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  • 计算机组成原理教程

  • 出版社:清华大学出版社
  • 出版时间:2018-03
  • 热度:10723
  • 上架时间:2024-06-30 09:08:33
  • 价格:0.0
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内容介绍

编辑推荐

零起点，不要求过多的数字逻辑铺垫。
 概念清晰、严谨，注重本质层面讨论。
 面向系统能力培养，贴近应用，贴近业界，贴近现代。
 贯穿知识建构、启发思维的教学理念。
 结构简洁、清晰，容易复习、梳理。

内容简介

本书是一种面向应用型的计算机组成原理教材。全书共分8章：第1章帮助读者快速、趣味、深刻地
建立计算机系统的整体概念，并介绍了现代计算机硬件的测试技术与工具；第2章介绍计算机的存储系统，
并介绍DRAM的内部操作对性能参数的影响；第3章介绍计算机的总线系统和主板的有关知识；第4章
介绍计算机的输入输出控制技术；第5章计介绍计算机的输入输出设备；第6章介绍计算机核心部件——
控制器的工作原理和基本设计思想；第7章在架构层面上介绍处理器中的并行技术；第8章介绍人们在非
冯·诺依曼体系结构和非硅晶体元器件两个方面的探索。
本书概念清晰，深入浅出，取材新颖，从知识建构、启发思维和适合教学3个角度组织学习内容，同
时不过多依赖先修课程。经过7次修订，更贴近实际，更适合教学，可供应用型本科计算机科学与技术专
业、软件工程专业、信息安全专业、网络工程专业、信息管理和信息系统专业和其他相关专业教学使用，
也可以供有关工程技术人员和自学者使用。

目录

目??录
第1章 计算机系统概述 1
1.1 计算工具自动化的形成轨迹 1
1.1.1 算盘和算筹——软件与硬件的起源 1
1.1.2 从提花机到巴贝奇分析机——内程序计算机模型的提出 5
1.1.3 内动力计算机的形成轨迹 9
1.1.4 从八卦图到布尔代数——电子数字计算机的理论基础 16
1.1.5 冯·诺依曼电子数字计算机体系的确立 24
1.1.6 操作系统——计算机的自我管理 28
1.1.7 现代计算机系统结构 30
1.1.8 自动计算机理论的再讨论 32
1.2 0、1编码 33
1.2.1 数字系统中的信息单位与量级 33
1.2.2 十进制数与二进制数的转换 34
1.2.3 八进制、十六进制和二-十进制 36
1.2.4 原码、反码、补码和移码 37
1.2.5 浮点数与定点数 40
1.2.6 声音的0、1编码 42
1.2.7 图形/图像的0、1编码 43
1.2.8 文字的0、1编码 46
1.2.9 指令的0、1编码与计算机程序设计语言 49
1.2.10 数据传输中的抗干扰编码 51
1.3 电子数字计算机的基本原理 54
1.3.1 电子数字计算机的运算器 54
1.3.2 计算机存储器 56
1.3.3 计算机控制器 60
1.3.4 总线 63
1.3.5 计算机中的时序控制 64
1.4 冯·诺依曼计算机体系改进 66
1.4.1 冯·诺依曼体系的瓶颈 66
1.4.2 并行与共享 67
1.4.3 哈佛结构 70
1.5 计算机性能评测 71
1.5.1 计算机的主要性能指标 71
1.5.2 计算机性能测试工具 76
1.5.3 天梯图 78
习题 79
第2章 存储系统 83
2.1 主存储器概述 83
2.1.1 ROM元件 83
2.1.2 RAM元件与存储结构 85
2.1.3 DRAM元件与基本存储结构 88
2.2 主存储体组织 91
2.2.1 内存条的结构 91
2.2.2 存储体的基本扩展方式 94
2.2.3 Bank 95
2.2.4 并行存储器 97
2.2.5 并行处理机的主存储器 99
2.2.6 存储器控制器 100
2.3 SDRAM内部操作与性能参数 101
2.3.1 SDRAM的主要引脚 101
2.3.2 SDRAM的读写时序 101
2.3.3 突发传输 104
2.3.4 数据掩码 105
2.3.5 DRAM的动态刷新 106
2.3.6 芯片初始化与预充电 109
2.3.7 RAM的一般性能参数 111
2.3.8 DDR SDRAM芯片参数 113
2.4 磁盘存储器 114
2.4.1 磁表面存储原理 114
2.4.2 硬磁盘存储器的存储结构 117
2.4.3 磁盘格式化 118
2.4.4 硬磁盘存储器与主机的连接 121
2.4.5 硬磁盘存储器的技术参数 123
2.4.6 磁盘阵列RAID 125
2.5 光盘存储器 129
2.5.1 光盘的技术特点与类型 129
2.5.2 可擦写型光盘的读写原理 129
2.5.3 光盘规格 130
2.6 闪速存储器 133
2.6.1 闪存的原理 134
2.6.2 固态硬盘 134
2.7 存储体系 136
2.7.1 多级存储体系的建立 136
2.7.2 多级存储体系的性能参数 138
2.7.3 Cache-主存机制 139
2.7.4 虚拟存储器 144
2.8 未来记忆元件 148
2.8.1 磁随机存取存储器 148
2.8.2 铁电随机存取存储器 149
2.8.3 相变随机存取存储器 149
2.8.4 阻变随机存取存储器 150
习题 151
第3章 总线与主板 154
3.1 总线的概念 154
3.1.1 总线及其规范 154
3.1.2 总线分类 155
3.1.3 总线的性能指标 158
3.1.4 标准系统总线 159
3.2 总线的工作原理 160
3.2.1 总线的组成与基本传输过程 160
3.2.2 总线的争用与仲裁 161
3.2.3 总线通信中主从之间的时序控制 164
3.3 几种标准系统总线分析 168
3.3.1 ISA总线 168
3.3.2 PCI总线 169
3.3.3 AGP总线 173
3.3.4 PCI-Express总线 174
3.4 几种标准I/O总线分析 175
3.4.1 ATA与SATA总线 175
3.4.2 SCSI与SAS总线 177
3.4.3 USB总线 180
3.4.4 光纤总线FC 183
3.5 微型计算机主板 183
3.5.1 主板的概念 183
3.5.2 主板的组成 184
3.5.3 主板架构及其进展 190
3.5.4 主板选择参数 194
3.5.5 主板整合技术 196
3.5.6 智慧型主板 196
习题 199
第4章 I/O接口与数据交换控制 201
4.1 I/O接口 201
4.1.1 影响I/O设备与计算机连接的主要因素 201
4.1.2 I/O接口的功能与类型 203
4.1.3 I/O接口的一般结构 203
4.1.4 缓冲 204
4.1.5 I/O端口及其编址 206
4.2 I/O过程的程序直接控制 207
4.2.1 I/O过程的程序无条件传送控制方式 207
4.2.2 I/O过程的程序查询传送方式 208
4.3 I/O过程的程序中断控制 209
4.3.1 程序中断控制的核心概念 209
4.3.2 中断关键技术 212
4.3.3 中断接口 216
4.3.4 多重中断 218
4.4 I/O数据传送的DMA控制 218
4.4.1 DMA的基本概念 218
4.4.2 DMA与CPU共享存储器冲突的解决方案 219
4.4.3 DMA控制器 221
4.4.4 DMA传送过程 222
4.4.5 DMA方式与中断方式的比较 224
4.5 I/O过程的通道控制 225
4.5.1 通道控制及其特点 225
4.5.2 通道控制原理 227
4.5.3 通道类型 229
习题 230
第5章 计算机输入输出设备 233
5.1 计算机输入输出设备概述 233
5.1.1 计算机人-机界面技术的进步 233
5.1.2 I/O设备的分类 235
5.1.3 绿色计算机设备 236
5.2 键盘与鼠标 237
5.2.1 物理键盘及其原理 237
5.2.2 键盘布局类型 238
5.2.3 软键盘 239
5.2.4 虚拟激光键盘 240
5.2.5 鼠标 240
5.3 打印设备 241
5.3.1 打印设备及其分类 241
5.3.2 打印机的基本性能指标 242
5.3.3 喷墨打印机 243
5.3.4 激光打印机 245
5.3.5 3D打印机 247
5.3.6 4D打印机 250
5.4 显示器 251
5.4.1 平板显示器的基本原理 252
5.4.2 图像显示关键技术 255
5.4.3 平板显示器的技术指标 256
5.4.4 触摸屏 258
5.5 虚拟现实、增强现实与现实虚拟 260
5.5.1 虚拟现实 260
5.5.2 增强现实 262
5.5.3 现实虚拟、混合现实与介导现实 265
5.6 I/O设备适配器 266
5.6.1 显示适配器 267
5.6.2 声卡 270
5.6.3 网络适配器 272
5.7 设备驱动程序与BIOS 274
5.7.1 设备驱动程序 274
5.7.2 ROM BIOS 277
习题 279
第6章 控制器逻辑 281
6.1 处理器的外特性——指令系统 281
6.1.1 指令系统与汇编语言概述 281
6.1.2 寻址方式 284
6.1.3 Intel 8086指令简介 289
6.1.4 CISC与RISC 296
6.1.5 指令系统的设计内容 301
6.2 组合逻辑控制器 301
6.2.1 指令的微操作分析 302
6.2.2 指令的时序控制与时序部件 304
6.2.3 组合逻辑控制器设计举例 306
6.3 微程序控制器 308
6.3.1 概述 308
6.3.2 微程序操作控制部件的组成 309
6.3.3 微程序操作控制部件设计举例 310
习题 312

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精彩书摘

第3章 总线与主板
　　总线（Bus）是供多个部件分时共享的公共信息传送线路，一个系统的总线结构决定了该计算机系统的数据通路及系统结构。它能简化系统设计、便于组织多家厂家进行专业化大规模生产，降低产品成本、提高产品的性能和质量，便于产品的更新换代、满足不同用户需求以及提高可维修性等，因而得以迅速发展。自1970年美国DEC公司在其PDP-11/20小型计算机上采用Unibus以来，各种标准的、非标准的总线纷纷面世。如今，几乎所有的计算机系统中都采用了总线结构。
　　在微型计算机中，总线以及所连接的部件都安放在主板（Main Board）上。计算机在运行中对于系统内的部件和外部设备的控制都通过主板实现，主板的组成与布局也影响着系统的运行速度、稳定性和可扩展性。
3.1 总线的概念
3.1.1 总线及其规范
　　总线是由导线组成的传输线束，用来作为在计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。
　　共享、分时和规范是总线的3个基本特点。共享是指多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。分时是指同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息。
　　总线是计算机系统模块化的产物，相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上不尽相同，但希望相同的功能部件可以互换使用，这要求各厂家的产品必须遵循一定的规范。这些规范包括如下4个方面。
　　1. 机械规范
　　机械规范又称为物理规范，指总线在机械上的连接方式，如插头与插座所使用的标准，包括接插件尺寸、形状、引脚根数及排列顺序等，以便能正确无误地连接。图3.1为计算机中常用的一些总线接插件。
　　2. 电气规范
　　电气规范指总线的每一根线上信号的传递方向及有效电平范围、动态转换时间、负载能力等。一般规定送入CPU的信号称为输入信号（IN），从CPU发出的信号称为输出信号（OUT）。例如，地址总线是输出线，数据总线是双向传送，这两类信号线都是高电平有效；控制总线一般是单向的，有输出的也有输入的，有高电平有效也有低电平有效。总线的电平都符合TTL电平的定义。例如RS-232C的电气规范规定，用低电平表示逻辑1，并且要求电平低于–3V；用高电平表示逻辑0，并且要求电平高于+4V，通常额定信号电平为–10V～+10V。

图3.1 计算机中常用的一些总线接插件
　　3. 功能规范
　　按功能总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。在控制总线中，各条线的功能也不相同，有CPU发出的各种控制命令（如存储器读写、I/O读写等），也有外设与主机的同步匹配信号，还有中断信号、DMA控制信号等。
　　4. 时间规范
　　时间规范又称为逻辑规范，指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效，通过这种信号有效的时序关系约定，确保了总线操作的正确进行。
3.1.2 总线分类
　　总线应用很广，形态多样，从不同的角度可以有不同的分类方法。下面列举几种。
　　1. 按照总线传递的信号性质分类
　　按照总线传递的信号性质，可将其分为3种。
　　（1）地址总线（Address Bus，AB），用来传递地址信息。
　　（2）数据总线（Data Bus，DB），用来传递数据信息。
　　（3）控制总线（Control Bus，CB），用来传递各种控制信号。
　　2. 按照总线所处的位置分类
　　按照总线所处的位置分为机内总线和机外总线。
　　机内总线分为片内总线和片外总线。片内总线指CPU芯片内部用于在寄存器、ALU以及控制部件之间传输信号的总线；片外总线指CPU芯片之外，用于连接CPU、内存以及I/O设备的总线。
　　机外总线指与外围设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。目前在微型计算机上流行的接口标准有IDE、SCSI、USB和IEEE 1394等。
　　3. 按照总线在系统中连接的主要部件分类
　　按照总线在系统中连接的主要部件，可以将总线分为5种。
　　（1）存储总线：连接存储器。
　　（2）DMA总线：连接DMA控制器。
　　（3）系统总线：连接I/O通道总线和各扩展槽。
　　（4）I/O（设备）总线：连接外部设备控制芯片。
　　（5）局部总线：通常是一种实现高速数据传送的高性能总线，用来在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器/存储器系统之间提供一种内部连接机制。
　　4. 按照总线传输的数据单位分类
　　按照总线传输的数据单位分为串行总线和并行总线。图3.2为两者示意图。
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前言/序言

前??言
（一）
计算机技术是人们倾注了并还在投入更大心血的一个领域，因而使它成为竞争最为激
烈的领域，呈现出日异月殊的领域特征。所以，作为这个领域的一门教材，不应当胶柱鼓
瑟，而必须与时俱进。这是作者在每一版修订时注意到的一个重要方面。从第4版开始增
加了未来计算机展望一章；在第6版的第2章中增加了SDRAM内部操作与性能参数一节；
第7版在第1章中增加了计算机性能评测和天梯图，并对第7章内容进行了部分更新等；
第8版中将原来的I/O控制分为I/O接口与数据交换控制和计算机输入输出设备两章。这些
都是基于这一考虑。
目前，国内已经有一些计算机组成原理的教材，但多数都是面向计算机设计的。本书
则想写成一种面向应用的教材，目的是让学习者能从应用的角度来了解计算机的组成及其
工作原理。
（二）
计算机作为人类历史上一种最伟大的工具，是全世界智慧的结晶，其中包含了中华民
族历史和现代的巨大贡献。让学习者了解这些事实，不仅是为了还原历史的真实，还在于
这些事实折射出来的逻辑思维精华，有启迪思维、激励创新、增强自信的效能。这是我写
这本书时一直坚持的一种思路。
本书作为一种教材，希望能做到既好教又好学，为此，除在修辞上进行了一些修改外，
还在结构上进行了一些调整。
（三）
计算机俗称电脑，顾名思义，就是一种模拟人大脑的机器。模拟可以从两个方面进行：
结构模拟和功能模拟。现在要用计算机从结构模拟的角度模拟人脑还有许多问题没有解决，
只能从功能模拟的角度进行，即由一些功能部件来模拟人脑的功能。所以，“计算机组成原
理”作为计算机科学与技术及其相关专业的一门必修核心课程，对于它的学习应当从这里
开始，建立计算机的组成部件与人的大脑功能之间的联系开始，然后再对它们的工作过程
加以区别。这是作者供初学者共享的一点心得。
（四）
在这次修订中，参考了其他一些著作和网络作品。尽管本人尽力将它们对本书的贡献
在参考文献中一一列出，但由于有些资料（特别是网站资料）出处不明或是佚名作者，因
而疏漏之处在所难免。在此，谨向为本书提供了帮助的各位作者深表谢意，并向在参考文
献中没有列出的文章作者表示歉意。同时，还要感谢在这次修订中参加了部分写作工作的
赵忠孝、姚威、张展为、史林娟、戴璐、张友明、张秋菊、陈觉。
本书的修订仍不会画上句号。本人诚恳地希望阅读过本书的专家、老师和学生能无保
留地提出批评意见和看法，帮助本人把这本书修订得更好。

张基温
2017年11月于羊城小海之畔




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