計(jì)算機(jī)組成原理

對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成部分 ——總線、存儲(chǔ)器、輸入/輸出系統(tǒng)、運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、控制器進(jìn)行詳細(xì)講解

對(duì)每類器件的邏輯組成、物理組成、硬件工作方式、工作流程等展開全面闡述

將重要知識(shí)點(diǎn)通過舉例的方式進(jìn)行直觀講解，加強(qiáng)讀者理解

羅列計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的前沿技術(shù)，擴(kuò)展讀者專業(yè)知識(shí)面

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程，理論性較強(qiáng)，部分內(nèi)容對(duì)于初學(xué)者來說比較難以理解，需要有較強(qiáng)的數(shù)字電路基礎(chǔ)。本書對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成部分—總線、存儲(chǔ)器、輸入/輸出系統(tǒng)、運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、控制器進(jìn)行了詳細(xì)的講解，對(duì)每類器件的邏輯組成、物理組成、硬件工作方式、工作流程等展開了較為全面的闡述，并將一些重要的知識(shí)點(diǎn)通過舉例的方式直觀講解，加強(qiáng)讀者的理解。

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程涵蓋的內(nèi)容比較廣泛，對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來說，掌握本書中的大部分內(nèi)容對(duì)于夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)非常重要。在理論講述的同時(shí)，本書還羅列了一些計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的前沿技術(shù)，擴(kuò)展讀者專業(yè)知識(shí)面。

本書可作為本科院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的教材，也可供從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組成研究的人員參考。讀者也可以從出版社電子資源配套網(wǎng)站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）上下載相關(guān)教學(xué)資源。

本書共7章，主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緒論、總線系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸/入輸出系統(tǒng)、運(yùn)算系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。本書教學(xué)內(nèi)容比較多，教師可以選擇部分章節(jié)在課堂內(nèi)講解，除課堂時(shí)間外，學(xué)生還可利用課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本書由陳念、計(jì)博婧、章哲慶任主編。各章編寫分工如下：第1～3章由陳念編寫，第4、6章由計(jì)博婧編寫，第5、7章由章哲慶編寫，全書由陳念統(tǒng)稿。

對(duì)于本書的錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，希望讀者予以指正，以便下次修訂。

編 者

2019年4月

第1章 緒論 1
1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組成 1
1.1.1 計(jì)算模型和圖靈機(jī) 1
1.1.2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念 2
1.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次 4
1.1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 6
1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 9
1.2.1 硬件構(gòu)成 9
1.2.2 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo) 13
1.2.3 計(jì)算機(jī)工作過程 14
1.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) 17
1.3.1 軟件發(fā)展歷程 17
1.3.2 軟件分類 18
1.3.3 軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 19
1.4 計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域 20
1.4.1 傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 20
1.4.2 延伸應(yīng)用領(lǐng)域 21
1.5 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展展望 24
1.5.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 24
1.5.2 新型計(jì)算機(jī)技術(shù) 26
1.6 本章小結(jié) 28
習(xí)題 29
第2章 總線系統(tǒng) 30
2.1 總線體系結(jié)構(gòu) 30
2.1.1 總線體系結(jié)構(gòu)演變歷程 31
2.1.2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu) 33
2.2 總線標(biāo)準(zhǔn)化與總線特性 37
2.3 總線分類與性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 39
2.3.1 總線分類 39
2.3.2 總線性能評(píng)測(cè) 41
2.4 總線時(shí)序 43
2.4.1 系統(tǒng)總線周期 43
2.4.2 總線讀寫周期時(shí)序 43
2.5 總線控制 46
2.5.1 總線判優(yōu)控制 46
2.5.2 通信控制 48
2.5.3 通信控制方式 49
2.6 本章小結(jié) 54
習(xí)題 54
第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 56
3.1 存儲(chǔ)分類與存儲(chǔ)體系 56
3.1.1 存儲(chǔ)分類 56
3.1.2 存儲(chǔ)層次和存儲(chǔ)體系 59
3.2 內(nèi)存儲(chǔ)器 61
3.2.1 內(nèi)存條外形 61
3.2.2 內(nèi)存結(jié)構(gòu) 62
3.2.3 內(nèi)存性能 66
3.2.4 動(dòng)態(tài)內(nèi)存刷新 68
3.2.5 靜態(tài)RAM 71
3.2.6 存儲(chǔ)擴(kuò)展與連接 76
3.2.7 訪存速度提升措施 82
3.2.8 存儲(chǔ)器校驗(yàn) 86
3.3 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 89
3.3.1 設(shè)置Cache的原因 89
3.3.2 Cache地址結(jié)構(gòu)與映射 89
3.3.3 Cache工作機(jī)制 95
3.3.4 緩存的類型 98
3.4 輔助存儲(chǔ)器 100
3.4.1 輔存簡(jiǎn)介 100
3.4.2 硬盤結(jié)構(gòu)與性能參數(shù) 101
3.4.3 固態(tài)硬盤 107
3.4.4 磁存取原理與記錄方式 109
3.4.5 磁盤陣列與分布式系統(tǒng) 113
3.5 本章小結(jié) 118
習(xí)題 118
第4章 輸入/輸出系統(tǒng) 121
4.1 I/O接口概述 121
4.1.1 I/O接口要解決的問題 122
4.1.2 I/O接口的功能 122
4.1.3 CPU與I/O接口信號(hào) 124
4.1.4 I/O接口的類型 124
4.2 I/O端口尋址方式 125
4.2.1 存儲(chǔ)器映像的I/O尋址方式 125
4.2.2 I/O端口單獨(dú)尋址方式 126
4.3 I/O控制方式 127
4.3.1 無條件傳送方式 127
4.3.2 查詢傳送方式 129
4.3.3 中斷傳送方式 132
4.3.4 DMA方式 137
4.3.5 通道控制方式 140
4.4 本章小結(jié) 145
習(xí)題 146
第5章 運(yùn)算系統(tǒng) 147
5.1 無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù) 147
5.1.1 無符號(hào)數(shù) 147
5.1.2 有符號(hào)數(shù) 147
5.2 數(shù)的定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示 150
5.2.1 定點(diǎn)表示 151
5.2.2 浮點(diǎn)表示 151
5.3 定點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算及移位運(yùn)算 154
5.3.1 定點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算 154
5.3.2 定點(diǎn)數(shù)的移位運(yùn)算 159
5.3.3 乘法運(yùn)算 162
5.3.4 除法運(yùn)算 170
5.4 浮點(diǎn)四則運(yùn)算 179
5.4.1 浮點(diǎn)加減運(yùn)算 179
5.4.2 浮點(diǎn)乘除法運(yùn)算 183
5.4.3 浮點(diǎn)運(yùn)算的硬件結(jié)構(gòu) 186
5.5 算術(shù)邏輯單元（ALU） 186
5.5.1 ALU的基本信號(hào) 186
5.5.2 ALU的電路操作 187
5.5.3 ALU的發(fā)展 188
5.5.4 快速進(jìn)位鏈及其應(yīng)用 188
5.6 本章小結(jié) 198
習(xí)題 199
第6章 指令系統(tǒng) 201
6.1 機(jī)器指令 201
6.1.1 指令系統(tǒng)概述 201
6.1.2 CISC與RISC 202
6.2 指令格式 203
6.2.1 操作碼 203
6.2.2 地址碼 206
6.2.3 指令格式設(shè)計(jì)原則 208
6.3 尋址方式 208
6.3.1 指令尋址 208
6.3.2 操作數(shù)尋址 209
6.4 堆棧與堆棧操作 214
6.4.1 堆棧結(jié)構(gòu) 214
6.4.2 堆棧操作 216
6.5 指令系統(tǒng)應(yīng)用舉例 216
6.6 指令的類型 218
6.6.1 數(shù)據(jù)傳送類指令 218
6.6.2 算術(shù)運(yùn)算類指令 220
6.6.3 邏輯運(yùn)算類指令 222
6.6.4 移位指令 222
6.6.5 程序控制類指令 224
6.6.6 字符串操作類指令 226
6.6.7 指令系統(tǒng)的擴(kuò)展 227
6.7 本章小結(jié) 227
習(xí)題 228
第7章 控制系統(tǒng) 229
7.1 CPU控制電路結(jié)構(gòu) 229
7.1.1 CPU的功能 229
7.1.2 CPU的基本組成 230
7.1.3 CPU的寄存器 232
7.1.4 馮•諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的處理器 236
7.2 控制單元 236
7.2.1 微命令產(chǎn)生部件 237
7.2.2 時(shí)序系統(tǒng) 237
7.2.3 控制器分類 240
7.3 指令周期 240
7.3.1 指令周期的基本概念 240
7.3.2 指令周期的數(shù)據(jù)流 242
7.3.3 指令周期數(shù)據(jù)流舉例 247
7.4 控制器的設(shè)計(jì) 248
7.4.1 控制單元的設(shè)計(jì)方法 248
7.4.2 控制信號(hào)分析 249
7.4.3 組合邏輯控制器的設(shè)計(jì) 255
7.4.4 微程序控制器的設(shè)計(jì) 260
7.4.5 組合邏輯控制器和微程序控制器的比較 275
7.5 指令流水線技術(shù) 276
7.5.1 指令流水線的原理 276
7.5.2 流水線的分類 279
7.5.3 流水線的性能指標(biāo) 281
7.5.4 影響流水性能的因素 287
7.5.5 高級(jí)流水線技術(shù) 295
7.6 本章小結(jié) 300
習(xí)題 300
參考文獻(xiàn) 302

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16. 網(wǎng)站前端技術(shù)案例教程（HTML+CSS+JavaScript）（第二版） [黃華升]
17. 線性代數(shù) [主編 史昱 陳鳳欣]
18. 電力電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) [主編 陳榮]
19. 成長(zhǎng)對(duì)話：青春的榜樣 [主編　施端銀　黃武剛　應(yīng)巨林]
20. 人工智能應(yīng)用基礎(chǔ) [主編 楊纓 李佳]
21. 中華水文化（慕課版）（第二版） [畢雪燕 楊華軻 羅玲誼 等編著]
22. 電路與電子技術(shù)Ⅱ——電路分析基礎(chǔ) [主編 陳曉 金哲]
23. 飛機(jī)維修專業(yè)英語——飛機(jī)系統(tǒng)（第二版） [趙迎春]
24. 英語大爆炸：跟趣味情景劇學(xué)口語（微課版） [秦然　編著]
25. 機(jī)械工程制圖任務(wù)跟蹤訓(xùn)練 [主編 王瑞清 趙金考 周彥云 ]
26. 機(jī)械工程制圖 [主編 覃國(guó)萍 劉百順 禹晨]
27. 平面設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目化教程 [主編　李晨]
28. 后期影像剪輯技術(shù) [主編　郭建偉]
29. 人工智能概論（第二版） [主編　任云暉　丁紅　徐迎春 ]
30. 信息時(shí)代美育之道 [主編　劉宏宇　黎婭]