計算機組織與體系結(jié)構(gòu)

前言

“計算機組織與體系結(jié)構(gòu)”是計算機科學(xué)與技術(shù)系的一門硬件核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。從課程地位來說，它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用?！坝嬎銠C組織與體系結(jié)構(gòu)”重點講授單處理機系統(tǒng)的組織和工作原理，在此基礎(chǔ)上擴充講授并行計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。課程教學(xué)具有知識面廣、內(nèi)容多、難度大、更新快等特點。另一方面，體現(xiàn)課程特點的教材對于提高教學(xué)水平和培養(yǎng)人才的質(zhì)量起著十分重要的作用。作者認為，一本好的“計算機組織與體系結(jié)構(gòu)”教材主要應(yīng)具備下述特點：(1)基礎(chǔ)性強。知識結(jié)構(gòu)合理，為學(xué)生建立終生知識體系打下良好基礎(chǔ)。(2)系統(tǒng)性強，知識模塊彼此交互，使學(xué)生能清晰地建立計算機整機概念。(3)時代性強，及時反映前沿方向，以適應(yīng)計算機科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的需要。(4)實踐性強，理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合，注重學(xué)生的智力開發(fā)和能力培養(yǎng)。(5)應(yīng)用性強，有較廣的適應(yīng)面，以適應(yīng)學(xué)生在各類計算機上從事開發(fā)應(yīng)用的需要。(6)啟發(fā)性強，結(jié)合計算機科學(xué)技術(shù)的重大進展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。按CCC2005教學(xué)計劃，本課程的先修課是“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”。作者根據(jù)多年從事計算機硬件課程理論教學(xué)和實踐教學(xué)的經(jīng)驗，從傳授知識和培養(yǎng)能力的目標出發(fā)，結(jié)合本課程教學(xué)的特點、難點和要點，在這次新版教材編寫中又進行了課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革，使文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題庫、試題庫、教學(xué)儀器、實驗設(shè)計、課程設(shè)計綜合配套，力求形成“理論、實驗、設(shè)計”三個過程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。理論教學(xué)計劃64學(xué)時。授課學(xué)時建議：第1章3(學(xué)時，下同)，第2章9，第3章9，第4章4，第5章12，第6章4，第7章4，第8章6，第9章4，第10章4，第11章5。實驗教學(xué)16學(xué)時，與理論教學(xué)同步進行；另外，可在小學(xué)期集中安排2周時間的課程綜合設(shè)計實踐。倪輝、覃健誠、張杰、靳秀國、楊秦、陳楠、馮一兵、祁之力、王軍德、張振華、劉俊榮、李嬌嬌、宗華麗、王曉梅、胡文發(fā)、李貞、王坤山、肖煒、崔洪浚、白媛、郝靜、吳璇、楊光輝、楊孟柯等參與了第4版文字教材、CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題庫、試題庫、教學(xué)儀器、實驗設(shè)計、課程設(shè)計等的編寫和研制工作，限于版面，未能在封面上一一署名。

內(nèi)容概要

　　《普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材·計算機系列教材·計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》重點講授計算機單處理機系統(tǒng)的組成和工作原理。在此基礎(chǔ)上，擴展講授并行計算機的體系結(jié)構(gòu)。書中內(nèi)容分為13章：（1）計算機系統(tǒng)概論；（2）運算方法和運算器；（3）內(nèi)部存儲器；（4）指令系統(tǒng)；（5）中央處理機；（6）總線系統(tǒng)；（7）外圍設(shè)備；（8）輸入/輸出系統(tǒng)；（9）操作系統(tǒng)支持；（10）安騰高性能處理機體系結(jié)構(gòu)；（11）并行體系結(jié)構(gòu)； （12）教學(xué)實驗設(shè)計；（13）課程綜合設(shè)計。在附錄A中介紹了配套光盤與教學(xué)設(shè)備?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹壹壱?guī)劃教材·計算機系列教材·計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》是作者對“計算機組織與體系結(jié)構(gòu)”課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段進行綜合改革的具體成果?！　　镀胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹壹壱?guī)劃教材·計算機系列教材·計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》特色：基礎(chǔ)性、時代性、系統(tǒng)性、實踐性、實用性、啟發(fā)性融為一體，文字教材、多媒體CAI軟件、教學(xué)課件、習(xí)題答案庫、自測試題庫、教學(xué)儀器、實驗設(shè)計、課程設(shè)計綜合配套，形成“理論、實驗、設(shè)計”三個過程相統(tǒng)一的立體化教學(xué)體系。《普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材·計算機系列教材·計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》文字流暢、通俗易懂，有廣泛的適應(yīng)面，可作為高等學(xué)校計算機系的教材，也可作為成人自學(xué)考試和全國計算機等級考試NCRE（四級）用書。

作者簡介

白中英，甘肅省永靖縣人?，F(xiàn)任北京郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。在工程和科學(xué)研究中，“622小型通用計算機”獲1978年全國科學(xué)大會重大成果獎，1項成果獲國家級科技進步三等獎，1項成果獲全國發(fā)明展銀質(zhì)獎，5項成果獲部級科技進步一、二等獎，1項成果獲國家發(fā)明專利。近幾年主持完成國家863項目、國家自然科學(xué)基金項目3項，省部級項目2項。在教育和教學(xué)研究中，《計算機組成原理教程》獲1992年國家級優(yōu)秀教材特等獎，“CNCC網(wǎng)絡(luò)型計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)”等4項成果分別獲1989年、1993年、1997年，2005年國家級教學(xué)成果一、二等獎。6項成果獲省部級教學(xué)成果、教材一等獎。2003年獲首屆北京市“教學(xué)名師獎”。先后出版著作21部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文36篇。研究方向：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人工智能。

書籍目錄

第1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(dǎo)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(shè)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(jié)構(gòu)　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　1.5.3　三個常用術(shù)語的物理概念　1.5.4　計算機體系結(jié)構(gòu)的分類本章小結(jié)習(xí)題　第2章　運算方法和運算器2.1　數(shù)據(jù)與文字的表示方法2.1.1　數(shù)據(jù)格式2.1.2　數(shù)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、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　原碼并行乘法2.3.2　直接補碼并行乘法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(shù)邏輯運算單元2.5.3　內(nèi)部總線　2.5.4　定點運算器的基本結(jié)構(gòu)2.6　浮點運算方法和浮點運算器　2.6.1　浮點加法、減法運算2.6.2　浮點乘法、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(jié)習(xí)題第3章　內(nèi)部存儲器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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)3.3.3　讀寫周期、刷新周期3.3.4　存儲器容量的擴充3.3.5　高級的DRAM結(jié)構(gòu)3.3.6　DRAM主存讀寫的正確性校驗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組織本章小結(jié)習(xí)題第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　對指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3　低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)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(shù)類型4.3.1　一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2　Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3　PowerPC數(shù)據(jù)類型4.4　指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1　指令的尋址方式4.4.2　操作數(shù)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(jié)習(xí)題第5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　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　時序產(chǎn)生器和控制方式5.3.1　時序信號的作用和體制5.3.2　時序信號產(chǎn)生器5.3.3　控制方式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(shè)計技術(shù)5.5　硬連線控制器5.6　傳統(tǒng)CPU5.6.1　Intel8088CPU5.6.2　IBM370系列CPU5.7　流水CPU5.7.1　流水CPU的結(jié)構(gòu)5.7.2　流水線中的主要問題5.7.3　奔騰CPU5.8　RISCCPU5.8.1　RISCCPU的特點5.8.2　RISCCPU實例5.9　多媒體CPU5.9.1　多媒體技術(shù)的主要問題5.9.2　MMX技術(shù)本章小結(jié)習(xí)題第6章　總線系統(tǒng)6.1　總線的概念和結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)傳送模式6.4.1　總線的定時6.4.2　總線數(shù)據(jù)傳送模式6.5　HOST總線和PCI總線6.5.1　多總線結(jié)構(gòu)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6.6.1　InfiniBand的體系結(jié)構(gòu)6.6.2　InfiniBand的通信協(xié)議本章小結(jié)習(xí)題第7章　外圍設(shè)備7.1　外圍設(shè)備概述7.1.1　外圍設(shè)備的一般功能7.1.2　外圍設(shè)備的分類7.2　磁盤存儲沒備7.2.1　磁記錄原理7.2.2　磁盤的組成和分類7.2.3　磁盤驅(qū)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(shù)指標7.3　磁盤存儲設(shè)備的技術(shù)發(fā)展7.3.1　磁盤cache7.3.2　磁盤陣列RAID7.3.3　可移動存儲設(shè)備7.4　磁帶存儲設(shè)備7.5　光盤和磁光盤存儲設(shè)備7.5.1　光盤存儲設(shè)備7.5.2　磁光盤存儲設(shè)備7.6　顯示設(shè)備7.6.1　顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念7.6.2　字符罔形顯示器7.6.3　圖像顯示設(shè)備7.6.4　VESA顯示標準7.7　輸入設(shè)備和打印設(shè)備7.7.1　輸入設(shè)備7.7.2　打印設(shè)備本章小結(jié)習(xí)題第8章　輸入輸出系統(tǒng)8.1　外圍設(shè)備的速度分級與信息交換方式8.1.1　外圍設(shè)備的速度分級8.1.2　信息交換方式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IO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(jié)構(gòu)的發(fā)展8.6　通用IO標準接口8.6.1　并行IO標準接口SCSl8.6.2　串行IO標準接口IEEE1394本章小結(jié)習(xí)題第9章　操作系統(tǒng)支持9.1　操作系統(tǒng)概述9.1.1　操作系統(tǒng)的概念9.1.2　操作系統(tǒng)的功能9.1.3　操作系統(tǒng)的特性及其需要解決的問題9.1.4　操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境9.2　調(diào)度9.2.1　進程9.2.2　調(diào)度的層次9.2.3　處理機調(diào)度的實現(xiàn)9.3　存儲管理9.3.1　分區(qū)式存儲管理9.3.2　交換技術(shù)和分布技術(shù)9.4　虛擬存儲器9.4.1　虛擬存儲器的基本概念9.4.2　頁式虛擬存儲器9.4.3　段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器|9.4.4　虛存的替換算法9.5　存儲保護9.5.1　存儲區(qū)域保護9.5.2　訪問方式保護9.6　奔騰系列機的虛存組織9.6.1　存儲器模型9.6.2　虛地址模式9.6.3　分頁模式下的地址轉(zhuǎn)換本章小結(jié)習(xí)題第10章　安騰高性能處理機體系結(jié)構(gòu)10.1　高性能處理機體系結(jié)構(gòu)的演變10.1.1　IA體系結(jié)構(gòu)的歷史演變10.1.2　英特爾64位處理機的兩種體系結(jié)構(gòu)10.2　安騰體系結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計思想10.3　安騰指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10.3.1　執(zhí)行單元與指令類型10.3.2　安騰寄存器結(jié)構(gòu)10.3.3　安騰指令格式10.3.4　安騰匯編語言格式10.4　指令級并行機制10.4.1　推斷執(zhí)行技術(shù)10.4.2　推測技術(shù)10.5　雙核安騰處理機的組成10.5.1　雙核安騰處理機的基本特性10.5.2　雙核安騰處理機的組織結(jié)構(gòu)本章小結(jié)習(xí)題第11章　并行體系結(jié)構(gòu)11.1　體系結(jié)構(gòu)中的并行性11.1.1　并行性的概念11.1.2　提高并行性的技術(shù)途徑11.1.3　單處理機系統(tǒng)中并行性的發(fā)展第12章　教學(xué)實驗設(shè)計第13章　課程綜合設(shè)計附錄A　配套光盤與教學(xué)設(shè)備參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 計算機系統(tǒng)概論1.3 計算機的硬件1.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備理想的計算機輸入設(shè)備應(yīng)該是“會看”和“會聽”，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(nèi)部進行處理，但是現(xiàn)在這種理想的輸入設(shè)備還未大規(guī)模投入應(yīng)用。目前常用的輸入設(shè)備是鍵盤、鼠標器、數(shù)字掃描儀以及模數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式。輸出設(shè)備的作用是把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器設(shè)備所能接收和識別的信息形式。理想的輸出設(shè)備應(yīng)該是“會寫”和“會講”?！皶憽币呀?jīng)做到，如目前廣為使用的激光印字機、繪圖儀、CRT顯示器等。這些設(shè)備不僅能輸出文字符號，而且還能畫圖作曲線。至于“會講”即輸出語言的設(shè)備，目前也有高級產(chǎn)品問世。計算機的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備有高速的也有低速的，有機電結(jié)構(gòu)的，也有全電子式的。由于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(lián)系。適配器的作用相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器。它可以保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送或接收信息。一個典型的計算機系統(tǒng)具有各種類型的外圍設(shè)備，因而有各種類型的適配器，它使得被連接的外圍設(shè)備通過系統(tǒng)總線與主機進行聯(lián)系，以便使主機和外圍設(shè)備并行協(xié)調(diào)地工作。除了上述各部件外，計算機系統(tǒng)中還必須有總線。系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)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(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。以上是我們對一臺計算機硬件組成概貌的了解，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。

編輯推薦

《計算機組織與體系結(jié)構(gòu)(第4版·立體化教材)》由清華大學(xué)出版社出版。

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