計算機組成與結構（徐福培）

第1章　概述
    1．1　計算機的定義和特性
        1．1．1　什么是計算機
        1．1．2　計算機的特性
    1．2　計算機的發(fā)展歷程
        1．2．1　電子計算機的誕生
        1．2．2　第一代計算機
        1．2．3　第二代計算機
        1．2．4　第三代計算機
        1．2．5　第四代計算機
        1．2．6　新一代計算機
        1．2．7　我國計算機的發(fā)展
    1．3　計算機的組成與結構
        1．3．1　計算機系統(tǒng)的層次結構
        1．3．2　計算機硬件
        1．3．3　計算機軟件
    1．4　計算機的分類與應用
        1．4．1　計算機的分類
        1．4．2　計算機應用
    習題
第2章　數(shù)據(jù)的表示
    2．1　數(shù)據(jù)、信息和媒體
        2．1．1　數(shù)據(jù)
        2. 1．2　信息
        2．1．3　媒體
    2．2　數(shù)字化信息編碼
    2．3　數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示
        2．3．1　進位計數(shù)制及其各進位制數(shù)之間的轉換
        2．3．2　定點與浮點表示
        2．3．3　編碼系統(tǒng)
        2．3．4　無符號數(shù)的表示
        2．3．5　浮點數(shù)的編碼表示
        2．3．6　十進制數(shù)的二進制編碼表示
    2．4　非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示
        2．4．1　邏輯數(shù)據(jù)
        2．4．2　西文字符
        2．4. 3  漢字字符
        2．4．4　多媒體信息
　  2．5　二進制信息的計量單位
  　2．6　數(shù)據(jù)校驗碼
        2．6．1　奇偶校驗碼
        2．6．2　海明校驗碼
        2．6，3　循環(huán)冗余校驗碼
    習題
第3章　運算器與運算方法
    3．1　基本組成
    3．2　算術與邏輯單元
        3. 2．1　半加器與全加器
        3. 2．2　串行進位與并行進位
        3．2．3  ALU部件
    3．3　定點加、減法運算
        3. 3．1　補碼定點加、減法
        3．3．2　原碼定點加、減法
    3．4　定點乘法運算
        3. 4．1　原碼一位乘法
        3．4．2　原碼二位乘法
        3．4. 1　補碼一位乘法
        3．4．4　補碼二位乘法
        3．4．5　陣列乘法器
    3．5　定點除法運算
        3．5．1　原碼除法運算
        3．5．2　補碼除法運算
        3．5．3　陣列除法器
    3．6　浮點運算
        3．6．1　浮點加、減法
        3．6．2　浮點乘、除法運算
    3．7　十進制數(shù)的加、減法運算
    習題
第4章　存儲系統(tǒng)
    4．1　存儲器概述
        4．1．1　存儲器的主要性能指標
        4．1．2　存儲器分類
        4. 1．3　存儲器結構
    4．2　半導體讀寫存儲器
        4．2．1　基本存儲單元
        4．2．2　半導體RAM芯片
    4．3　半導體只讀存儲器
        4．3．1　掩膜只讀存儲器（masked　ROM）
        4．3．2　可編程ROM（PROM）
        4．3．3　可擦除和編程的ROM（EPROM）
        4. 3．4　電擦除電改寫只讀存儲器（EEPROM）
    4．4　高速緩沖存儲器
        4．1. 1　工作原理
        4．4. 2　映射方式
        4．4．3　替換算法
        4．4．4　Cache－主存內(nèi)容的一致性問題
        4．4．5　Cache結構舉例
    4．5　虛擬存儲器
        4．5．1　虛擬存儲器的功能
        4．5．2　虛擬存儲器的基本管理方法
    4．6　輔助存儲器
        4．6．1　磁表面存儲器
        4．6．2　光盤存儲器
    習題
第5章　指令系統(tǒng)
    5．1　指令格式
        5．1. 1　指令的格式
        5．1．2　指令長度
    5．2　尋址方式
    5．3　指令類型
    5．4　堆棧和堆棧存取方式
    5．5　指令系統(tǒng)舉例
        5．5．1　IBM 370系列機指令格式
        5．5．2　PDP－11指令格式
        5．5．3　Pentium指令系統(tǒng)
        5．5．4　Power PC指令系統(tǒng)
    5．6　CISC與RISC指令
    5．7　MMX技術
    習題
第6章　中央處理機組織
    6. 1  CPU的結構與功能
        6．1．1  CPU的組成與操作
        6．1．2  CPU時序控制方式
        6．1．3  CPU控制流程
        6．1．4  控制器的組成
        6．1．5  一條完整指令的執(zhí)行
        6. 1．6  CPU性能設計
        6. 1．7  典型 CPU舉例
    6．2  組合邏輯控制與PLA控制
        6. 2. 1  組合邏輯控制
        6．2．2  PLA控制
    6．3  微程序控制
        6. 3．1  WilkeS微程序控制
        6．3. 2  基本概念
        6．3．3  微指令的格式與編碼
        6．3．4  微指令地址的生成
        6．3. 5  微程序設計舉例
        6．3．6  微程序應用
    習題
第7章  總線及總線互聯(lián)結構
    7．1　總線的基本概念
        7．1．1　總線的特性和分類
        7．1．2　系統(tǒng)總線的組成
        7．1．3　總線的數(shù)據(jù)傳輸方式
    7．2　總線設計的要素
        7．2．1　信號線類型
        7．2．2　總線裁決
        7．2．3　定時方式
        7．2．4　總線事務類型
        7．2．5　總線帶寬
    7．3　總線接口單元
    7．4　總線標準
        7．4．1　ISA總線
        7．4．2　EISA總線
        7．4．3　VL總線（VESA總線）
        7．4．4  PCI總線
        7．4．5　SCSI總線
        7．4．6　EIA－232－D總線
    7．5　多總線分級結構
        7．5．1　單總線結構
        7．5．2　雙總線結構
        7．5．3　三總線結構
        7．5．4　多總線分級結構舉例
    習題
第8章　輸入輸出設備
    8．1　輸入輸出設備的分類與特點
        8．1．1　分類
        8．1．2　特點
    8．2　輸入設備
        8．2．1　鍵盤
        8．2．2　鼠標器
    8．3　打印機
        8．3．1　打印機的種類
        8．3．2　點陣打印機
        8．3．3　激光印字機
    8．4顯示器
        8．4．1　監(jiān)視器
        8．4．2　光柵掃描顯示器工作原理
        8．4．3　IBM　PC圖形顯示器
    習題
第9章　輸入輸出組織
    9．1　I/O接口
        9．1．1　I/O接口的功能
        9．1．2  I/O接口的結構
        9．1. 3  I/O接口的分類
    9．2  I/O設備的尋址
        9．2．1  操作系統(tǒng)在I/O中的作用
        9．2．2  I/O端口的編址
    9．3  I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式
        9．3．1  I/O控制方式類型
        9．3．2  程序直接控制方式
    9．4  程序中斷方式
        9．4. 1  中斷的概念
        9．4．2  中斷的分類
        9．4．3  中斷系統(tǒng)的基本職能和結構
        9．4．4  中斷過程
    9．5  直接存儲器存?。―MA）方式
        9．5．1  三種 DMA方式
        9．5．2  DMA接口的結構和功能
        9．5．3  DMA操作步驟
        9．5．4  DMA與存儲器系統(tǒng)
    9. 6  通道和I/O處理器方式
        9．6．1  通道的基本概念
        9．6．2  通道的種類
        9．6．3  通道程序
        9．6．4  輸入／輸出處理機
    9．7  外部接口
        9．7. 1  串行接口
        9．7．2  并行接口
    習題
第10章  計算機硬件技術的發(fā)展
    10．1　并行處理
        10．1．1　發(fā)展歷程、分類與應用
        10．1．2　陣列機
        10．1．3　多處理機系統(tǒng)
        10．1．4　分布式系統(tǒng)
    10．2　新一代計算機
        10．2．1　生物計算機
        10．2．2　超導計算機
        10．2．3　量子計算機
        10．2．4　納米計算機
        10．2．5　光計算機
    習題
參考文獻 計算機技術的發(fā)展日新月異，《計算機組成與結構》一書作為計算機學科的基礎教材，如何在講述清楚計算機組成與結構原理的基礎上，盡可能地介紹一些計算機硬件與結構方面的新技術，以便讓學生在掌握計算機基礎理論知識的基礎上，了解計算機技術發(fā)展的新動向，這是我們多年來從事本門課程教學的作者們的共同愿望。
    計算機組成或計算機組織（Computer organization） 是指計算機主要由哪些功能部件組成，各部件如何連接。而計算機結構（Computer architecture）是指從程序員的角度觀察計算機具有哪些特征，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型與格式、存儲器訪問技術等等。兩臺計算機可以有不同的組成，但結構是相同的。計算機組成與結構是密不可分的，因此，目前無論是國內(nèi)還是國外，逐漸把計算機組成原理和系統(tǒng)結構的課程內(nèi)容有機地結合起來，以消除重復內(nèi)容。本教材可以作為“計算機組成原理”課程教材，也可作為“計算機系統(tǒng)結構”課程的教材或教學參考書，授課教師可以根據(jù)需要進行靈活的取舍。
    近年來，盡管計算機得到了飛速的發(fā)展，其性能與速度不斷提高，但到目前為止，絕大部分計算機的邏輯結構仍然以馮·諾依曼體系結構為主。因此，本教材仍以運算器、存儲器、控制器、輸入和輸出五部件為主線。在介紹各部件基本組成與原理的同時，給出了較流行的Pentium和Power PC的相應實例，同時結合了當前計算機發(fā)展的新技術。例如，多媒體信息的表示、MMX指令、RISC與CISC之爭、指令發(fā)射和動態(tài)執(zhí)行、多級Cache及一致性問題，新型存儲芯片EDRAM和SDRAM，多總線分級結構以及典型的PCI和SCSI總線，并行處理及新一代計
算機的發(fā)展動態(tài)等等。通過對這些新技術的簡單介紹，可以幫助學生了解計算機科學的最新技術和發(fā)展趨勢。今后，我們準備2－3年更新一次，以增加新的內(nèi)容，適應計算機技術不斷飛速發(fā)展的要求。
    本教材在編寫過程中，力求達到概念準確、深入淺出，并盡量多給出一些具體例子，以幫助同學們學習與理解。
    本教材第1，8，10章由徐福培執(zhí)筆；第2，7，9章由袁春風執(zhí)筆，第3章由鮑培明執(zhí)筆；第4，5章由李真執(zhí)筆；第6章由王健執(zhí)筆。全書由南京大學徐福培教授主持編寫，并最后統(tǒng)稿、修改和定稿，由蔡士杰教授主審。
    由于時間倉促，加之作者水平有限，不當或錯誤之處在所難免，懇請讀者批評指正。
    編者
    2001年6月
    為了認真貫徹《中國教育改革和發(fā)展綱要》和教育部“面向21世紀教育振興行動計劃”精神，適應現(xiàn)代社會、經(jīng)濟、科技、文化，特別是教育的發(fā)展方向，適應培養(yǎng)新世紀計算機人才的需要，根據(jù)計算機科學技術學科發(fā)展和新世紀高等學校教學內(nèi)容和課程體系改革的要求，我們決定編寫這套《新世紀高等學校計算機系列教材》。
    教學改革和教學質量是高等學校的頭等大事。教學改革的關鍵在于教材的改革，我們組織編寫這套系列教材的指導思想是：立足于新世紀培養(yǎng)創(chuàng)造型開拓型人才的培養(yǎng)目標，立足于高速發(fā)展的計算機科學技術，科學地預測本學科前沿發(fā)展趨勢；注重教材內(nèi)容的思想性、科學性、先進性、系統(tǒng)性和廣泛的適應性，繼承與改革現(xiàn)有教材內(nèi)容和體系；注重加強能力的培養(yǎng)，切實提高學生的綜合素質。同時，為了適合我國國情，適應絕大多數(shù)高等學校計算機科學與技術專業(yè)類的教師知識結構和課程改革的實際情況，一方面，我們盡力拓寬教材內(nèi)容，充實和加強有關理論，引用新的科技成果；另一方面，我們兼顧各門課程的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展，在具體章
節(jié)的內(nèi)容編排上力求循序漸進，順理成章。在保證學科系統(tǒng)的前提下，充分考慮到學生的接受能力，使教材體系盡量符合學生的認知規(guī)律，便于學生接受、理解、掌握和鞏固所學知識，促使學生學以致用，理論密切聯(lián)系實際。
    本套系列教材的組織編寫得到了中國計算機學會、江蘇省計算機學會的大力支持和幫助，凝聚了參加編審出版工作的許多教師和編輯的心血和殲水，在此一并對他們表示衷心的感謝。
    限于我們的水平、能力和經(jīng)驗，本套系列教材的編審與出版工作一定還存在著很多錯漏和其他不如意之處，我們真誠地希望使用這套教材的高校教師、學生和廣大讀者積極提出寶貴意見，以鞭策我們不斷提高教材的編寫、修訂和出版質量，為我國的計算機科學技術專業(yè)教材建設服務。
    《新世紀高等學校計算機系列教材》編輯委員會