计算机组成与结构
书号：9787113126919 套系名称：高等学校计算机类课程应用型人才培养规划教材
作者：张瑜 出版日期：2011-08-01
定价：22.00 页码 / 开本：212 /16
策划编辑：严晓舟 责任编辑：周海燕
适用专业：无 适用层次：高等院校
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“计算机组成”是计算机科学与技术专业的核心课程。本书全面、系统地介绍了计算机的组成与结构，以及当代计算机新技术。具体内容包括计算机系统概论、运算方法和运算部件、指令系统、控制器部件、存储系统、输入/输出（I/O）设备、输入/输出（I/O）系统、流水线技术、多核技术、并行计算机体系结构等。
本书可作为计算机及相关专业本科生“计算机组成”或“计算机体系结构”课程的教科书，也可作为计算机学科及相关领域工程技术人员的参考书。
“计算机组成”是计算机科学与技术专业的核心课程，从课程的地位来说，它在先导课和后继课之间起着承上启下的作用。本课程对学生在本科一、二年级学到的知识和技能进行综合并予以提升，帮助学生完善专业基础理论体系，培养学生对计算机软硬件系统结构进行系统、完整、深入的思考，为学习后续的专业课程（如“嵌入式系统”、“计算机网络”等）奠定扎实的理论基础。本书根据2006年教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会制定的《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）》编写，考虑到2009年开始将“计算机组成原理”作为全国硕士研究生统一入学考试计算机学科专业基础综合考试中的重要科目，本书力求涵盖计算机科学与技术专业教学指导委员制定的计算机科学与技术本科专业规范中对“计算机组成基础”知识体系的要求，以及全国硕士研究生统一入学考试计算机学科专业基础综合考试中“计算机组成原理”考试大纲的内容，同时把计算机组成与计算机体系结构两部分的内容有机结合，加以精简提炼，反映计算机发展最新技术，体现应用型本科教材的“用、新、精、适”原则。
本书有如下特色：
（1）结构优化、内容完整精练、重点突出。前7章的内容保留了传统《计算机组成原理》教材的有关运算部件、控制器、指令系统、存储系统、输入/输出设备和输入/输出系统等内容框架，并去繁从简。后3章介绍了流水线技术、多核技术、UEFI等新技术。内容丰富。特别适合应用型大学学生学习《计算机组成与结构》课程的需要。
（2）先导课和后继课的衔接处理得当，避免知识点的重复。考虑到计算机中的逻辑部件在《计算机组成与结构》的先导课《数字逻辑》中已经涉及，本书不再重复。同时通过介绍汇编语言编程基础和操作系统对多核处理器的支持使读者体会到本课程与后继课程的关系，为进一步学习后续课程打下良好的基础。
（3）内容新颖，既有深度又有广度。例如在第10章，不仅介绍了现代计算机的体系结构，包括阵列处理机、向量处理机、多处理机的体系结构和互连结构，还介绍了并行计算机访存模型与并行计算模型。
（4）系统性强。通过本教材的学习，读者能从部件和整机的不同途径了解计算机的性能；能从计算机系统中硬件和软件的功能划分和相互关系了解计算机系统的设计；能从层次的观点来理解计算机系统的组成与结构。
全书共10章，内容如下：
第1章 主要介绍计算机发展历程、计算机硬件和软件的组成，以及计算机性能指标。
第2章 主要介绍运算部件，以及定点数和浮点数的加减乘除运算方法。
第3章 主要介绍指令系统的发展、指令格式、寻址方式、CISC与RISC、子程序调用和返回机制，以及汇编语言编程基础。
第4章 主要介绍控制器的主要功能和组成、微程序控制计算机与硬布线控制计算机及相关技术。
第5章 主要介绍主存储器、并行存储器、高速缓冲存储器（cache）、虚拟存储器的基本概念和工作原理。
第6章 主要介绍输入设备、输出设备，以及硬磁盘存储器、光盘存储器、Flash Memory等辅助存储器。
第7章 主要介绍程序查询方式、程序中断输入/输出方式、DMA输入/输出方式、通道控制方式和外围处理机方式及总线结构。
第8章 主要介绍流水线基本工作原理、流水线的性能指标、流水线冲突及一些流水线技术。
第9章 主要介绍多核技术的基本概念、多核技术的架构、UEFI和操作系统对多核处理器的支持及并发多线程技术。
第10章 主要介绍SIMD计算机和MIMD计算机、网络互连，以及并行计算机访存模型与并行计算模型。
本书由上海工程技术大学张瑜编著，上海交通大学孙德文审定。在本书的编写过程中，得到了上海工程技术大学、上海交通大学、上海海事大学、南京大学等单位领导和老师的支持及本套教材编审委员会专家的指导，并得到了上海工程技术大学夏永祥老师的大力协助，上海海事大学的周广声教授为本书的出版做了大量组织工作，孙德文教授对本书进行了认真细致地审查并提出了宝贵的建议，南京大学徐洁磐教授给予作者很多启发和指导，在此一并表示衷心的感谢。
本书编者虽然多年从事“计算机组成与结构”课程的教学，但由于水平有限，加之时间仓促，书中难免有疏漏和不足之处，敬请读者和同行批评指正。
编 者
2011年4月
目录
第1章 计算机系统概论 1
1.1 计算机的发展历程 1
1.2 计算机的硬件 4
1.2.1 计算机硬件的组成 4
1.2.2 计算机的工作过程 7
1.3 计算机的软件 8
1.3.1 计算机系统软件 8
1.3.2 计算机应用软件 11
1.4 计算机系统的层次结构 11
1.4.1 从硬件角度划分计算机系统 11
1.4.2 从软件角度划分计算机系统 12
1.5 计算机的性能指标 12
1.5.1 吞吐量和响应时间 13
1.5.2 CPU时钟周期和主频 13
1.5.3 每条指令平均时钟周期数 CPI和CPU执行时间 13
1.5.4 MIPS和MFLOPS 13
1.5.5 性能评测 14
本章小结 16
习题 16
第2章 运算方法和运算部件 17
2.1 运算器部件 17
2.1.1 加法器 17
2.1.2 串行加法器与并行加法器 18
2.1.3 算术逻辑单元 20
2.2 定点数加减运算 21
2.2.1 定点数的表示方法 21
2.2.2 补码加减法 22
2.2.3 溢出及判别方法 24
2.3 二进制乘法运算 25
2.3.1 原码一位乘法 25
2.3.2 补码一位乘法 28
2.3.3 补码二位乘法 30
2.4 二进制除法运算 31
2.4.1 原码一位除法 31
2.4.2 补码一位除法 35
2.5 浮点数的运算方法 36
2.5.1 浮点数的表示方法 36
2.5.2 浮点加减法运算 37
2.5.3 浮点乘除法运算 38
本章小结 40
习题 40
第3章 指令系统 42
3.1 指令系统概述 42
3.1.1 指令系统的发展 42
3.1.2 完善的指令系统应达到的要求 43
3.2 指令格式概述 44
3.2.1 指令格式 44
3.2.2 指令操作码的扩展技术 45
3.2.3 指令长度与字长的关系 47
3.3 数据表示 48
3.4 寻址方式 48
3.4.1 隐含寻址 49
3.4.2 立即数寻址方式 49
3.4.3 直接寻址方式 49
3.4.4 寄存器寻址方式 49
3.4.5 间接寻址方式 50
3.4.6 变址寻址方式 51
3.4.7 相对寻址方式 51
3.4.8 基址寻址 51
3.5 指令的分类 52
3.5.1 数据传送指令 52
3.5.2 算术逻辑运算指令 52
3.5.3 移位指令 53
3.5.4 字符串处理指令 53
3.5.5 转移类指令 53
3.5.6 堆栈及堆栈操作指令 54
3.5.7 输入/输出（I/O）指令 55
3.5.8 浮点运算指令 56
3.5.9 向量与多处理机指令 56
3.5.10 控制指令 56
3.6 精简指令系统计算机 56
3.6.1 CISC 与 RISC 56
3.6.2 RISC 的特点 57
3.7 汇编语言编程基础 59
3.7.1 汇编语言语句行的构成 59
3.7.2 汇编语言源程序的结构 61
3.7.3 汇编语言程序设计的方法 62
本章小结 63
习题 63
第4章 控制器部件 65
4.1 计算机中的控制器 65
4.1.1 控制器的功能 65
4.1.2 控制器的组成 66
4.2 硬布线控制的计算机 67
4.2.1 组合逻辑控制信号的产生 67
4.2.2 操作控制信号产生的一般方法 68
4.2.3 硬布线控制逻辑设计过程 69
4.３ 微程序控制计算机 70
4.3.1 微程序控制的基本概念 70
4.3.2 实现微程序控制的基本原理 71
4.3.3 微程序设计技术 72
4.3.4 硬布线控制与微程序控制的比较 76
4.4 Pentium微处理器 76
4.5 控制器的控制方式 79
本章小结 80
习题 80
第5章 存储系统 83
5.1 存储器与存储系统概述 83
5.1.1 存储器分类 83
5.1.2 存储系统的层次结构 84
5.2 主存储器 85
5.2.1 主存储器的主要技术指标 85
5.2.2 读/写存储器 86
5.2.3 非易失性半导体存储器 88
5.2.4 半导体存储器的组成与控制 89
5.3 并行存储器 91
5.3.1 单体多字并行存储器 91
5.3.2 多体交叉存储器 92
5.4 高速缓冲存储器 93
5.4.1 cache工作原理 93
5.4.2 cache的一致性问题 95
5.4.3 cache组织 96
5.5 虚拟存储器 100
5.5.1 虚拟存储器概述 100
5.5.2 段式虚拟存储器 100
5.5.3 页式虚拟存储器 100
5.5.4 段页式虚拟存储器 102
5.6 存储保护 103
本章小结 104
习题 105
第6章 输入/输出（I/O）设备 106
6.1 外部设备概述 106
6.2 常用输入设备 107
6.2.1 键盘 107
6.2.2 图形板 107
6.2.3 鼠标 107
6.2.4 触摸屏 108
6.2.5 图像输入设备（摄像机和数码照相机） 108
6.2.6 手写输入 108
6.3 显示器设备 108
6.3.1 显示设备种类 108
6.3.2 显示技术中的有关术语 110
6.4 打印设备 111
6.4.1 点阵针式打印机 111
6.4.2 激光打印机 112
6.4.3 喷墨打印机 113
6.4.4 热转印打字机 113
6.4.5 打印机的发展趋势 114
6.5 辅助存储器 114
6.5.1 磁表面存储器技术指标 115
6.5.2 磁记录原理与记录方式 116
6.5.3 硬磁盘存储器 121
6.5.4 光盘存储器 124
本章小结 127
习题 127
第7章 输入/输出（I/O）系统 129
7.1 输入/输出（I/O）系统概述 129
7.1.1 输入/输出设备的编址 129
7.1.2 I/O接口基本功能 130
7.2 程序直接控制输入/输出方式 130
7.3 程序中断输入/输出方式 131
7.3.1 有关中断的一些概念 131
7.3.2 中断处理 133
7.4 DMA输入/输出方式 137
7.4.1 DMA3种工作方式 137
7.4.2 DMA控制器组成 137
7.4.3 DMA的数据传送过程 138
7.5 通道控制方式和外围处理机 138
7.5.1 I/O通道的种类 139
7.5.2 通道型I/O处理机（IOP）和外围处理机 140
7.6 总线结构 141
7.6.1 总线的分类 141
7.6.2 总线的结构 142
7.6.3 总线组成 143
7.6.4 总线标准 146
7.6.5 外设接口 148
本章小结 151
习题 151
第8章 流水线技术 152
8.1 流水线的基本概念 152
8.1.1 流水线基本工作原理 153
8.1.2 流水线的性能指标 154
8.2 流水线冲突 157
8.2.1 数据冲突 157
8.2.2 结构冲突 157
8.2.3 控制冲突 158
8.3 流水线技术简介 158
8.3.1 指令级并行技术 159
8.3.2 超标量流水线技术 160
8.3.3 超级流水线技术 161
8.3.4 VLIW流水线技术 161
8.3.5 EPIC技术 163
8.3.6 循环级并行技术 163
本章小结 164
习题 164
第9章 多核技术 165
9.1 多核技术的基本概念 165
9.2 多核处理器的架构 166
9.2.1 PWRficient处理器的架构 166
9.2.2 Sun公司的UltraSPARC T1 167
9.2.3 IBM Cell的架构 169
9.2.4 Many Core X86处理器架构 169
9.2.5 HyperTransport协处理器系统架构 171
9.3 对多核处理器的支持 174
9.3.1 固件 174
9.3.2 EFI对多核处理器的支持 174
9.3.3 操作系统对多核处理器的支持 175
9.4 并发多线程技术 176
9.4.1 进程 176
9.4.2 线程 177
9.4.3 并发多线程技术 177
本章小结 180
习题 180
第10章 并行计算机体系结构 181
10.1 SIMD计算机和MIMD计算机 181
10.1.1 计算机体系结构分类 181
10.1.2 SIMD 并行处理机系统（阵列处理机系统） 182
10.1.3 多处理机系统（MIMD计算机） 183
10.2 互连网络 186
10.2.1 互连网络的基本概念 186
10.2.2 静态网络 187
10.2.3 动态网络 187
10.2.4 网络的互连函数 187
10.3 并行计算机访存模型与并行计算模型 191
10.3.1 并行计算机访存模型 191
10.3.2 并行计算模型 191
10.3.3 存储一致性模型 193
本章小结 196
习题 196
参考文献 198
无
无