方式 2319.6.2 DMA控制器 2329.7 通道方式 2349.7.1 通道的概念 2349.7.2 通道的功能 2359.7.3 通道的類型 2379.8 習(xí)題 238第10章 外部設(shè)備 24010.1 外部設(shè)備概述 24010.1.1 外部設(shè)備的功能 24010.1.2 外部設(shè)備的分類 24010.2 輸入設(shè)備 24110.2.1 鍵盤 24110.2.2 鼠標(biāo) 24410.2.3 光筆、游動(dòng)標(biāo)和圖形板 24610.2.4 觸摸屏 24610.2.5 聲音輸入/輸出設(shè)備——聲卡 24810.2.6 圖形與文字輸入設(shè)備——掃描儀 25110.2.7 數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī) 25210.3 輸出設(shè)備 25310.3.1 顯示器 25310.3.2 打印機(jī) 25710.4 外存儲(chǔ)器設(shè)備 26410.4.1 硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備 26410.4.2 光盤存儲(chǔ)設(shè)備 26710.5 習(xí)題 270附錄 271附錄A 模型計(jì)算機(jī)總圖 271附錄B 模型計(jì)算機(jī)微指令總表 273參考文獻(xiàn) 276

章節(jié)摘錄

　　第1章　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)的誕生。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由軟件和硬件組成的復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備。本章從計(jì)算機(jī)的基本概念、發(fā)展歷程，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程等幾個(gè)方面，簡(jiǎn)要地介紹計(jì)算機(jī)的概貌及工作原理?！　?.1　計(jì)算機(jī)的基本概念　　1.1.1　電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本含義　　電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是一種不需要人的干預(yù)，能夠自動(dòng)連續(xù)地、快速地、準(zhǔn)確地完成信息存儲(chǔ)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制等多種功能的電子機(jī)器。電子邏輯器件是它的物質(zhì)基礎(chǔ)，其基本功能是進(jìn)行數(shù)字化信息處理，人們常稱其為電子計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)?！　∮?jì)算機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展異常迅速，應(yīng)用十分廣泛。從尖端科學(xué)領(lǐng)域到人類社會(huì)生活，到處都可看到由計(jì)算機(jī)所帶來(lái)的深刻變化和深遠(yuǎn)的影響。不少科學(xué)家認(rèn)為：計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，在人類文明史中像蒸汽機(jī)的發(fā)明一樣，具有劃時(shí)代的歷史意義。　　1.1.2　計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)　　快速性：由于計(jì)算機(jī)中使用了具有高速開(kāi)關(guān)性能的電子邏輯元件和“存儲(chǔ)程序”（StoredProgram）結(jié)構(gòu)原理，這兩者相結(jié)合從而獲得了快速性和自動(dòng)連續(xù)性。　　準(zhǔn)確性：被計(jì)算機(jī)程序加工處理的對(duì)象，除了數(shù)值量之外，還有語(yǔ)言、文字、圖形、符號(hào)和音樂(lè)等各種各樣的信息。這些信息在計(jì)算機(jī)中都是用數(shù)字化信息編碼來(lái)表示的，而數(shù)字化編碼技術(shù)可以用增加數(shù)位的方法來(lái)保證運(yùn)算和控制的極高準(zhǔn)確性?！　∵壿嬓裕河捎谟?jì)算機(jī)中常用的數(shù)字化編碼是二進(jìn)制編碼，便于采用邏輯函數(shù)，具有邏輯判斷和處理的能力。因此，它能把各種運(yùn)算有機(jī)地組成復(fù)雜多變的計(jì)算機(jī)控制流程。　　記憶性：計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行工作，是因?yàn)樗哂写鎯?chǔ)器。存儲(chǔ)器能夠記憶各種程序和數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同任務(wù)的需要，方便、靈活地進(jìn)行調(diào)用：“記憶”是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工作的關(guān)鍵?！　⊥ㄓ眯裕喝魏螐?fù)雜而繁重的信息處理任務(wù)，計(jì)算機(jī)都能把它分解為大量的基本算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作，并通過(guò)相應(yīng)的指令，按先后執(zhí)行的次序組成各種程序來(lái)完成。這些程序中既有由用戶編寫(xiě)、利用輸入設(shè)備隨時(shí)輸入的用戶程序，又有大量事先編好的由廠商提供的常駐計(jì)算機(jī)內(nèi)部的系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序包。這些存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的程序，可以根據(jù)不同任務(wù)的需要從存儲(chǔ)器中調(diào)出來(lái)運(yùn)行，而且非常靈活，易于變更，具有極大的通用性。

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　　《計(jì)算機(jī)組成原理》參照2009年全國(guó)碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課綜合考試大綱編寫(xiě)，可以作為計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)本科及相關(guān)專業(yè)大學(xué)本科“計(jì)算機(jī)組成原理”課的教材和考研用書(shū)，也可作為計(jì)算機(jī)工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

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