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《计算机组织与体系结构》**讲授计算机单处理机系统的组成和工作原理。在此基础上,扩展讲授并行计算机的体系结构。书中内容分为13章:(1)计算机系统概论;(2)运算方法和运算器;(3)内部存储器;(4)指令系统;(5)**处理机;(6)总线系统;(7)外围设备;(8)输入/输出系统;(9)操作系统支持;(10)安腾高性能处理机体系结构;(11)并行体系结构; (12)教学实验设计;(13)课程综合设计。在附录A中介绍了配套光盘与教学设备。
《计算机组织与体系结构》是作者对“计算机组织与体系结构”课程体系、教学内容、教学方法、教学手段进行综合改革的具体成果。
《计算机组织与体系结构》特色:基础性、时代性、系统性、实践性、实用性、启发性融为一体,文字教材、多媒体CAI软件、教学课件、习题答案库、自测试题库、教学仪器、实验设计、课程设计综合配套,形成“理论、实验、设计”三个过程相统一的立体化教学体系。《计算机组织与体系结构》文字流畅、通俗易懂,有广泛的适应面,可作为高等学校计算机系的教材,也可作为成人自学考试和全国计算机等级考试NCRE(四级)用书。

第1章 计算机系统概论
1.1 计算机的分类
1.2 计算机的发展简史
1.2.1 计算机的五代变化
1.2.2 半导体存储器的发展
1.2.3 微处理器的发展
1.2.4 计算机的性能指标
1.3 计算机的硬件
1.3.1 硬件组成要素
1.3.2 运算器
1.3.3 存储器
1.3.4 控制器
1.3.5 适配器与输入输出设备
1.4 计算机的软件
1.4.1 软件的组成与分类
1.4.2 软件的发展演变
1.5 计算机系统的层次结构
1.5.1 多级组成的计算机系统
1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性
1.5.3 三个常用术语的物理概念
1.5.4 计算机体系结构的分类
本章小结
习题

第2章 运算方法和运算器
2.1 数据与文字的表示方法
2.1.1 数据格式
2.1.2 数的机器码表示
2.1.3 字符与字符串的表示方法
2.1.4 汉字的表示方法
2.1.5 校验码
2.2 定点加法、减法运算
2.2.1 补码加法
2.2.2 补码减法
2.2.3 溢出概念与检测方法
2.2.4 基本的二进制加法减法器
2.3 定点乘法运算
2.3.1 原码并行乘法
2.3.2 直接补码并行乘法
2.4 定点除法运算
2.4.1 原码除法算法原理
2.4.2 并行除法器
2.5 定点运算器的组成
2.5.1 逻辑运算
2.5.2 多功能算术逻辑运算单元
2.5.3 内部总线
2.5.4 定点运算器的基本结构
2.6 浮点运算方法和浮点运算器
2.6.1 浮点加法、减法运算
2.6.2 浮点乘法、除法运算
2.6.3 浮点运算流水线
2.6.4 浮点运算器实例
本章小结
习题

第3章 内部存储器
3.1 存储器概述
3.1.1 存储器的分类
3.1.2 存储器的分级
3.1.3 主存储器的技术指标
3.2 SRAM存储器
3.2.1 基本的静态存储元阵列
3.2.2 基本的SRAM逻辑结构
3.2.3 读写周期波形图
3.3 DRAM存储器
3.3.1 DRAM存储元的记忆原理
3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构
3.3.3 读写周期、刷新周期
3.3.4 存储器容量的扩充
3.3.5 **的DRAM结构
3.3.6 DRAM主存读写的正确性校验
3.4 只读存储器和闪速存储器
3.4.1 只读存储器ROM
3.4.2 FLASH存储器
3.5 并行存储器
3.5.1 双端口存储器
3.5.2 多模块交叉存储器
3.6 cache存储器
3.6.1 cache基本原理
3.6.2 主存与cache的地址映射
3.6.3 替换策略
3.6.4 cache的写操作策略
3.6.5 Pentium4的cache组织
本章小结
习题

第4章 指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
4.1.2 对指令系统性能的要求
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
4.2 指令格式
4.2.1 操作码
4.2.2 地址码
4.2.3 指令字长度
4.2.4 指令助记符
4.2.5 指令格式举例
4.3 操作数类型
4.3.1 一般的数据类型
4.3.2 Pentium数据类型
4.3.3 PowerPC数据类型
4.4 指令和数据的寻址方式
4.4.1 指令的寻址方式
4.4.2 操作数基本寻址方式
4.4.3 寻址方式举例
4.5 典型指令
4.5.1 指令的分类
4.5.2 基本指令系统的操作
4.5.3 精简指令系统
本章小结
习题

第5章 **处理机
5.1 CPU的功能和组成
5.1.1 CPU的功能
5.1.2 CPU的基本组成
5.1.3 CPU中的主要寄存器
5.1.4 操作控制器与时序产生器
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念
5.2.2 MOV指令的指令周期
5.2.3 LAD指令的指令周期
5.2.4 ADD指令的指令周期
5.2.5 STO指令的指令周期/
5.2.6 JMP指令的指令周期
5.2.7 用方框图语言表示指令周期
5.3 时序产生器和控制方式
5.3.1 时序信号的作用和体制
5.3.2 时序信号产生器
5.3.3 控制方式
5.4 微程序控制器
5.4.1 微程序控制原理
5.4.2 微程序设计技术
5.5 硬连线控制器
5.6 传统CPU
5.6.1 Intel8088CPU
5.6.2 IBM370系列CPU
5.7 流水CPU
5.7.1 流水CPU的结构
5.7.2 流水线中的主要问题
5.7.3 奔腾CPU
5.8 RISCCPU
5.8.1 RISCCPU的特点
5.8.2 RISCCPU实例
5.9 多媒体CPU
5.9.1 多媒体技术的主要问题
5.9.2 MMX技术
本章小结
习题

第6章 总线系统
6.1 总线的概念和结构形态
6.1.1 总线的基本概念
6.1.2 总线的连接方式
6.1.3 总线的内部结构
6.2 总线接口
6.2.1 信息传送方式
6.2.2 总线接口的基本概念
6.3 总线的仲裁
6.3.1 集中式仲裁
6.3.2 分布式仲裁
6.4 总线的定时和数据传送模式
6.4.1 总线的定时
6.4.2 总线数据传送模式
6.5 HOST总线和PCI总线
6.5.1 多总线结构
6.5.2 PCI总线信号
6.5.3 总线周期类型
6.5.4 总线周期操作
6.5.5 总线仲裁
6.6 InfiniBand标准
6.6.1 InfiniBand的体系结构
6.6.2 InfiniBand的通信协议
本章小结
习题

第7章 外围设备
7.1 外围设备概述
7.1.1 外围设备的一般功能
7.1.2 外围设备的分类
7.2 磁盘存储没备
7.2.1 磁记录原理
7.2.2 磁盘的组成和分类
7.2.3 磁盘驱动器和控制器
7.2.4 磁盘上信息的分布
7.2.5 磁盘存储器的技术指标
7.3 磁盘存储设备的技术发展
7.3.1 磁盘cache
7.3.2 磁盘阵列RAID
7.3.3 可移动存储设备
7.4 磁带存储设备
7.5 光盘和磁光盘存储设备
7.5.1 光盘存储设备
7.5.2 磁光盘存储设备
7.6 显示设备
7.6.1 显示设备的分类与有关概念
7.6.2 字符罔形显示器
7.6.3 图像显示设备
7.6.4 VESA显示标准
7.7 输入设备和打印设备
7.7.1 输入设备
7.7.2 打印设备
本章小结
习题

第8章 输入输出系统
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式
8.1.1 外围设备的速度分级
8.1.2 信息交换方式
8.2 程序查询方式
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
8.3.2 程序中断方式的基本IO接口
8.3.3 单级中断和多级中断
8.3.4 中断控制器
8.3.5 Pentium中断机制
8.4 DMA方式
8.4.1 DMA的基本概念
8.4.2 DMA传送方式
8.4.3 基本的DMA控制器
8.4.4 选择型和多路型DMA控制器
8.5 通道方式
8.5.1 通道的功能
8.5.2 通道的类型
8.5.3 通道结构的发展
8.6 通用IO标准接口
8.6.1 并行IO标准接口SCSl
8.6.2 串行IO标准接口IEEE1394
本章小结
习题

第9章 操作系统支持
9.1 操作系统概述
9.1.1 操作系统的概念
9.1.2 操作系统的功能
9.1.3 操作系统的特性及其需要解决的问题
9.1.4 操作系统的硬件环境
9.2 调度
9.2.1 进程
9.2.2 调度的层次
9.2.3 处理机调度的实现
9.3 存储管理
9.3.1 分区式存储管理
9.3.2 交换技术和分布技术
9.4 虚拟存储器
9.4.1 虚拟存储器的基本概念
9.4.2 页式虚拟存储器
9.4.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器|
9.4.4 虚存的替换算法
9.5 存储保护
9.5.1 存储区域保护
9.5.2 访问方式保护
9.6 奔腾系列机的虚存组织
9.6.1 存储器模型
9.6.2 虚地址模式
9.6.3 分页模式下的地址转换
本章小结
习题

第10章 安腾高性能处理机体系结构
10.1 高性能处理机体系结构的演变
10.1.1 IA体系结构的历史演变
10.1.2 英特尔64位处理机的两种体系结构
10.2 安腾体系结构的基本设计思想
10.3 安腾指令系统结构
10.3.1 执行单元与指令类型
10.3.2 安腾寄存器结构
10.3.3 安腾指令格式
10.3.4 安腾汇编语言格式
10.4 指令级并行机制
10.4.1 推断执行技术
10.4.2 推测技术
10.5 双核安腾处理机的组成
10.5.1 双核安腾处理机的基本特性
10.5.2 双核安腾处理机的组织结构
本章小结
习题

第ll章 并行体系结构
11.1 体系结构中的并行性
11.1.1 并行性的概念
11.1.2 提高并行性的技术途径
11.1.3 单处理机系统中并行性的发展

第12章 教学实验设计
第13章 课程综合设计
附录A 配套光盘与教学设备
参考文献
……

第1章计算机系统概论
1.3计算机的硬件
1.3.5适配器与输入输出设备
理想的计算机输入设备应该是“会看”和“会听”,即能够把人们用文字或语言所表达的问题直接送到计算机内部进行处理,但是现在这种理想的输入设备还未大规模投入应用。目前常用的输入设备是键盘、鼠标器、数字扫描仪以及模数转换器等。它们的作用是把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
输出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式。理想的输出设备应该是“会写”和“会讲”。“会写”已经做到,如目前广为使用的激光印字机、绘图仪、CRT显示器等。这些设备不仅能输出文字符号,而且还能画图作曲线。至于“会讲”即输出语言的设备,目前也有**产品问世。
计算机的输入/输出设备通常称为外围设备。这些外围设备有高速的也有低速的,有机电结构的,也有全电子式的。由于种类繁多且速度各异,因而它们不是直接地同高速工作的主机相连接,而是通过适配器部件与主机相联系。适配器的作用相当于一个转换器。它可以保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息。
一个典型的计算机系统具有各种类型的外围设备,因而有各种类型的适配器,它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系,以便使主机和外围设备并行协调地工作。
除了上述各部件外,计算机系统中还必须有总线。系统总线是构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线,计算机在各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。
以上是我们对一台计算机硬件组成概貌的了解,其目的在于使读者对计算机的整体先有一个粗略的印象,为在讲授后面各章时提供一些方便。 “计算机组织与体系结构”是计算机科学与技术系的一门硬件核心专业基础课程。从课程地位来说,它在先导课和后续课之间起着承上启下的作用。
“计算机组织与体系结构”**讲授单处理机系统的组织和工作原理,在此基础上扩充讲授并行计算机系统的体系结构。课程教学具有知识面广、内容多、难度大、更新快等特点。另一方面,体现课程特点的教材对于提高教学水平和培养人才的质量起着十分重要的作用。作者认为,一本好的“计算机组织与体系结构”教材主要应具备下述特点:
(1)基础性强。知识结构合理,为学生建立终生知识体系打下良好基础。
(2)系统性强,知识模块彼此交互,使学生能清晰地建立计算机整机概念。
(3)时代性强,及时反映前沿方向,以适应计算机科学技术快速发展的需要。
(4)实践性强,理论教学与实践教学结合,注重学生的智力开发和能力培养。
(5)应用性强,有较广的适应面,以适应学生在各类计算机上从事开发应用的需要。
(6)启发性强,结合计算机科学技术的重大进展,培养学生的创新思维和创新意识。
按CCC2005教学计划,本课程的先修课是“数字逻辑与数字系统”。
作者根据多年从事计算机硬件课程理论教学和实践教学的经验,从传授知识和培养能力的目标出发,结合本课程教学的特点、难点和要点,在这次新版教材编写中又进行了课程体系、教学内容、教学方法和教学手段的改革,使文字教材、多媒体CAI软件、教学课件、习题库、试题库、教学仪器、实验设计、课程设计综合配套,力求形成“理论、实验、设计”三个过程相统一的立体化教学体系。
理论教学计划64学时。授课学时建议:第1章3(学时,下同),第2章9,第3章9,第4章4,第5章12,第6章4,第7章4,第8章6,第9章4,第10章4,第11章5。实验教学16学时,与理论教学同步进行;另外,可在小学期集中安排2周时间的课程综合设计实践。
倪辉、覃健诚、张杰、靳秀国、杨秦、陈楠、冯一兵、祁之力、王军德、张振华、刘俊荣、李娇娇、宗华丽、王晓梅、胡文发、李贞、王坤山、肖炜、崔洪浚、白媛、郝静、吴璇、杨光辉、杨孟柯等参与了第4版文字教材、CAI软件、教学课件、习题库、试题库、教学仪器、实验设计、课程设计等的编写和研制工作,限于版面,未能在封面上一一署名。

白中英,甘肃省永靖县人。现任北京邮电大学计算机科学与技术学院教授、博士生导师。
在工程和科学研究中,“622小型通用计算机”获1978年全国科学大会重大成果奖,1项成果获**级科技进步三等奖,1项成果获全国发明展银质奖,5项成果获部级科技进步一、二等奖,1项成果获**发明专利。近几年主持完成**863项目、**自然科学基金项目3项,省部级项目2项。
在教育和教学研究中,《计算机组成原理教程》获1992年**级**教材特等奖,“CNCC网络型计算机辅助教学系统”等4项成果分别获1989年、1993年、1997年,2005年**级教学成果一、二等奖。6项成果获省部级教学成果、教材一等奖。2003年获首届北京市“教学名师奖”。先后出版著作21部,发表学术论文36篇。
研究方向:计算机系统结构、人工智能。