計算機組成與體係結構（第3版）——基本原理、設計技術與工程實現（21世紀大學本科計算機專業係列教材） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

　　本書主要提供“計算機組成和體係結構”課程的教學內容，包括計算機組成的原理知識，計算機硬件的設計技術，以及簡單的實例計算機係統的工程實現，重點強調計算機硬件係統的組成原理、設計技術、工程實現三個方麵的內容。作為計算機硬件課程的教材，本書涉及數字電路基礎與邏輯設計基礎知識、完整的計算機組成原理知識與設計實現技術、計算機係統結構的基礎知識和概念等三門課程的有關內容，期望在有限的學時範圍內，初步學習到計算機專業關鍵的三門硬件類課程的基本知識，強調所學知識的係統性和實用程度，強調培養學生的開創意識和實際工作能力。

　　? 本版的書名增加瞭“基本原理、設計技術與工程實現”的副標題，特意指齣書中提供三類不同性質的教學內容。*一類內容是計算機組成原理與運行機製的核心知識，屬於學生一定要掌握的原理性基礎知識，在絕大多數同類教材中都會重點講解；*二類內容是計算機硬件係統的基本設計技術，多數同類教材中講解不多也欠具體應用實例；*三類內容是計算機硬件係統的入門性工程實現問題，其他教材中較少涉及，在這一版本的教材中對上述三類內容都有適度的講解。

　　? 本版增加瞭計算機係統的工程實現的內容，又對計算機硬件設計技術的內容進行瞭重點修訂，在對有關設計技術進行必要講解之後，還要進一步給齣描述計算各功能部件的組成與功能、使用與控製的ABEL-HDL程序的部分源碼，這個程序的結構與實現功能容易讀懂，更能方便地實現擴展新的指令和添加新的係統功能。

　　? 計算機各個功能部件的組成、運行原理和控製使用是課程教學的重點內容，在本版教材中，在強調講清基本原理和基礎概念的基礎上，還要提供組成簡單、能夠實用的功能部件實例，*終還可以使用這些部件實例構建成能夠正常運行的教學計算機係統，而這些設計實現的主要工作將交由學生以教學實驗的方式來完成，這對培養學生承擔實際工作的能力和大有益處，比較充分地體現齣作者在主持建設“計算機組成原理”國傢精品課程的教學理念。

　　? 在教材中強調把指令格式選擇和指令係統設計、機器語言和匯編語言編程作為重點教學內容之一，為此需要提供使用這套指令係統設計完成的實例計算機係統的監控程序，從而使計算機組成原理課程教學擺脫瞭硬軟件完全分割的局麵，有利於加深學生對計算機整機係統的正確理解，這在其他同類教材中是很少見到的。

內容簡介

本書包括數字電路基礎（先修部分）、計算機組成（主體部分）、計算機體係結構（提高部分）3部分內容，共13章，重點講解計算機係統的完整組成和提高性能的可行途徑。作為硬件課程教材，兼顧到計算機科學與技術專業中偏工程技術方嚮、偏軟件方嚮的本科生，也可用於軟件學院和計算機應用方嚮的學生。

作者簡介

宋佳興，請華大學計算機科學與技術係副研究員，博士。主要研究方嚮為計算機網絡、分布式信息係統等。在相關領域承擔多項科研項目，發錶論文20餘篇，獲省部級科技進步奬2項。是清華大學國傢精品課“計算機組成原理”課程主要成員，獲省部級教學成果奬1項。主講數據庫技術及應用、計算機組成與係統結構課程。
王誠，多年在清華大學計算機係教學和科研第一綫工作，齣版瞭十餘本書，教學取得優異業績，科研工作也有十餘項重要成果。在長達十七、八年的教學過程中，重點主講“計算機組成原理”、“計算機組成與體係結構”等課程，計算機組成原理課被評為國傢、北京市、清華大學三個級彆的精品課程，獲北京市高教教學成果一等奬。齣版多本主教材和實驗指導書，其中有2本被評為北京市精品教材，進入國傢ji“十五”和“十一五”規劃教材。開發研製瞭教學硬件實驗設備及其軟件模擬係統，製作瞭教學課件，在全國有較大影響。

目錄

CONTENTS
第1章計算機係統概述1
1.1計算機係統的基本組成及其層次結構1
1.2計算機硬件的5個功能部件及其功能4
1.3計算機係統主要的技術與性能指標7
1.4計算機的體係結構、組成和實現概述9
1.5計算機發展進步、分類和拓展應用的進程12
本章內容小結和學習方法建議15
習題與思考題15
第2章數字電路基礎和常用器件17
2.1數字電路的基本元件17
2.1.1晶體二極管與三極管17
2.1.2應用案例19
2.2數字電路基礎及其相關處理方法20
2.2.13種基本邏輯關係20
2.2.2邏輯函數及其描述方法23
2.2.3邏輯函數的特性、規則與應用24
2.3組閤邏輯電路及時序邏輯電路25
2.3.1常用邏輯門器件26
2.3.2時序邏輯電路29
2.3.3存儲器芯片簡介31
2.3.4幾個專用功能器件和存儲器芯片的引腳圖32
2.4現場可編程邏輯器件及其應用34
2.4.1現場可編程器件概述34
2.4.2CPLD和FPGA的編程與應用37
本章內容小結和學習方法建議37
習題與思考題37
第3章數據錶示、運算算法和綫路實現39
3.1數字化信息編碼的概念和二進製編碼知識39
3.1.1數字化信息編碼的概念39
3.1.2二進製編碼和碼製轉換40
3.1.3檢錯糾錯碼45
3.2數據錶示50
3.2.1邏輯類型數據的錶示50
3.2.2字符類型數據的錶示50
3.2.3多媒體信息編碼53
3.2.4數值類型數據的錶示55
3.3二進製數值數據的編碼方案與運算算法60
3.3.1原碼、反碼、補碼的定義60
3.3.2補碼加、減運算規則和電路實現65
3.3.3原碼一位乘法、除法的實現方案66
3.3.4實現乘法、除法的其他方案71
本章內容小結和學習方法建議76
習題與思考題77
目錄計算機組成與體係結構（第3版）第4章運算器部件79
4.1算術邏輯運算單元的功能設計與綫路實現79
4.2定點運算器81
4.2.1定點運算器部件的功能、組成與控製概述81
4.2.2設計實現一個簡單的原理性8位運算器模型82
4.2.3運算器芯片Am2901實例與使用86
4.2.4MIPS多指令周期CPU係統的運算器的組成及其功能90
4.3浮點運算和浮點運算器92
4.3.1浮點數的運算規則92
4.3.2浮點運算器舉例96
本章內容小結和學習方法建議98
習題與思考題99
第5章指令係統和匯編語言程序設計102
5.1指令格式和指令係統概述102
5.1.1指令的定義和指令格式102
5.1.2操作碼的組織與編碼103
5.1.3有關操作數的類型、個數、來源、去嚮和地址安排104
5.1.4指令的分類105
5.1.5指令周期及其對計算機性能和硬件結構的影響106
5.2基本尋址方式概述108
5.3指令係統舉例111
5.3.1Pentium Ⅱ計算機的指令係統111
5.3.2MIPS32計算機的指令係統113
5.3.3PDP��11計算機的指令係統114
5.3.4教學計算機的指令係統116
5.4教學計算機的匯編語言程序設計120
5.4.1匯編語言及其程序設計中的有關概念120
5.4.2教學計算機的匯編程序設計舉例121
本章內容小結和學習方法建議127
習題與思考題127
第6章控製器部件130
6.1控製器的功能與組成概述130
6.2硬布綫控製器132
6.2.1硬布綫控製器的組成和運行原理簡介132
6.2.2MIPS32計算機的控製器簡介133
6.2.3TEC_XP_Ⅱ教學計算機的硬布綫控製器的設計與實現139
6.3微程序控製器部件149
6.3.1微程序控製器的基本組成和運行原理150
6.3.2微程序設計中的下地址形成邏輯和微程序設計152
6.3.3TEC�瞂P�並蚪萄Ъ撲慊�的微程序控製器的設計與實現155
本章內容小結和學習方法建議161
習題與思考題162
第7章多級結構存儲器係統和主存儲器166
7.1存儲器係統概述166
7.1.1存儲器分類166
7.1.2存儲器係統目標167
7.1.3多級結構存儲器係統169
7.2主存儲器170
7.2.1主存儲器概述170
7.2.2動態存儲器的存儲原理172
7.2.3靜態存儲器的存儲原理173
7.2.4存儲器容量擴展174
7.3教學計算機的主存儲器實例176
7.4提高主存儲器性能的途徑179
本章內容小結和學習方法建議181
習題與思考題181
第8章高速緩衝存儲器和虛擬存儲器183
8.1高速緩衝存儲器183
8.1.1Cache的運行原理183
8.1.2Cache的3種映像方式185
8.1.3Cache實用中的問題187
8.2虛擬存儲器190
8.2.1虛擬存儲器的概念介紹190
8.2.2段式存儲管理190
8.2.3頁式存儲管理191
本章內容小結和學習方法建議193
習題與思考題193
第9章外部存儲器設備196
9.1外存設備概述196
9.1.1主要技術指標196
9.1.2磁記錄原理與記錄方式197
9.2磁盤設備199
9.2.1磁記錄介質199
9.2.2磁盤驅動器200
9.2.3磁盤控製器201
9.3磁盤陣列202
9.4光盤設備205
9.4.1隻讀光盤205
9.4.2可刻光盤206
9.4.3可擦寫光盤208
9.4.4DVD208
9.4.5Blu�睷ay209
本章內容小結和學習方法建議209
習題與思考題209
第10章輸入輸齣設備210
10.1輸入輸齣設備概述210
10.2常用的輸入設備211
10.3常用的輸齣設備212
10.3.1點陣式輸齣設備基本原理212
10.3.2顯示器的組成和運行原理214
10.3.3打印機的組成和運行原理217
10.3.4計算機終端221
本章內容小結和學習方法建議221
習題與思考題222
第11章輸入輸齣係統223
11.1計算機輸入輸齣係統概述223
11.2計算機總綫224
11.2.1總綫概述224
11.2.2總綫結構226
11.2.3總綫寬度227
11.2.4總綫時鍾228
11.2.5總綫仲裁230
11.2.6總綫舉例232
11.3輸入輸齣接口238
11.3.1輸入輸齣接口的功能238
11.3.2通用可編程接口組成239
11.3.3輸入輸齣接口舉例239
11.4輸入輸齣方式242
11.4.1程序直接控製方式242
11.4.2程序中斷傳送方式243
11.4.3直接存儲器訪問方式245
11.4.4I/O通道控製方式247
11.4.5外圍處理機方式247
本章內容小結和學習方法建議247
習題與思考題248
第12章流水綫技術250
12.1流水綫的基本概念250
12.1.1流水綫的概念250
12.1.2流水綫的錶示方法252
12.1.3流水綫的特點253
12.1.4流水綫的分類方法254
12.2流水綫的性能指標257
12.2.1流水綫的吞吐率257
12.2.2流水綫的加速比260
12.2.3流水綫的效率260
12.2.4流水綫的最佳段數261
12.3DLX指令集與DLX流水綫261
12.3.1DLX指令集結構介紹261
12.3.2DLX的一種簡單實現266
12.3.3DLX流水綫的實現原理268
12.4流水綫中的相關問題271
12.4.1結構相關271
12.4.2數據相關273
12.4.3控製相關279
12.5指令級並行技術284
12.5.1基本概念284
12.5.2多指令發射技術284
本章內容小結和學習方法建議287
習題與思考題288
第13章並行計算機體係結構289
13.1計算機體係結構概述289
13.1.1計算機體係結構的發展289
13.1.2計算機體係結構的分類290
13.1.3並行計算機體係結構分類292
13.2並行計算機係統的設計問題293
13.2.1並行計算機係統的互聯網絡293
13.2.2並行計算機係統的性能問題298
13.2.3並行計算機係統的軟件問題300
13.3SIMD計算機簡介301
13.3.1陣列處理機301
13.3.2嚮量處理機302
13.4共享內存的多處理機係統304
13.4.1一緻性內存訪問的UMA多處理機係統305
13.4.2非一緻性內存訪問的NUMA多處理機係統310
13.4.3基於Cache內存訪問的COMA多處理機係統312
13.5基於消息傳遞的多計算機係統312
13.5.1大規模並行處理機314
13.5.2工作站集群315
本章內容小結和學習方法建議315
習題與思考題316
參考文獻317

精彩書摘

　　第3章數據錶示、運算算法和綫路實現運算器最重要的功能是加工數據,為此必須很好地掌握各種基本類型的數據及其在計算機內的錶示和存儲方式,以及完成運算所用的算法和實現這些算法所用的原理性電路。這些內容又以數字化信息編碼、布爾代數、數字電路與邏輯設計為基礎。布爾代數、數字電路與數字邏輯設計在本教材第2章進行瞭簡要介紹。因此,本章將從數字化信息編碼講起,引齣二進製編碼,數製轉換,插入部分檢錯糾錯碼知識;接下來介紹各種基本類型數據的錶示;數值數據算術運算的有關方法。

　　二進製編碼,數製轉換,定點小數和整數的原碼、反碼、補碼錶示是本章的核心重點內容。

　　檢錯糾錯碼概念,講到的兩種常用的檢錯、糾錯碼的實現原理應較好理解,而對它們所用的具體綫路簡單瞭解即可。

　　應該掌握定點小數、整數、浮點數在計算機內的錶示,補碼加減法的運算規則,原碼一位乘除法的原理性算法和完成算術運算用到的原理性邏輯綫路。補碼乘除法、加速乘除運算的可行方案簡單瞭解即可。

　　本章作業較多,對深入理解所學知識和比較熟練地完成必要的計算很有必要,也是更好地學習運算器知識的基礎,應認真完成。

　　3.1數字化信息編碼的概念和二進製編碼知識[*2]3.1.1數字化信息編碼的概念計算機最重要的功能是處理信息,如數值、文字、符號、語音、圖形和圖像等。在計算機內部,各種信息都必須采用數字化的形式被保存、加工與傳送。掌握信息編碼的概念和技術是至關重要的。

　　所謂編碼,就是用少量、簡單的基本符號,選用一定的組閤規則,以錶示大量復雜多樣的信息。基本符號的種類和這些符號的組閤規則構成編碼的兩大要素。例如,用10個阿拉伯數字錶示數值,用26個英文字母構成英文詞匯,就是現實生活中編碼的典型例子。

　　當要使用的基本符號數量較多時,往往還要采取措施,以便首先使用更少量的簡單符號來編碼以錶示那些量大而復雜的基本符號,再用這些基本符號來錶示信息,這就構成瞭多重編碼。多重編碼的典型例子是漢字編碼,若把上萬個漢字都作為基本符號就太多瞭,可以首先用筆形字畫、偏旁部首、拼音或其他方式對其進行編碼,以解決漢字輸入問題。

　　在計算機中,廣泛采用的是僅用0和1兩個基本符號組成的基二碼,亦稱為二進製碼。主要有以下3個方麵的原因。

　　(1)基二碼在物理上最容易實現,即容易找到具有兩個穩定狀態且能方便地控製狀態轉換的物理器件;可以用兩個狀態分彆錶示基本符號0和1。

　　(2)用基二碼錶示的二進製數,其編碼、計數和算術運算規則簡單,容易用數字電路實現,為提高計算機的運算速度和降低實現成本奠定瞭基礎。

　　(3)基二碼的兩個基本符號0和1能方便地與邏輯命題的“否”和“是”,或稱“假”和“真”相對應,為計算機中的邏輯運算和程序中的邏輯判斷提供瞭便利條件。

　　計算機中的各種類型的數據,通常都是用二進製編碼形式來錶示、存儲、處理和傳送的。

　　數據錶示、運算算法和綫路實現第3章計算機組成與體係結構（第3版）3.1.2二進製編碼和碼製轉換1.數製與進位計數法在采用進位計數的數字係統中,如果隻用r個基本符號(例如0,1,2,…,r-1),通過排列起來的符號串錶示數值,則稱其為基r數製(Radix�瞨NumberSystem),r被稱為該數製的基(Radix)。假定用m+k個自左嚮右排列的符號Ｄi（－k≤i≤m-1）錶示數值N,即N=Dm-1Dm-2…D1D0D-1D-2…D-k（3.1）式中的Di（-k≤i≤m-1）為該數製采用的基本符號,可取值0,1,2,…,r-1,小數點位置隱含在D0與D-1位之間,則Dm-1…D0為N的整數部分,D-1…D-k為N的小數部分。

　　如果每個Di的單位值都賦以固定的值Wi,則稱Wi為該位的權(Weight),此時的數製稱為有權的基r數製(WeightedRadix�瞨NumberSystem)。此時N代錶的實際值可錶示為N=∑m-1i=-kDi×Wi（3.2）如果該數製編碼還符閤“逢r進位”的規則,則每位的權(簡稱位權)可錶示為Wi=ri式中的r是數製的基,i是位序號。式3.2又可以寫為N=∑m-1i=-kDi×ri(3.3)式中的符號:

　　r——是這個數製的基;

　　i——錶示這些符號的排列次序,即位序號;

　　Di——是位序號為i的一位上的符號;

　　ri——是第i位上的一個1所代錶的值（位權）;

　　Di×ri——是第i位上的符號所代錶的實際值;

　　∑——錶示對m+k位的各位的實際值執行纍加求和;

　　N——代錶一個數值。

　　此時該數製被稱為r進位數製(PositionalRadix�瞨NumberSystem),簡稱r進製。下麵是計算機中常用的幾種進位數製:

　　二進製r=2,基本符號0,1

　　八進製r=8,基本符號0,1,2,3,4,5,6,7

　　十六進製r=16,基本符號0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F

　　其中A～F分彆錶示十進製數10,11,12,13,14,15

　　十進製r=10,基本符號0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

　　如果每一數位都具有相同的基,即采用同樣的基本符號集來錶示,則稱該數製為固定基數製(FixedRadixNumberSystem),這是計算機內普遍采用的方案。在個彆應用中,也允許對不同的數位或位段選用不同的基,即混閤采用不同的基本符號集來錶示,則該數製被稱為混閤基數製(MixedRadixNumberSystem)。

　　2.二進製編碼和二進製數據

　　二進製編碼是計算機內使用最多的碼製。它隻使用兩個基本符號0和1,並且通過由這兩個符號組成的符號串來錶示各種信息（各種類型的數據）。二進製的數值類型的數據亦是如此,計算其所代錶的數值的運算規則是N=∑m-1i=-kDi×2iDi的取值為0或1（3.4）例如(1101.0101)2=(13.3125)10。

　　等號左右兩邊括號內的數字為兩個不同進製的數字,括號右下角的2和10分彆指明左右兩邊的數字為二進製和十進製的數。按式(3.4),計算二進製數1101.0101的實際值為1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2+0×2-3+1×2-4

　　=8+4+1+0.25+0.0625=13.3125從式中可以進一步看到,由於二進製隻用0和1兩個符號,在計算二進製位串所代錶的實際值時,隻需把符號為1的那些位的位權相加即可,則上式變為:23+22+20+2-2+2-4=13.3125熟練地記清二進製數每位上的位權是有益的

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