计算机组织与系统结构

  《计算机组织与系统结构》是为应用型本科计算机科学与技术专业及相关专业编写的教材。根据“21世纪高等院校规划教材”的编写原则和指导思想，书中的内容及组织方法直接面向应用型本科院校人才培养目标和培养模式。

“计算机组织与系统结构”是高等学校相关专业中理论性强且又与实际结合密切的一门课程，内容宽泛，基本概念多，较为抽象，初学者会觉得难度较大。本书根据作者多年的经验，吸取了众多优秀教材尤其是国外最新教材的精华，组织了书中的基本内容。全书内容由浅入深，从简单的系统概念引入，使读者能够初步建立起整机系统的概念，进而详细剖析各个组成部分，最后又形成完整的体系结构。内容充实、概念清晰、重点突出、语言简洁，每章之后均附有习题，便于教学与自学。

  全书共分8章，内容涉及计算机组成和计算机体系结构。第1章对计算机系统的组成及常用概念进行阐述，为后续章节的学习打下基础；第2章对计算机指令系统与汇编语言、基本的计算机组成、总线结构、时钟与指令周期、CPU的组成、存储器系统组成与接口、输入/输出系统及接口等作了进一步介绍并给出了一个简单的计算机模型，给读者建立起一个计算机系统的整体概念；第3章重点介绍计算机中数值数据的表示方法以及如何用硬件实现数值运算；第4章主要讲述存储器的基本概念、计算机中的存储器系统、半导体存储器的基本原理及内存储器的扩展，以及高速缓冲存储器和虚拟存储器的原理与应用；第5章介绍指令系统的功能分类、指令的格式、寻址方式、指令的执行过程和指令的执行方式；第6章重点介绍控制器的工作原理、时序的概念、控制器的实现方式；第7章对计算机各大组成部分进行了详细分析与论述，使读者在系统的概念上对计算机各部分的工作机理进行详细的学习与研究，有的小节还给出了一些实例加以对照；第8章又一次给出了系统的概念，读者能够在详细研究了计算机组成的各部分原理的基础上，在更高的层面上对系统进行认识，同时介绍了当今计算机界对计算机体系结构的最新研究结果。

  本书针对应用型本科的特点组织编写，内容立足于计算机专业，兼顾非计算机专业，注重先进性、实用性，以教授基础知识和基本技能为主，但不忽视基本理论，既有一定的知识深度，又突出实用技能，并跟踪最新技术。

  本书由季福坤主编，荆淑霞、杨彬任副主编。各章主要编写人员分工如下：第1章至第3章由杨彬编写，第4章和第5章由荆淑霞编写，第6章、第8章由季福坤编写，第7章由曲凤娟编写。另外参加本书编写的还有安志远、杨立、邓振杰、苏英如、张景峰、韩煜、王振夺、康宏、刘剑、刘静、刘一霖、胡斌等，全书由季福坤统稿。

  在本书的编写过程中，编者参考了很多相关书籍和大量的技术资料，采用了一些内容，对此在参考文献及相关章节的标注中给出了说明。我们是在吸取了很多同仁的宝贵经验的基础上完成的该书稿，在此表示感谢。

  在本书的编写过程中，作者尽可能地作了一些探索，尤其是在方便教师处理教材和讲授等方面，而且力求反映计算机科学的最新技术。但由于时间仓促及作者的水平所限，加之计算机技术发展日新月异，书中错误和不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。作者E-mail：jifk_1108@sina.com或jifk@nciae.edu.cn

 

序
前言
第1章  计算机系统概论 1
本章学习目标 1
1.1  电子计算机与存储程序控制 1
1.1.1  存储程序概念 1
1.1.2  计算机的硬件组成 2
1.2  计算机系统 6
1.2.1  计算机软件基本概念 6
1.2.2  计算机系统的多层次结构 9
1.3  计算机的工作过程与性能 10
1.3.1  计算机的工作过程 10
1.3.2  计算机系统的性能评价 11
1.4  计算机系统结构 12
1.4.1  系统结构概念 12
1.4.2  计算机组成和系统结构 13
1.4.3  大中型计算机系统的典型结构 13
习题 14
第2章  计算机体系结构 15
本章学习目标 15
2.1  计算机指令系统与汇编语言 15
2.1.1  计算机指令与汇编语言 15
2.1.2  指令系统初步 16
2.2  基本的计算机组成 18
2.2.1  总线结构 18
2.2.2  计算机的时钟与指令周期 19
2.3  CPU的组成 21
2.4  存储器组成系统与接口 23
2.4.1  半导体存储器芯片的内部组成 25
2.4.2  存储器子系统的配置 26
2.4.3  多字节数据的组成 27
2.5  输入/输出系统及接口电路 28
2.6  一个简单的计算机模型 31
2.7  基于Intel 8086/8088的计算机系统 33
习题 35
第3章  计算机中的数值运算与运算器 36
本章学习目标 36
3.1  数值数据的表示 36
3.1.1  机器数和真值 36
3.1.2  原码表示法 37
3.1.3  补码表示法 38
3.1.4  反码表示法 39
3.1.5  三种码制的比较与转换 40
3.2  数的定点表示与浮点表示 41
3.2.1  定点表示法 41
3.2.2  浮点表示法 43
3.2.3  浮点数阶码的移码表示法 44
3.2.4  实用浮点数举例 45
3.3  数值运算 46
3.3.1  定点四则运算 46
3.3.2  浮点四则运算 53
3.4  算术逻辑运算单元ALU 57
3.4.1  ALU电路 58
3.4.2  加法器与进位链电路 61
习题 65
第4章  计算机的存储系统 66
本章学习目标 66
4.1  存储器概述 66
4.1.1  存储器的作用 66
4.1.2  存储器分类 67
4.1.3  存储器的层次结构 69
4.2  半导体存储器 70
4.2.1  半导体存储器的性能指标及分类方法 70
4.2.2  随机存取存储器 71
4.2.3  DRAM的刷新 75
4.2.4  只读存储器 77
4.3  主存储器与CPU的连接 80
4.3.1  主存容量扩展 80
4.3.2  存储器地址与片选信号 82
4.3.3  存储器与CPU的连接 84
4.4  双端口存储器和并行存储器 87
4.4.1  双端口存储器 87
4.4.2  并行主存储器 87
4.5  高速缓冲存储器 90
4.5.1  高速缓冲存储器的工作原理 90
4.5.2  地址映像与变换方法 92
4.5.3  替换策略 97
4.5.4  Cache的写操作策略 99
4.6  虚拟存储器 100
4.6.1  虚拟存储器的基本概念 100
4.6.2  页式虚拟存储器 101
4.6.3  段式虚拟存储器 103
4.6.4  段页式虚拟存储器 104
4.7  辅助存储器 106
4.7.1  概述 106
4.7.2  硬磁盘存储器 108
4.7.3  软磁盘存储器 111
4.7.4  光盘存储器 112
4.8  磁盘阵列（RAID）技术 114
4.9  闪速存储器 115
4.9.1  概述 115
4.9.2  闪速存储器的结构及工作原理 116
4.9.3  闪存的应用 117
习题 117
第5章  指令系统 119
本章学习目标 119
5.1  指令系统的发展与性能要求 119
5.1.1  指令系统的发展 119
5.1.2  对指令系统的性能的要求 120
5.2  基本概念 120
5.2.1  基本概念 120
5.2.2  机器指令的基本格式 121
5.3  寻址方式 122
5.3.1  编址方式 122
5.3.2  寻址方式 123
5.4  堆栈与堆栈操作 127
5.4.1  堆栈结构 127
5.4.2  堆栈的应用 128
5.5  指令类型 128
5.5.1  数据传送类指令 129
5.5.2  运算类指令 129
5.5.3  程序控制类指令 131
5.5.4  字符串处理指令 134
5.5.5  输入/输出类指令 134
5.6  指令执行过程和方式 134
5.6.1  指令执行的基本过程 134
5.6.2  指令执行方式 136
习题 139
第6章  控制器 141
本章学习目标 141
6.1  控制器概述 141
6.1.1  控制器的基本组成 141
6.1.2  控制器的实现 143
6.2  组合逻辑控制与时序系统 144
6.2.1  指令周期 144
6.2.2  指令的微操作序列 146
6.2.3  时序发生器与控制方式 148
6.2.4  组合逻辑控制器 151
6.3  微程序控制器 159
6.3.1  微程序控制的基本概念 159
6.3.2  微指令编码法 161
6.3.3  微程序控制器的组成与工作原理 162
6.3.4  微程序设计与执行 165
6.4  并行处理CPU与流水线技术 167
6.4.1  并行处理技术 167
6.4.2  流水线技术 168
6.5  精简指令系统计算机RISC 171
6.5.1  从CISC到RISC 171
6.5.2  RISC的主要特征 172
6.6  Intel Pentium CPU 173
6.6.1  Pentium 简介 173
6.6.2  Pentium处理器的结构及其特点 176
习题 178
第7章  外部设备与输入/输出系统 181
本章学习目标 181
7.1  外部设备概述 181
7.1.1  外部设备的分类 181
7.1.2  外部设备的地位和作用 182
7.2  主机与外设的连接 183
7.2.1  输入/输出接口 183
7.2.2  外设的识别与端口寻址 184
7.2.3  输入/输出控制方式 185
7.3  程序查询方式及接口 186
7.3.1  程序查询方式 186
7.3.2  程序查询方式接口 186
7.3.3  程序查询输入/输出方式 187
7.4  中断控制方式 188
7.4.1  中断的基本概念 188
7.4.2  中断判优 190
7.4.3  中断响应 192
7.4.4  中断处理和返回 193
7.4.5  多重中断与中断屏蔽 193
7.5  DMA方式 194
7.5.1  DMA方式的基本概念 194
7.5.2  DMA接口 195
7.5.3  DMA传送方法与传送过程 197
7.5.4  基本的DMA控制器 198
7.6  通道控制方式 199
7.6.1  通道的基本概念 199
7.6.2  通道的类型与结构 200
7.6.3  通道程序及工作过程 202
7.7  系统总线及结构 204
7.7.1  总线的接口及数据传输模式 204
7.7.2  常用的总线标准 207
习题 210
第8章  计算机系统结构的发展趋势 211
本章学习目标 211
8.1  概论 211
8.2  多处理机系统 212
8.2.1  多处理机系统的特点与分类 212
8.2.2  多处理机系统的Cache一致性问题 215
8.3  机群系统 216
8.3.1  机群系统的特点 216
8.3.2  机群系统的关键技术 217
8.4  网格计算技术 218
8.4.1  网格概论 218
8.4.2  网格的发展 220
8.4.3  网格研究现状 221
8.4.4  网格相关组织 224
8.4.5  网格展望 224
8.5  计算机体系结构的研究 225
8.5.1  SoC-芯片上的系统 225
8.5.2  高生产率计算机 227
8.5.3  Intel 公司的新产品与技术 229
习题 231
参考文献 232

1. 计算机系统结构 [刘超 主编]