計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)（徐福培）

第1章　概述
    1．1　計(jì)算機(jī)的定義和特性
        1．1．1　什么是計(jì)算機(jī)
        1．1．2　計(jì)算機(jī)的特性
    1．2　計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程
        1．2．1　電子計(jì)算機(jī)的誕生
        1．2．2　第一代計(jì)算機(jī)
        1．2．3　第二代計(jì)算機(jī)
        1．2．4　第三代計(jì)算機(jī)
        1．2．5　第四代計(jì)算機(jī)
        1．2．6　新一代計(jì)算機(jī)
        1．2．7　我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展
    1．3　計(jì)算機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)
        1．3．1　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
        1．3．2　計(jì)算機(jī)硬件
        1．3．3　計(jì)算機(jī)軟件
    1．4　計(jì)算機(jī)的分類(lèi)與應(yīng)用
        1．4．1　計(jì)算機(jī)的分類(lèi)
        1．4．2　計(jì)算機(jī)應(yīng)用
    習(xí)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(jìn)位計(jì)數(shù)制及其各進(jìn)位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換
        2．3．2　定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示
        2．3．3　編碼系統(tǒng)
        2．3．4　無(wú)符號(hào)數(shù)的表示
        2．3．5　浮點(diǎn)數(shù)的編碼表示
        2．3．6　十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)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(jìn)制信息的計(jì)量單位
  　2．6　數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼
        2．6．1　奇偶校驗(yàn)碼
        2．6．2　海明校驗(yàn)碼
        2．6，3　循環(huán)冗余校驗(yàn)碼
    習(xí)題
第3章　運(yùn)算器與運(yùn)算方法
    3．1　基本組成
    3．2　算術(shù)與邏輯單元
        3. 2．1　半加器與全加器
        3. 2．2　串行進(jìn)位與并行進(jìn)位
        3．2．3  ALU部件
    3．3　定點(diǎn)加、減法運(yùn)算
        3. 3．1　補(bǔ)碼定點(diǎn)加、減法
        3．3．2　原碼定點(diǎn)加、減法
    3．4　定點(diǎn)乘法運(yùn)算
        3. 4．1　原碼一位乘法
        3．4．2　原碼二位乘法
        3．4. 1　補(bǔ)碼一位乘法
        3．4．4　補(bǔ)碼二位乘法
        3．4．5　陣列乘法器
    3．5　定點(diǎn)除法運(yùn)算
        3．5．1　原碼除法運(yùn)算
        3．5．2　補(bǔ)碼除法運(yùn)算
        3．5．3　陣列除法器
    3．6　浮點(diǎn)運(yùn)算
        3．6．1　浮點(diǎn)加、減法
        3．6．2　浮點(diǎn)乘、除法運(yùn)算
    3．7　十進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算
    習(xí)題
第4章　存儲(chǔ)系統(tǒng)
    4．1　存儲(chǔ)器概述
        4．1．1　存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)
        4．1．2　存儲(chǔ)器分類(lèi)
        4. 1．3　存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
    4．2　半導(dǎo)體讀寫(xiě)存儲(chǔ)器
        4．2．1　基本存儲(chǔ)單元
        4．2．2　半導(dǎo)體RAM芯片
    4．3　半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器
        4．3．1　掩膜只讀存儲(chǔ)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(xiě)只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）
    4．4　高速緩沖存儲(chǔ)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(wèn)題
        4．4．5　Cache結(jié)構(gòu)舉例
    4．5　虛擬存儲(chǔ)器
        4．5．1　虛擬存儲(chǔ)器的功能
        4．5．2　虛擬存儲(chǔ)器的基本管理方法
    4．6　輔助存儲(chǔ)器
        4．6．1　磁表面存儲(chǔ)器
        4．6．2　光盤(pán)存儲(chǔ)器
    習(xí)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(zhǎng)度
    5．2　尋址方式
    5．3　指令類(lèi)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(jī)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(shù)
    習(xí)題
第6章　中央處理機(jī)組織
    6. 1  CPU的結(jié)構(gòu)與功能
        6．1．1  CPU的組成與操作
        6．1．2  CPU時(shí)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(shè)計(jì)
        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(shè)計(jì)舉例
        6．3．6  微程序應(yīng)用
    習(xí)題
第7章  總線(xiàn)及總線(xiàn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)
    7．1　總線(xiàn)的基本概念
        7．1．1　總線(xiàn)的特性和分類(lèi)
        7．1．2　系統(tǒng)總線(xiàn)的組成
        7．1．3　總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸方式
    7．2　總線(xiàn)設(shè)計(jì)的要素
        7．2．1　信號(hào)線(xiàn)類(lèi)型
        7．2．2　總線(xiàn)裁決
        7．2．3　定時(shí)方式
        7．2．4　總線(xiàn)事務(wù)類(lèi)型
        7．2．5　總線(xiàn)帶寬
    7．3　總線(xiàn)接口單元
    7．4　總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)
        7．4．1　ISA總線(xiàn)
        7．4．2　EISA總線(xiàn)
        7．4．3　VL總線(xiàn)（VESA總線(xiàn)）
        7．4．4  PCI總線(xiàn)
        7．4．5　SCSI總線(xiàn)
        7．4．6　EIA－232－D總線(xiàn)
    7．5　多總線(xiàn)分級(jí)結(jié)構(gòu)
        7．5．1　單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)
        7．5．2　雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)
        7．5．3　三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)
        7．5．4　多總線(xiàn)分級(jí)結(jié)構(gòu)舉例
    習(xí)題
第8章　輸入輸出設(shè)備
    8．1　輸入輸出設(shè)備的分類(lèi)與特點(diǎn)
        8．1．1　分類(lèi)
        8．1．2　特點(diǎn)
    8．2　輸入設(shè)備
        8．2．1　鍵盤(pán)
        8．2．2　鼠標(biāo)器
    8．3　打印機(jī)
        8．3．1　打印機(jī)的種類(lèi)
        8．3．2　點(diǎn)陣打印機(jī)
        8．3．3　激光印字機(jī)
    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(xí)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(jié)構(gòu)
        9．1. 3  I/O接口的分類(lèi)
    9．2  I/O設(shè)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(lèi)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(lèi)
        9．4．3  中斷系統(tǒng)的基本職能和結(jié)構(gòu)
        9．4．4  中斷過(guò)程
    9．5  直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式
        9．5．1  三種 DMA方式
        9．5．2  DMA接口的結(jié)構(gòu)和功能
        9．5．3  DMA操作步驟
        9．5．4  DMA與存儲(chǔ)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(lèi)
        9．6．3  通道程序
        9．6．4  輸入／輸出處理機(jī)
    9．7  外部接口
        9．7. 1  串行接口
        9．7．2  并行接口
    習(xí)題
第10章  計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展
    10．1　并行處理
        10．1．1　發(fā)展歷程、分類(lèi)與應(yīng)用
        10．1．2　陣列機(jī)
        10．1．3　多處理機(jī)系統(tǒng)
        10．1．4　分布式系統(tǒng)
    10．2　新一代計(jì)算機(jī)
        10．2．1　生物計(jì)算機(jī)
        10．2．2　超導(dǎo)計(jì)算機(jī)
        10．2．3　量子計(jì)算機(jī)
        10．2．4　納米計(jì)算機(jī)
        10．2．5　光計(jì)算機(jī)
    習(xí)題
參考文獻(xiàn) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》一書(shū)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)教材，如何在講述清楚計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，盡可能地介紹一些計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方面的新技術(shù)，以便讓學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，了解計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向，這是我們多年來(lái)從事本門(mén)課程教學(xué)的作者們的共同愿望。
    計(jì)算機(jī)組成或計(jì)算機(jī)組織（Computer organization） 是指計(jì)算機(jī)主要由哪些功能部件組成，各部件如何連接。而計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)（Computer architecture）是指從程序員的角度觀(guān)察計(jì)算機(jī)具有哪些特征，包括指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型與格式、存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)等等。兩臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有不同的組成，但結(jié)構(gòu)是相同的。計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)是密不可分的，因此，目前無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，逐漸把計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，以消除重復(fù)內(nèi)容。本教材可以作為“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材，也可作為“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教材或教學(xué)參考書(shū)，授課教師可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活的取舍。
    近年來(lái)，盡管計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)仍然以馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)為主。因此，本教材仍以運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入和輸出五部件為主線(xiàn)。在介紹各部件基本組成與原理的同時(shí)，給出了較流行的Pentium和Power PC的相應(yīng)實(shí)例，同時(shí)結(jié)合了當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的新技術(shù)。例如，多媒體信息的表示、MMX指令、RISC與CISC之爭(zhēng)、指令發(fā)射和動(dòng)態(tài)執(zhí)行、多級(jí)Cache及一致性問(wèn)題，新型存儲(chǔ)芯片EDRAM和SDRAM，多總線(xiàn)分級(jí)結(jié)構(gòu)以及典型的PCI和SCSI總線(xiàn)，并行處理及新一代計(jì)
算機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)等等。通過(guò)對(duì)這些新技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹，可以幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)科學(xué)的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。今后，我們準(zhǔn)備2－3年更新一次，以增加新的內(nèi)容，適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷飛速發(fā)展的要求。
    本教材在編寫(xiě)過(guò)程中，力求達(dá)到概念準(zhǔn)確、深入淺出，并盡量多給出一些具體例子，以幫助同學(xué)們學(xué)習(xí)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(fēng)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(shū)由南京大學(xué)徐福培教授主持編寫(xiě)，并最后統(tǒng)稿、修改和定稿，由蔡士杰教授主審。
    由于時(shí)間倉(cāng)促，加之作者水平有限，不當(dāng)或錯(cuò)誤之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
    編者
    2001年6月
    為了認(rèn)真貫徹《中國(guó)教育改革和發(fā)展綱要》和教育部“面向21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃”精神，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技、文化，特別是教育的發(fā)展方向，適應(yīng)培養(yǎng)新世紀(jì)計(jì)算機(jī)人才的需要，根據(jù)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展和新世紀(jì)高等學(xué)校教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的要求，我們決定編寫(xiě)這套《新世紀(jì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)系列教材》。
    教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量是高等學(xué)校的頭等大事。教學(xué)改革的關(guān)鍵在于教材的改革，我們組織編寫(xiě)這套系列教材的指導(dǎo)思想是：立足于新世紀(jì)培養(yǎng)創(chuàng)造型開(kāi)拓型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，立足于高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，科學(xué)地預(yù)測(cè)本學(xué)科前沿發(fā)展趨勢(shì)；注重教材內(nèi)容的思想性、科學(xué)性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性和廣泛的適應(yīng)性，繼承與改革現(xiàn)有教材內(nèi)容和體系；注重加強(qiáng)能力的培養(yǎng)，切實(shí)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。同時(shí)，為了適合我國(guó)國(guó)情，適應(yīng)絕大多數(shù)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)類(lèi)的教師知識(shí)結(jié)構(gòu)和課程改革的實(shí)際情況，一方面，我們盡力拓寬教材內(nèi)容，充實(shí)和加強(qiáng)有關(guān)理論，引用新的科技成果；另一方面，我們兼顧各門(mén)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(jìn)，順理成章。在保證學(xué)科系統(tǒng)的前提下，充分考慮到學(xué)生的接受能力，使教材體系盡量符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，便于學(xué)生接受、理解、掌握和鞏固所學(xué)知識(shí)，促使學(xué)生學(xué)以致用，理論密切聯(lián)系實(shí)際。
    本套系列教材的組織編寫(xiě)得到了中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、江蘇省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)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(duì)他們表示衷心的感謝。
    限于我們的水平、能力和經(jīng)驗(yàn)，本套系列教材的編審與出版工作一定還存在著很多錯(cuò)漏和其他不如意之處，我們真誠(chéng)地希望使用這套教材的高校教師、學(xué)生和廣大讀者積極提出寶貴意見(jiàn)，以鞭策我們不斷提高教材的編寫(xiě)、修訂和出版質(zhì)量，為我國(guó)的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專(zhuān)業(yè)教材建設(shè)服務(wù)。
    《新世紀(jì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)系列教材》編輯委員會(huì)