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计算机组成基础 第2版


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孙德文 章鸣嬛 编著
978-7-111-53347-4
39.00
279
2016年04月22日

计算机 > 计算机组织与体系结构

716
简体中文
16

教材
面向CS2013计算机专业规划教材








本书系统地介绍了计算机的基本组成原理和内部工作机制,内容主要包括:计算机系统概论、运算基础、数值的机器运算、存储系统和结构、指令系统、中央处理器、I/O接口、外围设备、总线和计算机硬件系统举例——PC主板和处理器芯片。书中各章都给出一些例题帮助读者进一步理解和掌握基本概念及各部件的工作原理,而且每章后都附有适量的习题。
本书系统地介绍了计算机的基本组成原理和内部工作机制,包括计算机系统概论、运算基础、数值的机器运算、存储系统和结构、指令系统、中央处理器、I/O接口、外围设备和总线。在此基础上,为了加强理论与应用实践的联系,反映计算机技术的新发展——新的处理器芯片和控制芯片组层出不穷,计算机的应用遍地开花,应用技术更有了长足的进步,第2版新加了一章“计算机硬件系统举例——PC主板和CPU”。
针对我国高等教育进入大众化的现实以及计算机学科迅速发展的特点,本书在内容组织和编写过程中尽可能做到深入浅出、贴近实际,在保证基本体系和基础内容的前提下,有选择地介绍学科的新发展和新技术。
本书设计了较多的例题,有助于读者理解和掌握基本概念以及各部件的工作原理。
本书还为教师备有下列配套资料:电子教案,全部习题解答。这些配套资料可从华章网站(www.hzbook.com)下载。

作者简介
孙德文 1962年毕业于上海交通大学无线电系,毕业后留校任教,从事模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成、微型计算机原理和接口技术等课程的教学工作。他曾获国家级教学成果二等奖、上海市教学成果一等奖、宝钢优秀教师奖,编写并出版《微机系统硬件教程》《微型计算机软硬件实用技术》《微型计算机原理及应用》《微型计算机及其接口技术》《微型计算机技术》和 《计算机硬件技术(上、下册)》等十余种教材。
章鸣嬛 2007年获得复旦大学电子通信工程专业工程硕士学位,现为上海杉达学院信息科学与技术学院副教授,主讲计算机组成原理、计算机电路基础等课程。
第2版前言
《计算机组成基础》第1版自2009年1月出版至今已逾5年,在机械工业出版社的支持和组织下,编者花了半年左右时间对第1版进行仔细的修订,主要是更新部分内容,并校订全书,使论述更清晰。
在这七年中,计算机技术不断发展——新的处理器芯片和控制芯片组层出不穷,计算机的应用遍地开花,应用技术更有了长足的进步。这些变化对计算机教学提出了新的要求,特别是要求加强与应用实践的联系,对于工程型和应用型的专业更是如此,如何在计算机组成基础课程中反映这一需求就成为本次修订考虑的重点。为此,作者在论述了计算机系统中存储系统、中央处理器、I/O接口与外围设备以及总线的组成结构的基础上,新加了一章“计算机硬件系统举例——PC主板和CPU”。该章首先以流行的PC(个人计算机)为例,介绍计算机的硬件组成;其次,32位微处理器技术在计算机的发展历程中占有重要地位,64位微处理器和多核处理器是进入21世纪后处理器硬件技术更新的两个重点,该章简要介绍了这三类微处理器的硬件特点。希望通过这一章的学习,读者将计算机组成的理论同计算机硬件的应用实践初步联系起来。
第1版教材出版时,在华章网站(www.hzbook.com)上提供了电子教案以及全部习题解答作为教材的配套教学资源,供任课教师下载使用,第2版进一步加强了这些教学资源的建设。
第1版问世七年,其间收到不少使用本教材的师生和其他读者的来信,对本教材的取材和写法给予肯定和鼓励,并提出不少宝贵意见和建议,对此,编者表示衷心的感谢,同时希望得到更多的批评和意见。

孙德文 章鸣嬛
2015年11月于上海交通大学





第1版前言
2005年计算机科学与技术专业教学指导分委员会经过大量的调研,反复讨论、论证提出《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》(以下简称《专业规范》),《专业规范》中根据计算机专业教育的现状,以及社会对人才的需求,提出了在“计算机科学与技术”专业名称之下,构建“计算机科学(CS)”、“计算机工程(CE)”、“软件工程(SE)”和“信息技术(IT)”四大专业方向,详细阐述了在这4个专业方向的教学中必须掌握的知识点,同时对不同专业方向各推出了十余门核心课程,并对每门核心课程列出了教学大纲以及应涵盖的知识点。
2006年教育部通过了计算机科学与技术专业教学指导分委员会完成的《专业规范》的项目评审。这样,该《专业规范》在今后一段时间内将成为我国高等院校计算机科学与技术专业办学的一个指导性的专业规范。
本书全面涵盖课程要求的知识点,并根据我国高等教育进入大众化以及计算机科学与技术发展迅速的现实特点,在内容组织和编写过程中尽可能做到深入浅出、联系实际,在保证基本内容的前提下,有选择地介绍学科的新发展和新技术。
为便于教学,本教材还备有下列配套资料:
主教材的电子教案、教材中全部习题解、5~8套模拟试卷(附解)、教师教学用书以及若干个实验提纲。对于上述配套资料,使用本教材的教师可同机械工业出版社联系获取。
本教材在编写过程中得到上海交通大学软件学院傅育熙院长和蒋建伟副院长的大力支持,在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限,书中难免有疏漏和不妥之处,敬请读者批评指正。

孙德文
2008年7月于上海交通大学
第2版前言
第1版前言
教学建议
第1章 计算机系统概论1
1.1 计算机系统发展简史1
1.1.1 计算机1
1.1.2 电子计算机4
1.2 电子计算机硬件的主要组成部分9
1.2.1 运算器9
1.2.2 控制器10
1.2.3 存储器10
1.2.4 输入设备10
1.2.5 输出设备10
1.3 电子计算机系统的主要技术指标11
1.3.1 字长11
1.3.2 运算速度11
1.3.3 存储容量11
1.3.4 主频12
1.4 软件概述12
1.4.1 软件及其分类12
1.4.2 对“软件”的完整理解13
1.4.3 语言处理程序14
1.5 计算机系统层次结构16
1.6 计算机的应用18
1.6.1 数值计算18
1.6.2 数据处理 18
1.6.3 计算机控制18
1.6.4 计算机辅助设计/计算机辅助制造19
1.6.5 人工智能19
习题119
第2章 运算基础——数值的机器级表示20
2.1 数制20
2.1.1 十进制数制20
2.1.2 二进制数制21
2.1.3 二进制数与十进制数之间的转换22
2.1.4 十六进制数制23
2.2 机器数与真值——带符号数与不带符号数的表示25
2.2.1 机器数与真值25
2.2.2 带符号数的表示法25
2.3 定点表示法与浮点表示法28
2.3.1 定点表示法28
2.3.2 浮点表示法28
2.4 二进制信息编码29
2.4.1 BCD码(二十进制码)29
2.4.2 ASCII码30
2.5 汉字编码31
2.5.1 汉字的输入编码32
2.5.2 国标码与汉字机内码32
2.5.3 汉字字模码32
2.6 校验码32
2.6.1 几个基本概念32
2.6.2 奇偶校验码33
   *2.6.3 循环冗余校验码36
习题239
第3章 数值的机器运算40
3.1 定点数的加、减法运算和加、减法电路的实现40
3.1.1 定点数的加减运算40
3.1.2 从半加器到算术逻辑部件ALU43
 *3.2 定点数的乘、除法运算和乘、除法电路的实现51
3.2.1 定点数的乘法运算和乘法电路的实现51
3.2.2 定点数的除法运算和除法电路的实现58
3.3 逻辑运算63
3.3.1 “与”、“或”和“非”运算63
3.3.2 “异或”运算64
3.4 定点运算器的基本结构与工作原理65
3.4.1 移位电路66
3.4.2 定点运算的主要组成66
3.5 浮点数运算和浮点数运算器的实现67
3.5.1 二进制数的浮点运算67
3.5.2 浮点运算器的基本结构71
习题373
第4章 存储系统和结构76
4.1 存储系统的组成76
4.1.1 存储器的分类76
4.1.2 主存76
4.1.3 辅存78
4.2 主存的组织与操作78
4.2.1 半导体存储器的基本结构78
4.2.2 存储器中的数据组织79
4.2.3 半导体存储器的主要技术指标79
4.2.4 半导体存储器芯片的发展80
4.2.5 主存储器的组织82
4.2.6 多体交叉存储技术86
4.3 存储系统的层次结构87
4.4 高速缓冲存储器88
4.4.1 Cache的工作原理88
4.4.2 主存与Cache之间的地址映像89
4.4.3 直接映像90
4.4.4 全相联映像94
4.4.5 组相联映像97
4.4.6 替换策略和更新策略99
4.5 虚拟存储器101
4.5.1 虚拟存储器的基本概念101
4.5.2 页式虚拟存储器102
4.5.3 段式虚拟存储器103
4.5.4 段页式虚拟存储器104
4.5.5 快表技术105
习题4106
第5章 指令系统110
5.1 指令与指令系统110
5.1.1 指令格式110
5.1.2 寻址方式114
5.2 两类指令系统118
5.2.1 80X86系列处理器的指令系统118
5.2.2 MIPS处理器的指令系统120
5.3 指令流程123
5.3.1 指令执行过程123
5.3.2 3种周期124
5.3.3 两种典型的CPU结构类型124
5.3.4 指令流程举例1——单总线结构CPU128
5.3.5 指令流程举例2——专用通路结构CPU130
习题5133
第6章 中央处理器135
6.1 中央处理器的功能与组成135
6.1.1 中央处理器的组成135
6.1.2 中央处理器的功能136
6.1.3 控制器的组成136
6.2 硬连线控制器137
6.2.1 硬连线控制器概述137
6.2.2 硬连线控制器的结构138
6.2.3 硬连线控制器的设计步骤140
6.3 微程序控制器140
6.3.1 微程序控制器概述140
6.3.2 微程序控制器的基本结构141
6.3.3 微程序设计技术142
6.4 中断与异常处理148
6.4.1 中断与异常的定义148
6.4.2 中断处理过程149
6.4.3 中断优先级151
6.4.4 中断的嵌套154
6.5 中央处理器中流水线技术的基本概念154
6.5.1 并行性的概念154
6.5.2 指令的3种解释方式157
6.5.3 流水线技术的特点160
6.5.4 流水线中的相关性161
6.5.5 流水线的性能指标161
6.5.6 流水线举例——MIPS R4000163
习题6164
第7章 I/O接口与外围设备165
7.1 外围设备165
7.2 常用输入设备和输出设备165
7.2.1 键盘166
7.2.2 鼠标167
7.2.3 扫描仪168
7.2.4 触摸屏168
7.2.5 打印机169
7.2.6 显示器171
7.3 外存储器174
7.3.1 磁盘存储器174
7.3.2 磁带存储器177
7.3.3 RAID178
7.3.4 光盘存储器182
7.3.5 U盘存储器187
7.4 外围设备与主机的定时方式和信息交换方式188
7.4.1 程序控制传送方式188
7.4.2 DMA传送方式193
7.4.3 通道传送方式195
7.5 图形用户界面197
7.5.1 人机交互技术197
7.5.2 图形用户界面概述199
习题7204
第8章 总线206
8.1 总线概述206
8.1.1 总线和总线标准206
8.1.2 总线的分类207
8.2 总线通信协议、总线仲裁和总线负载能力209
8.2.1 总线传输周期209
8.2.2 总线通信协议209
8.2.3 总线仲裁211
8.2.4 总线负载能力213
8.3 实用总线标准214
8.3.1 PCI总线214
8.3.2 RS-232C总线223
8.3.3 IEEE-488总线226
8.3.4 IDE/ATA总线226
8.3.5 SCSI总线229
8.3.6 USB总线231
8.3.7 IEEE 1394总线236
习题8237
第9章 计算机硬件系统举例——PC主板和CPU238
9.1 PC主板238
9.1.1 主板概述239
9.1.2 主板上的插座和插槽240
9.1.3 主板的外设接口242
9.2 芯片组243
9.2.1 芯片组的功能243
9.2.2 南北桥结构与Hub结构244
9.3 从32位微处理器到多核处理器245
9.3.1 32位微处理器245
9.3.2 64位微处理器255
9.3.3 多核芯片258
习题9268
参考文献269
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