計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

本書是將此前的兩門課的教材《計算機組成原理》和《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》的內(nèi)容整合在一起構(gòu)成的。原因在于先前的兩門課的內(nèi)容在許多地方是重復的，同時在新的教學計劃中所分配的教學時間比較少，分成兩門課實施起來困難較大，合成一門課更加適合于教學要求。本書對基礎知識、基本原理、基本概念、構(gòu)成計算機系統(tǒng)的各個部件及計算機系統(tǒng)進行了詳細的闡述。書中首先講述在計算機中數(shù)值及非數(shù)值編碼；描述了定點及浮點數(shù)的算術(shù)運算法則及其相應的運算器的構(gòu)成；闡述計算機中常用指令的構(gòu)成、尋址方式及指令系統(tǒng)，在此基礎上說明控制器的構(gòu)成方法；結(jié)合前面的論述，描述了一個樣本處理器經(jīng)典的設計思路。在描述這些基礎內(nèi)容之后，再介紹構(gòu)成單處理機計算機系統(tǒng)所涉及的流水線技術(shù)、存儲系統(tǒng)、總線及輸入輸出技術(shù)、典型的輸入輸出設備。最后，書中將介紹并行處理及多機系統(tǒng)，還將說明目前及未來計算機及SOC（片上系統(tǒng)或系統(tǒng)芯片）設計的理念及方法等新內(nèi)容。本書著重說明計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的基本原理、基本概念和基本方法，以便使讀者在學完本書之后，能夠建立牢固的基礎知識。本書并不注重問題的工程實現(xiàn)的細節(jié)，具體工程問題的硬、軟件解決方案留待另一門課（微型計算機原理及接口技術(shù)）去解決。本書的最后一章介紹了硬件芯片及CPU的設計思路，考慮到將來學生畢業(yè)后從設計CPU開始構(gòu)成計算機的機會是不大的。因此，只要使學生知道有這樣的設計CPU的方法就夠了。學生將來使用和設計SOC（片上系統(tǒng)或系統(tǒng)芯片）的可能性是很大的，因此，這一部分內(nèi)容應予以說明或讓學生自己閱讀。本書由長安大學信息學院的李鋼編寫第1、2、7、8章，西安電子科技大學李伯成編寫其他章節(jié)并負責全書統(tǒng)稿。在本書的編寫過程中，作者努力將基本概念及基本方法闡述清楚，使本書簡明扼要，通俗易懂，重點突出。同時，融人作者多年教學中的體會與心得。盡管做了努力，由于水平及時間上的限制，錯誤不當之處在所難免，敬請讀者批評指正。在本書編寫過程中，除了書后的參考資料外，還參考了網(wǎng)上的許多資料，在此一并感謝！

內(nèi)容概要

　　《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》的內(nèi)容包括計算機中數(shù)據(jù)的表示，基本的運算方法與運算器的構(gòu)成，中央處理器的指令系統(tǒng)、尋址方式及控制器等基礎知識，以及構(gòu)成計算機的其他組成部件（如總線、存儲器、輸入輸出技術(shù)與設備）。書中還用專門的章節(jié)描述流水線技術(shù)、多處理機系統(tǒng)及如何設計計算機。　　《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》內(nèi)容充實、簡明扼要、重點突出，涵蓋了計算機組成與結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容并增加一些新的內(nèi)容?！　　队嬎銠C組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》可作為高校理工科專業(yè)“計算機組成原理”或“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教科書，也可作為從事計算機行業(yè)的一般工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 計算機的發(fā)展史1.1.1 發(fā)展經(jīng)歷1.1.2 摩爾定律1.2 計算機的基本組成1.2.1 硬件系統(tǒng)1.2.2 軟件系統(tǒng)1.3 計算機的分層組織結(jié)構(gòu)1.3.1 計算機分層結(jié)構(gòu)形式1.3.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)1.4 計算機的分類及性能描述1.4.1 計算機的分類1.4.2 計算機的性能描述習題第2章 計算機中的數(shù)據(jù)表示2.1 數(shù)據(jù)編碼2.1.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼2.1.2 數(shù)據(jù)的浮點表示2.1.3 BCD碼2.2 非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼2.2.1 ASCII碼2.2.2 漢字編碼2.3 檢錯與糾錯編碼2.3.1 奇偶校驗碼2.3.2 海明碼2.3.3 循環(huán)冗余校驗碼習題第3章 運算方法與運算器3.1 定點數(shù)運算3.1.1 加減運算3.1.2 乘法運算3.1.3 除法運算3.2 算術(shù)邏輯單元3.2.1 單元電路3.2.2 算術(shù)邏輯單元3.2.3 運算器的結(jié)構(gòu)3.3 浮點運算3.3.1 浮點加減運算3.3.2 浮點乘除運算3.3.3 浮點運算的實現(xiàn)習題第4章 指令系統(tǒng)4.1 指令格式4.1.1 概述4.1.2 指令信息及格式4.1.3 指令設計4.2 尋址方式4.2.1 主存中數(shù)據(jù)存儲方式4.2.2 尋址方式4.3 指令系統(tǒng)4.3.1 傳送指令4.3.2 算術(shù)運算指令4.3.3 邏輯運算指令4.3.4 移位及循環(huán)移位指令4.3.5 程序控制指令4.3.6 處理器控制指令4.3.7 串操作指令4.3.8 位操作指令4.3.9 其他指令4.4 精減指令集計算機4.4.1 指令系統(tǒng)的從簡到繁4.4.2 精減指令集計算機的特點習題第5章 中央處理器CPU5.1 CPU的結(jié)構(gòu)5.1.1 CPU的功能5.1.2 構(gòu)成CPU的主要部件5.2 指令系統(tǒng)設計5.2.1 設計CPU的尋址方式5.2.2 指令的設計5.3 CPU執(zhí)行指令的過程5.3.1 指令時序5.3.2 指令執(zhí)行過程分析5.4 CPU的部件設計5.4.1 熟悉部件的回顧5.4.2 指令執(zhí)行的詳細說明5.4.3 組合邏輯控制器設計5.4.4 微程序控制器設計習題第6章 流水線技術(shù)6.1 概述6.1.1 流水線概述6.1.2 流水線的分類6.2 流水線的性能分析6.2.1 吞吐率6.2.2 加速比6.2.3 效率6.3 流水線中的相關(guān)6.3.1 概述6.3.2 結(jié)構(gòu)相關(guān)6.3.3 數(shù)據(jù)相關(guān)6.3.4 控制相關(guān)6.3.5 流水線的中斷處理6.3.6 帶成功開銷的流水線性能6.4 指令級并行6.4.1 指令級并行概述6.4.2 提高指令級并行的方法6.5 其他有關(guān)技術(shù)6.5.1 超標量處理機6.5.2 超流水線處理機6.5.3 超標量超流水線處理機6.5.4 超長指令字處理機習題第7章 存儲系統(tǒng)7.1 存儲系統(tǒng)概述7.1.1 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)7.1.2 存儲器的分類7.1.3 存儲器的性能指標7.2 內(nèi)部存儲器(主存儲器)7.2.1 隨機讀寫存儲器(RAM)7.2.2 只讀存儲器(ROM)7.2.3 動態(tài)讀寫存儲器(DRAM)7.2.4 主存儲器校驗7.2.5 其他存儲器7.3 高速緩沖存儲器7.3.1 工作原理7.3.2 替換算法7.3.3 主存-Cache內(nèi)容的一致性問題7.3.4 Cache性能分析7.3.5 Pentium的Cache7.4 虛擬存儲器7.4.1 虛擬存儲器的概念7.4.2 虛擬存儲器的管理7.4.3 幾點說明7.4.4 Pentium虛擬存儲器習題第8章 輸入輸出系統(tǒng)8.1 總線8.1.1 概述8.1.2 總線的信息傳送8.1.3 典型總線介紹8.2 輸入輸出基本原理8.2.1 外部設備8.2.2 程序控制輸入輸出技術(shù)8.3 中斷方式8.3.1 中斷的基本概念8.3.2 中斷優(yōu)先級控制8.4 直接存儲器存取8.4.1 DMA概述8.4.2 DMA的一般過程8.5 通道方式8.5.1 通道方式的特點8.5.2 通道的類型8.5.3 通道的發(fā)展……第9章 多機系統(tǒng)第10章 基于EDA的計算機設計參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：可見，嵌入式計算機是一種專用計算機，它廣泛應用于工業(yè)企業(yè)、軍事裝備的測量與控制。這類計算機通常采用系統(tǒng)集成，即利用一些工業(yè)控制機各部件的提供商所提供的部件，進行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)集成來實現(xiàn)嵌入式計算機。對某些特殊要求的計算機，如要求體積特別小、工作溫度特別高、震動特別劇烈等無法進行系統(tǒng)集成時，則需要由設計者從元器件開始設計嵌入式系統(tǒng)或者采用SOC進行嵌入式系統(tǒng)的設計。（2）按照計算機的用途通用計算機還可分為個人計算機（PC）和服務器?，F(xiàn)在，許多計算機都在聯(lián)網(wǎng)工作，甚至有人提出網(wǎng)絡才是計算機。在聯(lián)網(wǎng)工作中經(jīng)常有兩種結(jié)構(gòu)：客戶機／服務器（C／S）結(jié)構(gòu)和瀏覽器／服務器（B／S）結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡中，用做客戶機或瀏覽器的多是各種型號的個人計算機，通常它們的性能要低一些，滿足用戶要求即可。服務器是用于實現(xiàn)某種服務的。例如，目前常見的有WEB服務器、FTP服務器、MAIL服務器、文件共享服務器、數(shù)據(jù)庫應用服務器、域名服務器、網(wǎng)站的網(wǎng)關(guān)服務器、DNS服務器、流媒體服務器等。一般而言，對服務器的性能要求是很高的，但也要根據(jù)服務器服務對象的要求來設計。目前高檔的服務器是由多達上千個處理器構(gòu)成集群系統(tǒng)來實現(xiàn)，其速度超過萬億次。也有用性能好一些的PC來充當最簡單的服務器的。3.Flynn分類法Flynn分類法是按照計算機在執(zhí)行程序的過程中信息流的特征進行分類的。在程序執(zhí)行過程中存在三種信息流：指令流（IS）——機器執(zhí)行的指令序列，它由存儲器流入控制單元（CU）。數(shù)據(jù)流（DS）——由指令流所使用的數(shù)據(jù)，包括輸入數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。數(shù)據(jù)在處理單元（PU）中進行處理。控制流（CS）——指令流進入CU，由CU產(chǎn)生一系列的控制流（信號），在控制流的控制下完成指令的功能。Flynn將計算機分為4類，如圖1.5 所示。1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）計算機圖1.5 （a）所示的就是單指令流單數(shù)據(jù)流計算機的示意圖。該計算機是由單個控制單元、單個處理單元和單個主存儲器組成。每次從存儲器取一條指令到控制器，由控制器對指令譯碼產(chǎn)生控制信號，控制處理單元完成指令規(guī)定的功能。這是最簡單的一類計算機，本書后面的章節(jié)將予以說明。2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）計算機單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）計算機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5 （b）所示。它是由一個控制單元、多個處理單元和多個存儲器模塊組成。每次從存儲器取一條指令到控制器，由控制器對指令譯碼產(chǎn)生多種相同控制信號，并將相同的控制命令分別下到多個處理單元上，控制多個處理單元執(zhí)行相同的操作，完成這條指令對多個數(shù)據(jù)的處理。最終實現(xiàn)一條指令所規(guī)定的功能。由于該計算機是能夠通過執(zhí)行一條指令實現(xiàn)對多個數(shù)據(jù)的處理，這就是單指令流多數(shù)據(jù)流的由來。這類計算機在本書后面的章節(jié)將予以描述。3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）計算機這種計算機的含義是由多個控制單元同時執(zhí)行多條指令對同一數(shù)據(jù)進行處理，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5 （c）所示。但這種方式尚無實際的實例。

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