计算机组成与结构（徐福培）

　　编辑推荐：本书以介绍计算机的组成和系统结构的基本概念、工作原理、设计方法为主要内容，同时介绍了当前的新技术与发展趋势。第1，2章为基础部分，介绍了计算机的基本构成、内部的数据表示方法；第3～9章介绍了运算器、存储器、控制器、输入和输出等各部件的构成，功能及相关算法；第10章简单给出了计算机硬件技术的发展。本书内容丰富、并配以习题。作者均为多年来从事该课程教学的老师，叙述尽量深入浅出，以便同学们学习。本书可以作为计算机本科或大专学生的教材，也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书。

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第1章　概述
    1．1　计算机的定义和特性
        1．1．1　什么是计算机
        1．1．2　计算机的特性
    1．2　计算机的发展历程
        1．2．1　电子计算机的诞生
        1．2．2　第一代计算机
        1．2．3　第二代计算机
        1．2．4　第三代计算机
        1．2．5　第四代计算机
        1．2．6　新一代计算机
        1．2．7　我国计算机的发展
    1．3　计算机的组成与结构
        1．3．1　计算机系统的层次结构
        1．3．2　计算机硬件
        1．3．3　计算机软件
    1．4　计算机的分类与应用
        1．4．1　计算机的分类
        1．4．2　计算机应用
    习题
第2章　数据的表示
    2．1　数据、信息和媒体
        2．1．1　数据
        2. 1．2　信息
        2．1．3　媒体
    2．2　数字化信息编码
    2．3　数值数据的编码表示
        2．3．1　进位计数制及其各进位制数之间的转换
        2．3．2　定点与浮点表示
        2．3．3　编码系统
        2．3．4　无符号数的表示
        2．3．5　浮点数的编码表示
        2．3．6　十进制数的二进制编码表示
    2．4　非数值数据的编码表示
        2．4．1　逻辑数据
        2．4．2　西文字符
        2．4. 3  汉字字符
        2．4．4　多媒体信息
　  2．5　二进制信息的计量单位
  　2．6　数据校验码
        2．6．1　奇偶校验码
        2．6．2　海明校验码
        2．6，3　循环冗余校验码
    习题
第3章　运算器与运算方法
    3．1　基本组成
    3．2　算术与逻辑单元
        3. 2．1　半加器与全加器
        3. 2．2　串行进位与并行进位
        3．2．3  ALU部件
    3．3　定点加、减法运算
        3. 3．1　补码定点加、减法
        3．3．2　原码定点加、减法
    3．4　定点乘法运算
        3. 4．1　原码一位乘法
        3．4．2　原码二位乘法
        3．4. 1　补码一位乘法
        3．4．4　补码二位乘法
        3．4．5　阵列乘法器
    3．5　定点除法运算
        3．5．1　原码除法运算
        3．5．2　补码除法运算
        3．5．3　阵列除法器
    3．6　浮点运算
        3．6．1　浮点加、减法
        3．6．2　浮点乘、除法运算
    3．7　十进制数的加、减法运算
    习题
第4章　存储系统
    4．1　存储器概述
        4．1．1　存储器的主要性能指标
        4．1．2　存储器分类
        4. 1．3　存储器结构
    4．2　半导体读写存储器
        4．2．1　基本存储单元
        4．2．2　半导体RAM芯片
    4．3　半导体只读存储器
        4．3．1　掩膜只读存储器（masked　ROM）
        4．3．2　可编程ROM（PROM）
        4．3．3　可擦除和编程的ROM（EPROM）
        4. 3．4　电擦除电改写只读存储器（EEPROM）
    4．4　高速缓冲存储器
        4．1. 1　工作原理
        4．4. 2　映射方式
        4．4．3　替换算法
        4．4．4　Cache－主存内容的一致性问题
        4．4．5　Cache结构举例
    4．5　虚拟存储器
        4．5．1　虚拟存储器的功能
        4．5．2　虚拟存储器的基本管理方法
    4．6　辅助存储器
        4．6．1　磁表面存储器
        4．6．2　光盘存储器
    习题
第5章　指令系统
    5．1　指令格式
        5．1. 1　指令的格式
        5．1．2　指令长度
    5．2　寻址方式
    5．3　指令类型
    5．4　堆栈和堆栈存取方式
    5．5　指令系统举例
        5．5．1　IBM 370系列机指令格式
        5．5．2　PDP－11指令格式
        5．5．3　Pentium指令系统
        5．5．4　Power PC指令系统
    5．6　CISC与RISC指令
    5．7　MMX技术
    习题
第6章　中央处理机组织
    6. 1  CPU的结构与功能
        6．1．1  CPU的组成与操作
        6．1．2  CPU时序控制方式
        6．1．3  CPU控制流程
        6．1．4  控制器的组成
        6．1．5  一条完整指令的执行
        6. 1．6  CPU性能设计
        6. 1．7  典型 CPU举例
    6．2  组合逻辑控制与PLA控制
        6. 2. 1  组合逻辑控制
        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  微指令的格式与编码
        6．3．4  微指令地址的生成
        6．3. 5  微程序设计举例
        6．3．6  微程序应用
    习题
第7章  总线及总线互联结构
    7．1　总线的基本概念
        7．1．1　总线的特性和分类
        7．1．2　系统总线的组成
        7．1．3　总线的数据传输方式
    7．2　总线设计的要素
        7．2．1　信号线类型
        7．2．2　总线裁决
        7．2．3　定时方式
        7．2．4　总线事务类型
        7．2．5　总线带宽
    7．3　总线接口单元
    7．4　总线标准
        7．4．1　ISA总线
        7．4．2　EISA总线
        7．4．3　VL总线（VESA总线）
        7．4．4  PCI总线
        7．4．5　SCSI总线
        7．4．6　EIA－232－D总线
    7．5　多总线分级结构
        7．5．1　单总线结构
        7．5．2　双总线结构
        7．5．3　三总线结构
        7．5．4　多总线分级结构举例
    习题
第8章　输入输出设备
    8．1　输入输出设备的分类与特点
        8．1．1　分类
        8．1．2　特点
    8．2　输入设备
        8．2．1　键盘
        8．2．2　鼠标器
    8．3　打印机
        8．3．1　打印机的种类
        8．3．2　点阵打印机
        8．3．3　激光印字机
    8．4显示器
        8．4．1　监视器
        8．4．2　光栅扫描显示器工作原理
        8．4．3　IBM　PC图形显示器
    习题
第9章　输入输出组织
    9．1　I/O接口
        9．1．1　I/O接口的功能
        9．1．2  I/O接口的结构
        9．1. 3  I/O接口的分类
    9．2  I/O设备的寻址
        9．2．1  操作系统在I/O中的作用
        9．2．2  I/O端口的编址
    9．3  I/O数据传送控制方式
        9．3．1  I/O控制方式类型
        9．3．2  程序直接控制方式
    9．4  程序中断方式
        9．4. 1  中断的概念
        9．4．2  中断的分类
        9．4．3  中断系统的基本职能和结构
        9．4．4  中断过程
    9．5  直接存储器存取（DMA）方式
        9．5．1  三种 DMA方式
        9．5．2  DMA接口的结构和功能
        9．5．3  DMA操作步骤
        9．5．4  DMA与存储器系统
    9. 6  通道和I/O处理器方式
        9．6．1  通道的基本概念
        9．6．2  通道的种类
        9．6．3  通道程序
        9．6．4  输入／输出处理机
    9．7  外部接口
        9．7. 1  串行接口
        9．7．2  并行接口
    习题
第10章  计算机硬件技术的发展
    10．1　并行处理
        10．1．1　发展历程、分类与应用
        10．1．2　阵列机
        10．1．3　多处理机系统
        10．1．4　分布式系统
    10．2　新一代计算机
        10．2．1　生物计算机
        10．2．2　超导计算机
        10．2．3　量子计算机
        10．2．4　纳米计算机
        10．2．5　光计算机
    习题
参考文献 计算机技术的发展日新月异，《计算机组成与结构》一书作为计算机学科的基础教材，如何在讲述清楚计算机组成与结构原理的基础上，尽可能地介绍一些计算机硬件与结构方面的新技术，以便让学生在掌握计算机基础理论知识的基础上，了解计算机技术发展的新动向，这是我们多年来从事本门课程教学的作者们的共同愿望。
    计算机组成或计算机组织（Computer organization） 是指计算机主要由哪些功能部件组成，各部件如何连接。而计算机结构（Computer architecture）是指从程序员的角度观察计算机具有哪些特征，包括指令系统、数据类型与格式、存储器访问技术等等。两台计算机可以有不同的组成，但结构是相同的。计算机组成与结构是密不可分的，因此，目前无论是国内还是国外，逐渐把计算机组成原理和系统结构的课程内容有机地结合起来，以消除重复内容。本教材可以作为“计算机组成原理”课程教材，也可作为“计算机系统结构”课程的教材或教学参考书，授课教师可以根据需要进行灵活的取舍。
    近年来，尽管计算机得到了飞速的发展，其性能与速度不断提高，但到目前为止，绝大部分计算机的逻辑结构仍然以冯·诺依曼体系结构为主。因此，本教材仍以运算器、存储器、控制器、输入和输出五部件为主线。在介绍各部件基本组成与原理的同时，给出了较流行的Pentium和Power PC的相应实例，同时结合了当前计算机发展的新技术。例如，多媒体信息的表示、MMX指令、RISC与CISC之争、指令发射和动态执行、多级Cache及一致性问题，新型存储芯片EDRAM和SDRAM，多总线分级结构以及典型的PCI和SCSI总线，并行处理及新一代计
算机的发展动态等等。通过对这些新技术的简单介绍，可以帮助学生了解计算机科学的最新技术和发展趋势。今后，我们准备2－3年更新一次，以增加新的内容，适应计算机技术不断飞速发展的要求。
    本教材在编写过程中，力求达到概念准确、深入浅出，并尽量多给出一些具体例子，以帮助同学们学习与理解。
    本教材第1，8，10章由徐福培执笔；第2，7，9章由袁春风执笔，第3章由鲍培明执笔；第4，5章由李真执笔；第6章由王健执笔。全书由南京大学徐福培教授主持编写，并最后统稿、修改和定稿，由蔡士杰教授主审。
    由于时间仓促，加之作者水平有限，不当或错误之处在所难免，恳请读者批评指正。
    编者
    2001年6月
    为了认真贯彻《中国教育改革和发展纲要》和教育部“面向21世纪教育振兴行动计划”精神，适应现代社会、经济、科技、文化，特别是教育的发展方向，适应培养新世纪计算机人才的需要，根据计算机科学技术学科发展和新世纪高等学校教学内容和课程体系改革的要求，我们决定编写这套《新世纪高等学校计算机系列教材》。
    教学改革和教学质量是高等学校的头等大事。教学改革的关键在于教材的改革，我们组织编写这套系列教材的指导思想是：立足于新世纪培养创造型开拓型人才的培养目标，立足于高速发展的计算机科学技术，科学地预测本学科前沿发展趋势；注重教材内容的思想性、科学性、先进性、系统性和广泛的适应性，继承与改革现有教材内容和体系；注重加强能力的培养，切实提高学生的综合素质。同时，为了适合我国国情，适应绝大多数高等学校计算机科学与技术专业类的教师知识结构和课程改革的实际情况，一方面，我们尽力拓宽教材内容，充实和加强有关理论，引用新的科技成果；另一方面，我们兼顾各门课程的历史、现状与发展，在具体章
节的内容编排上力求循序渐进，顺理成章。在保证学科系统的前提下，充分考虑到学生的接受能力，使教材体系尽量符合学生的认知规律，便于学生接受、理解、掌握和巩固所学知识，促使学生学以致用，理论密切联系实际。
    本套系列教材的组织编写得到了中国计算机学会、江苏省计算机学会的大力支持和帮助，凝聚了参加编审出版工作的许多教师和编辑的心血和歼水，在此一并对他们表示衷心的感谢。
    限于我们的水平、能力和经验，本套系列教材的编审与出版工作一定还存在着很多错漏和其他不如意之处，我们真诚地希望使用这套教材的高校教师、学生和广大读者积极提出宝贵意见，以鞭策我们不断提高教材的编写、修订和出版质量，为我国的计算机科学技术专业教材建设服务。
    《新世纪高等学校计算机系列教材》编辑委员会