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計(jì)算機(jī)組成原理
本書主要介紹了計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理。全書共分9章, 分別介紹計(jì)算機(jī)的基本特性、布爾代數(shù)與算數(shù)邏輯、數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算方法和運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、控制器、外圍設(shè)備、輸入輸出系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的展望。本書整體結(jié)構(gòu)清晰, 內(nèi)容充實(shí), 概念清楚, 重點(diǎn)突出, 深入淺出。為了方便學(xué)生理解掌握所學(xué)知識(shí), 本書還列舉豐富的實(shí)例加以說明。本書在寫作過程中注重內(nèi)容的先進(jìn)性、實(shí)用性, 特別強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和基本技能。
計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異,其內(nèi)涵也發(fā)生著重要轉(zhuǎn)變。計(jì)算機(jī)影響人類的生產(chǎn)方式、認(rèn)知方式和社會(huì)生活方式。它不僅是與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地理、生物平行的一門學(xué)科,而且是一門推動(dòng)各學(xué)科進(jìn)一步向前發(fā)展的學(xué)科。“計(jì)算學(xué)科”作為新的基礎(chǔ)技術(shù)學(xué)科,從狹義工具論向“計(jì)算思維(Computation Thinking)”轉(zhuǎn)變,它強(qiáng)調(diào)一切皆可計(jì)算。從物理世界到社會(huì)模擬、人類各種智能活動(dòng),都可以被認(rèn)為是計(jì)算的某種形式的體現(xiàn)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念和平臺(tái),通過建立物理模型,在計(jì)算機(jī)上模擬、分析、求解、處理,進(jìn)行各種科學(xué)研究活動(dòng)。
作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的載體和硬件基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)組織、計(jì)算機(jī)組成原理這類課程是不可逾越的。想得心應(yīng)手地應(yīng)用它,就要認(rèn)識(shí)、了解它的思維方法,這可能會(huì)對(duì)你有啟發(fā)。對(duì)于一些工科院校、文科院校、理科院校的學(xué)生來說,學(xué)習(xí)一些計(jì)算機(jī)課程是有意義的。計(jì)算機(jī)課程不要求太多,關(guān)鍵課程不缺即可。選擇一本合適的教材,對(duì)學(xué)習(xí)來說很重要。內(nèi)容太多的教材可能重點(diǎn)不夠突出,課時(shí)安排不下;太淺的教材有些內(nèi)容學(xué)不到,也不是最好的選擇。
作為教材,首先要把課程中最重要的內(nèi)容,如基本概念、基本方法、基本原理講清楚。越是基本的內(nèi)容越是具有普遍意義,是可以舉一反三的。其次,內(nèi)容要跟上技術(shù)發(fā)展的步伐,要努力縮小教材與產(chǎn)品的差距。第三,內(nèi)容要有一定深度,面向應(yīng)用型教育的計(jì)算機(jī)教材也是大學(xué)教材,與中專教材不同,不是越簡(jiǎn)單越好。第四,教材要有系統(tǒng)性,要按照事物發(fā)展規(guī)律由淺入深、由近及遠(yuǎn)地?cái)⑹觥5谖,教材?nèi)容要聯(lián)系實(shí)際,計(jì)算機(jī)組成原理是一門計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程,講述計(jì)算機(jī)主要部件的具體組成和工作原理,只有通過典型事例才容易說明問題。本教材就是基于以上思想編寫的。
作者1959年從清華大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)留校后,長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)和科研工作,先后主講計(jì)算機(jī)原理、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)、并行和分布處理系統(tǒng)等課程,積累了一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。2002年,作者有機(jī)會(huì)參與高等職業(yè)教育的教學(xué)工作,深感編寫一本好教材的迫切,在清華大學(xué)出版社的大力支持下,2003年編寫出版了《計(jì)算機(jī)組成原理》一書。這是一本面向普通高等教育,包括高等職業(yè)教育和成人教育的計(jì)算機(jī)原理教材,也是一本引導(dǎo)廣大計(jì)算機(jī)愛好者步入計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教材。為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室的老師們專門為本課程研制了EC2003教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2004年10月出版了該書的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書——《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》。2005年4月又出版了《計(jì)算機(jī)組成原理例題分析與習(xí)題解答》。三本教材密切配合,提供了一種教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際,訓(xùn)練動(dòng)手能力,掌握分析方法的良好學(xué)習(xí)環(huán)境,受到讀者歡迎。該套教材于2006年被評(píng)為“北京高等教育精品教材”。
本教材的第1版主要是面向高職高專院校編寫的,由于教材內(nèi)容充實(shí)、重點(diǎn)突出、聯(lián)系實(shí)際,很多應(yīng)用型本科院校也希望選用,因此,第2版改版采納了一些應(yīng)用型本科院校的意見,結(jié)合計(jì)算機(jī)發(fā)展的新進(jìn)展,對(duì)第1版內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充修改,對(duì)于不同類型、不同層次、不同要求的學(xué)校,書中提供一些可以選學(xué)的內(nèi)容(目錄中帶*號(hào)的章節(jié))。本書第2版被教育部評(píng)定為“普通高等教育‘十一五’國家級(jí)規(guī)劃教材”。
本書在使用中得到大家厚愛,收到一些建議。如軟件工程專業(yè)老師反映,本課程是該專業(yè)唯一一門與硬件相關(guān)的專業(yè)知識(shí)課程,重點(diǎn)讓學(xué)生了解一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)的構(gòu)成部件、各部件的作用和工作原理,以及一個(gè)程序在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行過程,同時(shí)介紹一些新型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。由于沒有開設(shè)獨(dú)立的“數(shù)字電路”課程,建議教材適當(dāng)補(bǔ)充布爾代數(shù)和門電路的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。為了滿足有關(guān)專業(yè)需求,本書第3版增加“布爾代數(shù)與邏輯電路”一章。并在指令系統(tǒng)匯編語言一節(jié)后增加匯編語言程序設(shè)計(jì)與上機(jī)調(diào)試等有關(guān)內(nèi)容。對(duì)其他章節(jié)也做了部分補(bǔ)充,希望能有積極的意義。為了方便教學(xué),重慶工程學(xué)院的老師們專為本書編制了課件,特此表示感謝。
本教材以面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)為特色,適合應(yīng)用型本科和高職高專院校教學(xué)需要。由于計(jì)算機(jī)組成原理課程對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)具有承上啟下、承前啟后的作用,本教材也可作為從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)人員的自學(xué)用書或培訓(xùn)教材。書中難免存在不足和疏漏之處,敬請(qǐng)指正。
謝樹煜2017年3月于清華園計(jì)算機(jī)組成原理(第3版)
第1章緒論1
1.1計(jì)算機(jī)的基本特性1
1.1.1二進(jìn)制數(shù)據(jù)2
1.1.2存儲(chǔ)程序2
1.1.3邏輯運(yùn)算2
1.1.4高速電子開關(guān)電路2
1.1.5數(shù)字編碼技術(shù)2
1.2計(jì)算機(jī)的基本組成3
1.2.1基本組成原理3
1.2.2CPU、主機(jī)與輸入輸出設(shè)備5
1.2.3存儲(chǔ)器6
1.2.4總線6
1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7
1.3.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成7
1.3.2計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)8
1.4計(jì)算機(jī)分類8
1.5計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史10
1.6微處理器發(fā)展的啟示11
1.7計(jì)算機(jī)的應(yīng)用13
1.7.1科學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)13
1.7.2數(shù)據(jù)處理13
1.7.3實(shí)時(shí)控制13
1.7.4輔助設(shè)計(jì)14
1.7.5人工智能14
習(xí)題14
*第2章布爾代數(shù)與邏輯電路15
2.1布爾代數(shù)基本邏輯運(yùn)算15
2.1.1“與”邏輯15
2.1.2“或”邏輯16
2.1.3“非”邏輯16
2.2布爾代數(shù)的基本公式16
2.2.1基本公式16
2.2.2三個(gè)重要規(guī)則17
2.3邏輯函數(shù)及其表示方法18
2.3.1邏輯函數(shù)18
2.3.2邏輯函數(shù)表示法18
2.3.3邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)19
2.4基本邏輯電路20
2.4.1門電路21
2.4.2觸發(fā)器22
2.5基本邏輯部件24
2.5.1寄存器24
2.5.2計(jì)數(shù)器25
2.5.3譯碼器26
2.5.4多路數(shù)據(jù)選擇器27
習(xí)題28
計(jì)算機(jī)組成原理(第3版) 目錄 第3章數(shù)據(jù)表示30
3.1計(jì)數(shù)制30
3.1.1十進(jìn)制計(jì)數(shù)制30
3.1.2二進(jìn)制計(jì)數(shù)制31
*3.1.3R進(jìn)制計(jì)數(shù)制31
*3.1.4在計(jì)算機(jī)中為什么采用二進(jìn)制數(shù)32
3.2不同數(shù)制間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換33
3.2.1十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)33
3.2.2十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)34
3.2.3二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)35
*3.2.4任意兩種進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換35
3.3十進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼36
3.3.1有權(quán)碼方案37
*3.3.2無權(quán)碼方案38
3.4字符編碼39
3.4.1ASCII字符編碼39
3.4.2EBCDIC碼40
3.4.3字符串40
3.5漢字編碼41
3.5.1漢字輸入碼41
3.5.2國標(biāo)碼與內(nèi)碼42
3.5.3漢字輸出碼44
3.6機(jī)器數(shù)及其編碼45
3.6.1定點(diǎn)小數(shù)編碼46
3.6.2定點(diǎn)整數(shù)編碼49
3.6.3浮點(diǎn)數(shù)編碼51
3.7數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼53
3.7.1奇偶校驗(yàn)碼54
*3.7.2海明校驗(yàn)碼55
*3.7.3循環(huán)冗余校驗(yàn)碼57
習(xí)題60
第4章運(yùn)算方法與運(yùn)算器62
4.1定點(diǎn)加減法運(yùn)算62
4.1.1補(bǔ)碼加減法運(yùn)算63
4.1.2溢出的產(chǎn)生及判別64
4.1.3全加器與加法裝置65
4.2定點(diǎn)乘法運(yùn)算70
4.2.1一位原碼乘法70
*4.2.2兩位原碼乘法72
4.3定點(diǎn)除法運(yùn)算75
4.3.1原碼恢復(fù)余數(shù)除法75
4.3.2加減交替法除法78
4.4邏輯運(yùn)算80
4.4.1邏輯乘法81
4.4.2邏輯加法81
4.4.3求反操作81
4.4.4異或運(yùn)算82
4.5位片結(jié)構(gòu)定點(diǎn)運(yùn)算器82
4.5.1位片運(yùn)算器電路Am 290183
*4.5.2先行進(jìn)位電路Am 290286
*4.5.3多片Am 2901組成的位片結(jié)構(gòu)運(yùn)算器87
4.6浮點(diǎn)加減法運(yùn)算89
4.6.1運(yùn)算規(guī)則及算法89
4.6.2浮點(diǎn)加減法運(yùn)算流程91
4.6.3浮點(diǎn)加減法裝置及流水線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器93
4.7浮點(diǎn)乘除法運(yùn)算94
4.7.1浮點(diǎn)乘法94
*4.7.2浮點(diǎn)除法96
習(xí)題98
第5章指令系統(tǒng)100
5.1指令格式100
5.1.1指令字101
5.1.2指令操作碼及其擴(kuò)展技術(shù)103
5.1.3地址碼與數(shù)據(jù)字長(zhǎng)104
5.2尋址方式105
5.2.1存儲(chǔ)器尋址方式105
5.2.2寄存器尋址方式108
5.2.3立即數(shù)尋址方式110
5.2.4堆棧尋址方式110
5.3指令類型112
5.3.1按操作數(shù)據(jù)類型分類112
5.3.2按指令功能分類113
5.4小型機(jī)指令系統(tǒng)舉例114
5.4.1PDP11計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介114
5.4.2單操作數(shù)指令114
5.4.3雙操作數(shù)指令117
*5.5大型機(jī)指令系統(tǒng)舉例118
5.5.1IBM 360/370計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介118
5.5.2指令格式119
5.5.3指令舉例121
5.6微型機(jī)指令系統(tǒng)舉例122
5.6.1IBM PC計(jì)算機(jī)及Pentium Ⅳ處理器簡(jiǎn)介122
5.6.2Intel 8086指令格式123
5.6.3Intel 8086指令的尋址方式125
5.6.48086 指令系統(tǒng)127
5.7機(jī)器語言與匯編語言128
5.7.1Intel 8086匯編標(biāo)記與運(yùn)算符128
5.7.2匯編語句129
*5.8匯編語言程序設(shè)計(jì)和上機(jī)調(diào)試130
5.8.1一般程序的設(shè)計(jì)步驟130
5.8.2匯編語言程序的調(diào)試與運(yùn)行131
5.9精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)132
5.9.1MIPS指令格式133
5.9.2MIPS指令分類134
習(xí)題136
第6章存儲(chǔ)系統(tǒng)138
6.1存儲(chǔ)器的基本特性138
6.1.1主存儲(chǔ)器的特性138
6.1.2輔助存儲(chǔ)器的特性139
6.1.3主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)139
6.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本記憶單元140
6.2.1隨機(jī)存儲(chǔ)器的記憶單元140
6.2.2只讀存儲(chǔ)器的記憶單元142
6.2.3閃速存儲(chǔ)器144
6.3主存儲(chǔ)器的組成和工作原理144
6.3.1主存儲(chǔ)器概述144
6.3.2RAM集成電路145
6.3.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的組成147
6.3.4存儲(chǔ)器控制149
*6.3.5存儲(chǔ)器讀寫時(shí)序151
6.4高速存儲(chǔ)器152
*6.4.1新型RAM芯片技術(shù)153
6.4.2并行存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)154
6.4.3高速緩沖存儲(chǔ)器及分級(jí)存儲(chǔ)體系155
6.5高速緩沖存儲(chǔ)器156
6.5.1高速緩沖存儲(chǔ)器工作原理156
*6.5.2高速緩沖存儲(chǔ)器組織157
6.6虛擬存儲(chǔ)器161
6.6.1基本原理161
6.6.2頁式虛擬存儲(chǔ)器162
*6.6.3段式虛擬存儲(chǔ)器163
*6.6.4段頁式虛擬存儲(chǔ)器165
6.7存儲(chǔ)保護(hù)165
6.7.1存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)165
6.7.2訪問方式保護(hù) 167
習(xí)題167
第7章控制器169
7.1指令執(zhí)行過程169
7.2控制器的功能和組成170
7.2.1控制器的功能170
7.2.2控制器的基本組成171
7.3處理器總線及數(shù)據(jù)通路176
7.3.1ALU為中心的數(shù)據(jù)通路177
7.3.2單內(nèi)總線CPU結(jié)構(gòu)177
7.4組合邏輯控制器179
7.4.1組合邏輯控制器的特征179
*7.4.2組合邏輯控制器設(shè)計(jì)原理179
*7.4.3可編程序邏輯陣列控制器183
7.5微程序控制器184
7.5.1微程序設(shè)計(jì)的基本原理184
7.5.2微指令方案187
*7.5.3微程序設(shè)計(jì)的基本問題189
*7.6微程序的順序控制191
7.6.1后繼微地址的增量方式191
7.6.2后繼微地址的斷定方式192
7.6.3順序控制部件Am 2910193
*7.7微程序設(shè)計(jì)舉例197
7.7.1指令流程圖197
7.7.2微程序控制器邏輯圖197
7.7.3微程序編碼198
7.8指令流水線結(jié)構(gòu)199
習(xí)題201
第8章外圍設(shè)備203
8.1外圍設(shè)備的種類和特性203
8.1.1外圍設(shè)備的分類203
8.1.2外圍設(shè)備工作的特性204
8.2常用輸入設(shè)備205
8.2.1鍵盤206
8.2.2鼠標(biāo)207
8.2.3掃描儀208
8.3顯示設(shè)備209
8.3.1顯示設(shè)備的分類和基本概念209
8.3.2字符顯示器211
8.4打印裝置214
841點(diǎn)陣式打印機(jī)214
8.4.2激光打印機(jī)215
8.4.3噴墨打印機(jī)216
8.4.4漢字的顯示與打印217
8.5磁表面外存儲(chǔ)器218
8.5.1存儲(chǔ)原理和記錄方式218
8.5.2磁盤存儲(chǔ)器223
*8.5.3軟磁盤存儲(chǔ)器228
*8.5.4磁帶存儲(chǔ)器233
*8.5.5磁盤陣列236
8.6光盤存儲(chǔ)器237
8.7固態(tài)盤239
8.7.1固態(tài)盤的分類及特點(diǎn)239
*8.7.2基本結(jié)構(gòu)240
*8.8通信設(shè)備240
8.8.1調(diào)制解調(diào)器240
8.8.2模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換裝置241
習(xí)題243
第9章輸入輸出系統(tǒng)與控制245
9.1系統(tǒng)總線245
9.1.1系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)245
9.1.2總線控制方式247
9.1.3總線通信方式249
9.2微機(jī)總線250
9.2.1S100總線251
9.2.2STD總線251
9.2.3IBM PC總線251
9.2.4ISA總線251
9.2.5EISA總線252
9.2.6RS232C總線253
9.2.7IEEE488總線254
9.2.8IDE磁盤接口255
*9.2.9SCSI總線255
9.2.10PCI總線257
*9.2.11串行總線USB258
9.3基本I/O接口組成和工作原理261
9.3.1設(shè)備選擇電路261
9.3.2數(shù)據(jù)緩沖寄存器262
9.3.3設(shè)備工作狀態(tài)262
9.3.4傳輸中斷的請(qǐng)求與屏蔽263
9.4輸入輸出控制方式264
9.4.1程序查詢方式264
9.4.2程序中斷方式265
9.4.3直接存儲(chǔ)器訪問方式266
*9.4.4輸入輸出處理機(jī)方式267
9.5中斷系統(tǒng)269
9.5.1為什么要設(shè)置中斷269
9.5.2CPU響應(yīng)中斷的條件271
9.5.3中斷周期272
9.5.4優(yōu)先排隊(duì)器及編碼電路273
9.5.5中斷處理過程276
9.5.6中斷級(jí)及中斷嵌套277
9.6DMA控制方式279
9.6.1DMA基本概念279
9.6.2DMA的工作方式280
9.6.3DMA控制器的組成280
9.6.4DMA數(shù)據(jù)傳送過程281
*9.6.5通用DMA接口Intel 8257282
9.7通用并行接口286
9.7.1分類286
9.7.2基本的并行接口電路287
*9.7.3可編程序并行接口288
9.8串行通信與通用串行接口293
9.8.1串行通信方式294
*9.8.2可編程序串行接口294
習(xí)題300
第10章計(jì)算機(jī)發(fā)展展望302
10.1計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的重大事件302
10.2中國計(jì)算機(jī)事業(yè)發(fā)展中重大事件306
*10.3并行處理技術(shù)進(jìn)展308
10.3.1超標(biāo)量處理機(jī)308
10.3.2超流水線處理機(jī)309
10.3.3大規(guī)模并行處理系統(tǒng)MPP311
*10.4智能計(jì)算機(jī)進(jìn)展311
10.4.1數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)312
10.4.2數(shù)據(jù)庫機(jī)與知識(shí)庫機(jī)313
10.5分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與機(jī)群系統(tǒng)313
10.5.1分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)313
10.5.2計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作314
10.5.3機(jī)群系統(tǒng)(Cluster)314
10.6計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)315
10.7多媒體計(jì)算機(jī)315
參考文獻(xiàn)316
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