計(jì)算機(jī)組成原理

“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”“計(jì)算機(jī)組成原理”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生硬件一條線的必修課程。“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”是技術(shù)基礎(chǔ)課，講授邏輯部件級(jí)的分析與設(shè)計(jì)方法。“計(jì)算機(jī)組成原理”是專業(yè)基礎(chǔ)課，講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)方法，偏重于處理機(jī)的整機(jī)概念。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”屬于專業(yè)課，著重講授并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計(jì)方法。“微機(jī)原理與接口技術(shù)”同樣屬于專業(yè)課，主要講述微機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成，匯編語(yǔ)言的設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的接口與應(yīng)用。

本書是在編者多年講授“計(jì)算機(jī)原理”“計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”等課程的教學(xué)材料基礎(chǔ)上精煉而成，以計(jì)算機(jī)認(rèn)知方法論作指導(dǎo)，全面且有重點(diǎn)地介紹計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，以及各部分之間如何協(xié)同工作等內(nèi)容。

全書共分8章。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論，介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展、特點(diǎn)、組成和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成；第2章數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算，討論定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)器碼表示和計(jì)算；第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)，介紹主存和輔存的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)體系構(gòu)成原理、存儲(chǔ)器的擴(kuò)充以及高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器；第4章指令系統(tǒng)，討論指令的結(jié)構(gòu)及指令格式優(yōu)化、尋址技術(shù)和典型指令；第5章中央處理器，講述CPU的結(jié)構(gòu)組織、控制器的結(jié)構(gòu)、指令的執(zhí)行過程和運(yùn)算器的組織；第6章總線與接口，主要論述連接計(jì)算機(jī)各個(gè)主要功能部件所需的總線與接口；第7章外圍設(shè)備，主要介紹常見的輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備；第8章I/O控制方式，重點(diǎn)介紹程序查詢方式、中斷方式和DMA方式的控制及接口組織。

本書由史士英、唐為方任主編，黃衛(wèi)東、郝秉華、陳英軍、王維平、張志剛?cè)胃敝骶帯?/p>

本書可作為“計(jì)算機(jī)組成原理”“計(jì)算機(jī)組成”“計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程或其他類似課程的教材，參考授課學(xué)時(shí)為72學(xué)時(shí)。

本書的編寫得到了大連理工大學(xué)夏尊銓教授、山東科技大學(xué)劉法勝教授、山東交通學(xué)院張廣淵教授、朱振方教授和吳昌平副教授的精心指導(dǎo)，上述各位專家提出了許多寶貴意見，在此謹(jǐn)表深深的謝意。中國(guó)水利水電出版社的同志們對(duì)本書的出版也做了大量的工作，在此對(duì)他們表示衷心的感謝！

雖然編者在成書之前對(duì)書稿進(jìn)行了多次修改和校正，但由于編者水平有限，疏忽之處在所難免，懇請(qǐng)專家和讀者批評(píng)指正。

編 者

2020年4月

前言

第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 1
1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程 1
1.1.1 世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)（ENIAC） 1
1.1.2 計(jì)算機(jī)的四代發(fā)展史 2
1.1.3 中國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 3
1.2 計(jì)算機(jī)的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域與
發(fā)展趨勢(shì) 4
1.2.1 計(jì)算機(jī)的分類 4
1.2.2 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 6
1.2.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 6
1.2.4 計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 8
1.3 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 8
1.3.1 馮•諾依曼思想 8
1.3.2 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成 9
1.3.3 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 12
1.4　計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) 13
1.4.1　計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的組成與分類 13
1.4.2　計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的發(fā)展演變 13
1.4.3　計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成的層次結(jié)構(gòu) 14
1.5　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程 15
1.5.1　計(jì)算機(jī)的工作過程 15
1.5.2　計(jì)算機(jī)的工作過程示例 16
1.6　計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 16
本章小結(jié) 17
習(xí)題1 17
第2章　數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算 19
2.1　數(shù)制與編碼 20
2.1.1　數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換 20
2.1.2　無(wú)符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)數(shù) 24
2.1.3　真值和機(jī)器數(shù) 24
2.1.4　定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù) 28
2.1.5　十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼表示
—BCD碼 30
2.1.6　字符與字符串的表示方法 31
2.1.7　漢字的表示方法 32
2.1.8　二進(jìn)制信息的計(jì)量單位 34
2.1.9　數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼 35
2.1.10　其他媒體信息 36
2.2　定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 38
2.2.1　原碼加/減運(yùn)算 38
2.2.2　補(bǔ)碼加/減運(yùn)算 39
2.2.3　基本的二進(jìn)制加法器 42
2.2.4　十進(jìn)制加法器 42
2.3　定點(diǎn)乘除運(yùn)算 44
2.3.1　移位運(yùn)算 44
2.3.2　原碼一位乘法 44
2.3.3　補(bǔ)碼一位乘法 45
2.3.4　原碼除法 47
2.4　定點(diǎn)運(yùn)算器的組成 48
2.4.1　邏輯運(yùn)算 48
2.4.2　半加器與全加器 50
2.4.3　串行加法器和并行加法器 51
2.4.4　多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元（ALU） 52
2.4.5　定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu) 54
2.5　浮點(diǎn)表示、浮點(diǎn)運(yùn)算 56
2.5.1 IEEE754 56
2.5.2　浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 57
2.5.3　浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算 59
2.6 浮點(diǎn)運(yùn)算器 60
2.6.1 浮點(diǎn)運(yùn)算器的結(jié)構(gòu) 60
2.6.2　浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)例 60
本章小結(jié) 63
習(xí)題2 63
第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 65
3.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述 65
3.1.1 存儲(chǔ)器分類 65
3.1.2　主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo) 67
3.1.3　三級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu) 67
3.1.4　主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) 68
3.2　隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 70
3.2.1　基本存儲(chǔ)單元 70
3.2.2 半導(dǎo)體RAM芯片 72
3.2.3 動(dòng)態(tài)RAM的刷新 74
3.3 半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器 76
3.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)充 77
3.4.1 主存儲(chǔ)器與CPU的連接 77
3.4.2 位擴(kuò)展 78
3.4.3 字?jǐn)U展 79
3.4.4 字和位同時(shí)擴(kuò)展 80
3.5 高速存儲(chǔ)器 80
3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器 81
3.5.2 多模塊存儲(chǔ)器 81
3.6 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 84
3.6.1 Cache的基本原理 84
3.6.2 地址映射 86
3.6.3 替換算法 88
3.6.4 Cache的寫策略 88
3.7 虛擬存儲(chǔ)器 89
3.7.1 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念 89
3.7.2 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 89
3.7.3 段式虛擬存儲(chǔ)器 91
3.7.4 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 92
本章小結(jié) 93
習(xí)題3 94
第4章 指令系統(tǒng) 95
4.1 指令系統(tǒng)的基本概念 95
4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 95
4.1.2 對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求 96
4.2 指令格式 97
4.2.1 操作碼 97
4.2.2 地址碼 97
4.2.3 指令字長(zhǎng)度 98
4.2.4 指令助記符 99
4.3 指令的尋址方式 99
4.4 操作數(shù)尋址方式 100
4.5 指令格式的設(shè)計(jì) 103
4.5.1 操作碼優(yōu)化法
——霍夫曼（Huffman）編碼 103
4.5.2 地址碼優(yōu)化設(shè)計(jì) 104
4.6 RISC與CISC 105
4.7 指令系統(tǒng)舉例 106
4.7.1 IBM 370系列機(jī)指令格式 106
4.7.2 PDP-11指令格式 107
4.7.3 Pentium指令系統(tǒng) 108
4.7.4 PowerPC指令系統(tǒng) 110
本章小結(jié) 112
習(xí)題4 112
第5章 中央處理器 114
5.1 CPU的功能和組成 114
5.1.1 CPU的功能 114
5.1.2 CPU的基本組成 115
5.1.3 CPU內(nèi)的主要寄存器 115
5.1.4 操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器 117
5.2 指令周期 118
5.3 指令的執(zhí)行過程 119
5.3.1 CLA指令的執(zhí)行過程 119
5.3.2 ADD指令的執(zhí)行過程 121
5.3.3 STA指令的執(zhí)行過程 122
5.3.4 NOP指令和JMP指令的執(zhí)行過程 124
5.3.5 指令的執(zhí)行過程總結(jié) 126
5.4 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu) 127
5.5 硬布線控制器的工作原理 128
5.5.1 時(shí)序信號(hào)的作用和體制 131
5.5.2 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器 132
5.5.3 控制方式 133
5.6 微程序控制器的工作原理 135
5.6.1 微命令和微操作 136
5.6.2 微指令和微程序 137
5.6.3 CPU周期與微指令周期的關(guān)系 141
5.6.4 微指令的編碼方式 141
5.6.5 微地址的形成方法 143
5.6.6 微指令格式 145
5.7 指令流水線 146
5.7.1 指令流水線的基本概念 146
5.7.2 指令流水線的表示方法及性能指標(biāo) 147
5.7.3 超標(biāo)量和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)流水線的基本
概念 149
5.8 多核處理器的基本概念 151
本章小結(jié) 152
習(xí)題5 153
第6章 總線與接口 157
6.1 總線概述 157
6.1.1 總線的基本概念 157
6.1.2 總線的特性 158
6.1.3 總線分類 158
6.1.4 總線的連接方式 160
6.1.5 總線的組成及性能指標(biāo) 162
6.2 總線的仲裁 163
6.2.1 集中仲裁方式 163
6.2.2 分布仲裁方式 166
6.3 總線的定時(shí) 166
6.3.1 同步定時(shí)方式 166
6.3.2 異步定時(shí)方式 167
6.3.3 同步和異步的性能比較 168
6.4 總線數(shù)據(jù)傳送模式 169
6.5 總線標(biāo)準(zhǔn) 169
6.5.1 ISA總線 169
6.5.2 PCI總線 170
6.5.3 AGP總線 170
6.5.4 其他總線 171
6.6 總線接口單元 172
6.6.1 I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu) 173
6.6.2 I/O端口及其編址 174
6.6.3 I/O地址空間及其編碼 174
6.7 接口類型 174
6.7.1 串行接口 175
6.7.2 并行接口 175
6.7.3 典型接口 176
本章小結(jié) 177
習(xí)題6 178
第7章 外圍設(shè)備 179
7.1 外圍設(shè)備概述 179
7.1.1 外圍設(shè)備的一般功能 179
7.1.2 外圍設(shè)備的分類 180
7.2 輸入設(shè)備 182
7.2.1 鍵盤 182
7.2.2 鼠標(biāo) 184
7.2.3 掃描儀 186
7.3 輸出設(shè)備 187
7.3.1 顯示器 188
7.3.2 打印機(jī) 193
7.3.3 繪圖儀 198
7.4 外存儲(chǔ)器 198
7.4.1 磁盤存儲(chǔ)器 199
7.4.2 光盤存儲(chǔ)器 209
7.4.3 磁帶存儲(chǔ)器 211
7.4.4 磁盤陣列 212
本章小結(jié) 215
習(xí)題7 215
第8章 I/O控制方式 216
8.1 I/O系統(tǒng)概述 216
8.1.1 I/O系統(tǒng)的基本概念 216
8.1.2 I/O系統(tǒng)的發(fā)展 217
8.1.3 I/O系統(tǒng)的原理 219
8.1.4 I/O系統(tǒng)的組成 220
8.1.5 主機(jī)與外設(shè)的連接 221
8.2 無(wú)條件傳送 225
8.3 程序查詢方式 226
8.4 程序中斷方式 227
8.5 DMA方式 235
8.6 通道方式 238
8.7 I/O處理機(jī)（IOP）方式 241
本章小結(jié) 243
習(xí)題7 243
參考文獻(xiàn) 245
附錄A 2020年計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合
考試大綱 247
附錄B 2020年中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生
入學(xué)考試《計(jì)算機(jī)學(xué)科綜合（專業(yè)）》
考試大綱 259
附錄C 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼（ASCII）字符表 261
附錄D 74181邏輯電路 262
附錄E 74182邏輯電路 263
附錄F 常用存儲(chǔ)芯片與譯碼器 264
附錄G 南橋與北橋 269

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