計算機組成原理

成書過程

該書是中國計算機學會和清華大學出版社共同規劃的面向全國高等院校計算機專業本科生的“21世紀大學本科計算機專業系列教材”之一。

該教材由蔣本珊編著，在該書編寫過程中得到了“21世紀大學本科計算機專業系列教材”編委會的指導和建議。重慶大學計算機系袁開榜教授審閱了該書的全部内容，提出了修改意見。

該教材于2004年3月1日由清華大學出版社出版。

内容簡介

該書介紹了計算機的基本組成原理和内部工作機制，内容覆蓋了《中國計算機科學與技術學科教程2002（CCC2002）》對該課程所列出的知識單元。全書共分8章，主要内容分成兩個部分：第1、2章介紹了計算機的基礎知識；第3-8章介紹了計算機的各子系統（包括運算器、存儲器、控制器、外部設備和輸入輸出子系統等）的基本組成原理、設計方法、相互關系以及各子系統互相連接構成整機系統的技術。該書各章末都附有習題，可配合授課選用。

圖書目錄

第1章概論1

1.1電子計算機與存儲程序控制1

1.1.1電子計算機的發展1

1.1.2存儲程序概念2

1.2計算機的硬件組成3

1.2.1計算機的主要部件4

1.2.2計算機的總線結構5

1.2.3大、中型計算機的典型結構7

1.2.4不同對象觀察到的計算機硬件系統7

1.2.5馮?諾依曼結構和哈佛結構的存儲器設計思想9

1.3計算機系統10

1.3.1硬件與軟件的關系10

1.3.2系列機和軟件兼容11

1.3.3計算機系統的多層次結構12

1.3.4實際機器和虛拟機器13

1.4計算機的工作過程和主要性能指标13

1.4.1計算機的工作過程13

1.4.2計算機的主要性能指标14

習題16

第2章數據的機器層次表示17

2.1數值數據的表示17

2.1.1計算機中的數值數據17

2.1.2無符号數和帶符号數18

2.1.3原碼表示法18

2.1.4補碼表示法19

2.1.5反碼表示法21

2.1.63種機器數的比較與轉換22

2.2機器數的定點表示與浮點表示23

2.2.1定點表示法23

2.2.2浮點表示法25

2.2.3浮點數階碼的移碼表示法27

2.2.4定點.浮點表示法與定點.浮點計算機29

2.2.5浮點數尾數的基數30

2.2.6實用浮點數舉例31

2.3非數值數據的表示33

2.3.1字符和字符串的表示33

2.3.2漢字的表示35

2.3.3統一代碼38

2.4十進制數和數串的表示39

2.4.1十進制數的編碼39

2.4.2十進制數串41

2.5現代微型計算機系統中的數據表示舉例42

2.6數據校驗碼44

2.6.1奇偶校驗碼44

2.6.2海明校驗碼46

2.6.3循環冗餘校驗碼50

習題52

第3章指令系統55

3.1指令格式55

3.1.1機器指令的基本格式55

3.1.2地址碼結構56

3.1.3指令的操作碼58

3.2尋址技術61

3.2.1編址方式61

3.2.2指令尋址和數據尋址62

3.2.3基本的數據尋址方式63

3.2.4變型或組合尋址方式69

3.3堆棧與堆棧操作71

3.3.1堆棧結構71

3.3.2堆棧操作73

3.4指令類型74

3.4.1數據傳送類指令74

3.4.2運算類指令75

3.4.3程序控制類指令76

3.4.4輸入輸出類指令78

3.4.580x86指令系統舉例78

3.5指令系統的發展82

3.5.1x86架構的擴展指令集82

3.5.2從複雜指令系統到精簡指令系統83

3.5.3VLIW和EPIC83

習題85

第4章數值的機器運算88

4.1基本算術運算的實現88

4.1.1加法器88

4.1.2進位的産生和傳遞90

4.1.3并行加法器的快速進位90

4.2定點加減運算93

4.2.1原碼加減運算93

4.2.2補碼加減運算94

4.2.3補碼的溢出判斷與檢測方法96

4.2.4補碼定點加減運算的實現99

4.3帶符号數的移位和舍入操作99

4.3.1帶符号數的移位操作100

4.3.2帶符号數的舍入操作101

4.4定點乘法運算102

4.4.1原碼一位乘法102

4.4.2補碼一位乘法104

4.4.3補碼兩位乘法108

4.4.4陣列乘法器110

4.5定點除法運算111

4.5.1原碼除法運算111

4.5.2補碼除法運算114

4.5.3陣列除法器118

4.6規格化浮點運算118

4.6.1浮點加減運算119

4.6.2浮點乘除運算121

4.6.3浮點運算器的實現123

4.7十進制整數的加法運算123

4.7.1一位十進制加法運算123

4.7.2十進制加法器125

4.7.3多位十進制加法126

4.8邏輯運算與實現127

4.9運算器的基本組成與實例129

4.9.1運算器結構129

4.9.2ALU舉例131

4.9.3浮點運算器舉例133

習題135

第5章存儲系統和結構138

5.1存儲系統的組成138

5.1.1存儲器分類138

5.1.2存儲系統層次結構140

5.2主存儲器的組織141

5.2.1主存儲器的基本結構141

5.2.2主存儲器的存儲單元142

5.2.3主存儲器的主要技術指标143

5.2.4數據在主存中的存放144

5.3半導體随機存儲器和隻讀存儲器145

5.3.1RAM記憶單元電路146

5.3.2動态RAM的刷新148

5.3.3RAM芯片分析151

5.3.4半導體隻讀存儲器154

5.3.5半導體存儲器的封裝156

5.4主存儲器的連接與控制156

5.4.1主存容量的擴展157

5.4.2存儲芯片的地址分配和片選159

5.4.3主存儲器和CPU的連接161

5.4.4主存的校驗163

5.4.5PC系列微型計算機的存儲器接口164

5.5提高主存讀寫速度的技術168

5.5.1主存與CPU速度的匹配168

5.5.2FPMDRAM168

5.5.3EDODRAM169

5.5.4SDRAM169

5.5.5DDRSDRAM170

5.5.6DDR2SDRAM和DDR3SDRAM171

5.5.7RambusDRAM171

5.5.8雙通道内存技術172

5.6多體交叉存儲技術..173

5.6.1并行訪問存儲器173

5.6.2交叉訪問存儲器173

5.7高速緩沖存儲器175

5.7.1高速緩存工作原理175

5.7.2Cache的讀寫操作176

5.7.3地址映像177

5.7.4替換算法177

5.7.5更新策略179

5.7.6PC機中Cache技術的實現179

5.8虛拟存儲器180

5.8.1虛拟存儲器的基本概念180

5.8.2頁式虛拟存儲器181

5.8.3段式虛拟存儲器182

5.8.4段頁式虛拟存儲器183

5.8.5快表與慢表183

習題184

第6章中央處理器187

6.1中央處理器的功能和組成187

6.1.1CPU的功能187

6.1.2CPU中的主要寄存器187

6.1.3CPU的組成189

6.1.4CPU的主要技術參數190

6.2控制器的組成和實現方法192

6.2.1控制器的基本組成193

6.2.2控制器的硬件實現方法194

6.3時序系統與控制方式195

6.3.1時序系統196

6.3.2控制方式198

6.3.3指令運行的基本過程199

6.3.4指令的微操作序列200

6.4微程序控制原理202

6.4.1微程序控制的基本概念202

6.4.2微指令編碼法204

6.4.3微程序控制器的組成和工作過程206

6.4.4微程序入口地址的形成208

6.4.5後繼微地址的形成208

6.4.6微程序設計209

6.5控制單元的設計212

6.5.1簡單的CPU模型212

6.5.2組合邏輯控制單元設計215

6.5.3微程序控制單元設計220

6.6流水線技術223

6.6.1重疊控制223

6.6.2先行控制原理224

6.6.3流水工作原理225

6.7精簡指令系統計算機227

6.7.1RISC的特點和優勢227

6.7.2RISC基本技術229

6.8微處理器中的新技術230

6.8.1超标量和超流水線技術230

6.8.2EPIC的指令級并行處理230

6.8.3超線程技術231

6.8.4雙核與多核技術231

習題233

第7章外部設備237

7.1外部設備概述237

7.1.1外部設備的分類237

7.1.2外部設備的地位和作用238

7.2磁介質存儲器的性能和原理239

7.2.1磁介質存儲器的讀寫239

7.2.2磁介質存儲器的技術指标241

7.2.3數字磁記錄方式242

7.2.4編碼方式的比較245

7.3磁介質存儲設備246

7.3.1硬盤存儲器的基本結構與分類246

7.3.2硬盤驅動器247

7.3.3硬盤的信息分布和磁盤地址248

7.3.4硬盤存儲器的技術參數249

7.3.5硬盤的分區域記錄252

7.3.6硬盤的NCQ技術252

7.3.7軟磁盤存儲器253

7.4磁盤陣列254

7.4.1RAID簡介255

7.4.2RAID的分級255

7.5光盤存儲器257

7.5.1光盤存儲器的類型257

7.5.2光盤存儲器的組成及工作原理257

7.5.3光盤驅動器260

7.5.4DVD261

7.6新型輔助存儲器262

7.6.1大容量可移動存儲器262

7.6.2閃存卡和USB電子盤265

7.7鍵盤輸入設備266

7.7.1鍵開關與鍵盤類型266

7.7.2鍵盤掃描267

7.7.3微型計算機鍵盤268

7.8其他輸入設備271

7.8.1鼠标器271

7.8.2其他定位設備272

7.8.3掃描儀272

7.9打印輸出設備275

7.9.1打印機概述275

7.9.2打印機的主要性能指标276

7.9.3針式打印機工作原理276

7.9.4噴墨打印機工作原理278

7.9.5激光打印機工作原理280

7.10顯示設備281

7.10.1顯示器概述281

7.10.2CRT顯示器281

7.10.3字符顯示器的工作原理285

7.10.4圖形顯示器的工作原理288

7.10.5LCD顯示器290

7.10.6視頻顯示标準292

7.10.7微型計算機的顯示适配器294

習題294

第8章輸入輸出系統297

8.1主機與外設的連接297

8.1.1輸入輸出接口297

8.1.2接口的功能和基本組成298

8.1.3外設的識别與端口尋址300

8.1.4輸入輸出信息傳送控制方式302

8.2程序查詢方式及其接口303

8.2.1程序查詢方式304

8.2.2程序查詢方式接口305

8.3中斷系統和程序中斷方式307

8.3.1中斷的基本概念307

8.3.2中斷請求和中斷判優310

8.3.3中斷響應和中斷處理313

8.3.4多重中斷與中斷屏蔽317

8.3.5中斷全過程321

8.3.6程序中斷接口結構322

8.4DMA方式及其接口323

8.4.1DMA方式的基本概念323

8.4.2DMA接口324

8.4.3DMA傳送方法與傳送過程328

8.5通道控制方式330

8.5.1通道的基本概念330

8.5.2通道的類型與結構331

8.5.3通道程序334

8.5.4通道工作過程337

8.6總線技術337

8.6.1總線通信控制338

8.6.2總線管理339

8.6.3總線類型和總線标準342

8.6.4I/O接口标準344

習題348

索引351

參考文獻

教學資源

該教材有配套教材《計算機組成原理學習指導與習題解析》。n

書名

書号

出版社

出版時間

作者

《計算機組成原理學習指導與習題解析》

9787302109822

清華大學出版社

2005.06.01

蔣本珊

該教材提供有課堂教學使用的配套電子教案。

教材特色

第一，該書既強調計算機的基本概念和基礎知識，對計算機的各大基本部件的組成原理、設計方法及相互關系都進行了的描述，又注意與實際應用相結合，具有一定的針對性。

第二，該書在闡述中注意由淺入深、循序漸進，在講清基本原理的基礎上，再提出先進技術和發展方向，以降低學習的難度。

第三，該書根據各章節内容的要求按橫向方式組織課程實例，而不拘泥于某一種具體的機型，以減少局限性，擴大讀者的視野和适用面。

第四，各章内容相對獨立，同時注意章節間内容的銜接。

作者簡介

蔣本珊 ，北京理工大學計算機學院教授。畢業于西安交通大學計算機專業，獲得學士、碩士學位。研究方向：計算機系統結構，主要研究領域：嵌入式片上系統、軟硬件協同設計。主講“計算機組成原理”等課程，獲得北京市和北京理工大學教學優秀成果獎，被評為校三育人和師德先進個人。