計算機組成原理教程

本書是一本面嚮應用型專業的計算機組成原理教材。全書共分6章：第1章幫助讀者快速、有趣並深刻地建立計算機系統的整體結構；第2章介紹計算機的存儲體系；第3章介紹計算機的輸入輸出及其控制技術；第4章介紹計算機的匯流排系統和主板的有關知識；第5章介紹計算機核心部件——處理器的工作原理和基本設計方法；第6章從體系結構和元器件進步兩個方面介紹計算機的發展趨勢。

本書概念清晰、深入淺出、取材新穎，從知識建構、啟發思維和適合教學的角度組織學習內容，同時不過多依賴先修課程。經過4次修訂，更加適合教學。可供應用型本科計算機科學與技術專業、軟體工程專業、信息安全專業、網路工程專業、信息管理和信息系統專業和其他相關專業使用，也可以供有關工程技術人員和自學者使用。

張基溫，知名學者，計算機教育家。先後擔任名古屋大學訪問學者，山西財經大學、江南大學、華東政法大學、華南農業大學珠江學院、常熟理工學院、福建工程學院、廣西職業技術學院、晉城學院等多所大學的專職、客座或兼職教授，北京大學博雅方略城市發展與信息化研究中心研究員，南京大學出版社總編顧問，太原高新技術區IT研究院實驗室主任，山西省緊缺人才專家委員會副主任，中國信息經濟學會常務理事，全國高等院校計算機基礎教育研究會常務理事兼課程建設委員會副主任，中國計算機學會教育專業委員會委員，國家NIT考試委員會委員，江蘇省計算機基礎教學指導委員會委員，山西省新世紀專家學者協會副會長。為清華大學出版社、電子工業出版社、中國水利水電出版社、南京大學出版社、中國鐵道出版社等主編了信息管理與信息系統專業、計算機實驗與實踐、大學生信息素養等多個系列教材。研究和教學領域涉及計算機科學與技術、信息管理、信息經濟學、電子政務與電子商務、服務科學，己發表學術論文一百餘篇，出版著作90種。

第1章計算機系統概述1

1.1計算工具的進步軌跡1

1.1.1算盤和算籌的啟示1

1.1.2從提花機到巴貝奇分析機——內程序計算機的發展軌跡4

1.1.3從帕斯卡加法器說起——內動力計算機的進步軌跡7

1.1.4模擬計算機與數字計算機11

1.20、1編碼13

1.2.1二進位計算13

1.2.2聲音的0、1編碼23

1.2.3圖形/圖像的0、1編碼24

1.2.4文字的0、1編碼27

1.2.5指令的0、1編碼與計算機程序設計語言30

1.2.6數據傳輸中的差錯檢驗32

1.3電子數字計算機工作原理35

1.3.1現代數字電子計算機體系結構的確立35

1.3.2布爾代數與邏輯電路37

1.3.3計算機存儲器基礎43

1.3.4計算機控制器的工作原理46

1.3.5一個程序的執行過程48

1.3.6指令的時序49

1.3.7操作系統——計算機的自我管理51

1.3.8自動計算機工作原理的再討論54

1.4計算機系統結構和發展54

1.4.1現代計算機系統的模塊結構54

1.4.2現代計算機系統的層次結構54

1.4.3計算機系統的主要性能指標56

1.4.4計算機系統的發展59

習題62

第2章存儲系統67

2.1主存儲器67

2.1.1ROM記憶元件67

2.1.2RAM記憶元件69

2.1.3存儲體的擴展方式71

2.1.4RAM的讀/寫時序73

2.1.5RAM工作模式75

2.1.6內存條76

2.1.7RAM技術參數77

2.1.8并行存儲器79

2.1.9未來記憶元件83

2.2輔助存儲器86

2.2.1磁表面存儲原理86

2.2.2硬磁碟存儲器88

2.2.3磁碟陣列RAID93

2.2.4光碟存儲器96

2.2.5閃速存儲器101

2.3存儲體系102

2.3.1多級存儲體系的建立102

2.3.2多級存儲體系的性能參數104

2.3.3Cache主存結構105

2.3.4虛擬存儲器107

習題110

第3章輸入輸出系統114

3.1I/O設備114

3.1.1I/O設備及其發展114

3.1.2鍵盤117

3.1.3列印設備120

3.1.4顯示設備128

3.1.5其他圖形/圖像設備134

3.1.6定位、拾取與觸摸設備137

3.1.7語音處理設備138

3.1.8虛擬現實技術139

3.1.9流通領域用外部設備142

3.2I/O設備介面146

3.2.1影響I/O設備與計算機連接的主要因素146

3.2.2緩衝技術148

3.2.3I/O介面的功能與分類149

3.2.4I/O介面結構150

3.2.5可編程并行介面8255A151

3.2.6串列介面153

3.3I/O過程的程序直接控制156

3.3.1I/O過程的程序無條件傳送控制方式156

3.3.2I/O過程的程序查詢傳送方式156

3.4I/O過程的程序中斷控制158

3.4.1程序中斷控制的概念158

3.4.2中斷過程及其管理161

3.4.3中斷介面164

3.4.4多重中斷166

3.5I/O數據傳送的DMA控制166

3.5.1DMA的基本概念166

3.5.2DMA與CPU共享存儲器衝突的解決方案167

3.5.3DMA控制器169

3.5.4DMA傳送過程170

3.5.5DMA小結172

3.6I/O過程的通道控制172

3.6.1通道控制及其特點172

3.6.2通道控制原理174

3.6.3通道類型176

3.7I/O管理177

3.7.1設備驅動程序178

3.7.2ROM BIOS178

3.7.3I/O設備分配180

習題182

第4章匯流排與主板185

4.1匯流排及其工作原理185

4.1.1匯流排特性及其分類185

4.1.2匯流排的組成與基本傳輸過程188

4.1.3匯流排的爭用與仲裁189

4.1.4匯流排通信過程中主從方的協調方式192

4.1.5匯流排的性能指標196

4.2幾種標準系統匯流排197

4.2.1ISA匯流排198

4.2.2PCI匯流排199

4.2.3AGP匯流排203

4.2.4PCIExpress匯流排 205

4.3幾種標準IO匯流排206

4.3.1RS232/RS449串列介面標準206

4.3.2IDE介面與SCSI介面匯流排208

4.3.3USB匯流排210

4.3.4IEEE 1394匯流排213

4.4微型計算機主板214

4.4.1主板的構成215

4.4.2主板驅動219

4.4.3主板品牌級別219

4.4.4主板分類220

習題221

第5章控制器組成222

5.1處理器的外特性——指令系統222

5.1.1概述222

5.1.2定址方式225

5.1.3Intel 8086指令簡介229

5.1.4CISC與RISC238

5.1.5指令系統的設計內容242

5.2組合邏輯控制器242

5.2.1指令的微操作分析243

5.2.2指令的時序控制與時序部件245

5.2.3組合邏輯控制器設計舉例247

5.3微程序控制器250

5.3.1概述250

5.3.2微程序操作控制部件的組成250

5.3.3微程序操作控制部件設計舉例251

習題254

第6章計算機體系和元器件的發展261

6.1計算機并行技術概述261

6.1.1計算機硬體并行技術的發展261

6.1.2計算機并行性開發的技術對策262

6.1.3Flynn分類法263

6.2指令級并行技術264

6.2.1流水技術概述265

6.2.2流水線中的相關衝突268

6.2.3流水線中的多發射技術270

6.2.4Pentium CPU272

6.2.5RISC處理器的體系結構275

6.2.6流水線向量處理機280

6.3線程級并行技術284

6.3.1對稱多處理器技術SMP285

6.3.2同時多線程技術SMT290

6.3.3超線程技術HT293

6.4多核處理器297

6.4.1多核處理器及其特點297

6.4.2多核+多線程——CMT技術298

6.5非Neumann體系的計算機系統299

6.5.1數據流計算機299

6.5.2歸約機301

6.5.3智能計算機303

6.5.4人工神經網路計算機307

6.6計算機元器件技術展望311

6.6.1關於摩爾定律壽命的討論311

6.6.2納米電子器件312

6.6.3量子計算機314

6.6.4光學計算機316

6.6.5超導技術317

6.6.6生物計算機318

習題320附錄A國內外常用二進位邏輯元件圖形符號對照圖322參考文獻324

第1章計算機系統概述1

1.1計算工具的進步軌跡1

1.1.1算盤和算籌的啟示1

1.1.2從提花機到巴貝奇分析機——內程序計算機的發展軌跡4

1.1.3從帕斯卡加法器說起——內動力計算機的進步軌跡7

1.1.4模擬計算機與數字計算機11

1.20、1編碼13

1.2.1二進位計算13

1.2.2聲音的0、1編碼23

1.2.3圖形/圖像的0、1編碼24

1.2.4文字的0、1編碼27

1.2.5指令的0、1編碼與計算機程序設計語言30

1.2.6數據傳輸中的差錯檢驗32

1.3電子數字計算機工作原理35

1.3.1現代數字電子計算機體系結構的確立35

1.3.2布爾代數與邏輯電路37

1.3.3計算機存儲器基礎43

1.3.4計算機控制器的工作原理46

1.3.5一個程序的執行過程47

1.3.6指令的時序49

1.3.7操作系統——計算機的自我管理51

1.3.8自動計算機工作原理的再討論53

1.4計算機系統結構和發展54

1.4.1現代計算機系統的模塊結構54

1.4.2現代計算機系統的層次結構54

1.4.3計算機系統的主要性能指標55

1.4.4計算機系統的發展58

習題62

第2章存儲系統66

2.1主存儲器66

2.1.1ROM記憶元件66

2.1.2RAM記憶元件68

2.1.3存儲體的擴展方式70

2.1.4RAM的讀/寫時序72

2.1.5RAM工作模式74

2.1.6內存條75

2.1.7RAM技術參數76

2.1.8并行存儲器78

2.1.9未來記憶元件82

2.2輔助存儲器85

2.2.1磁表面存儲原理85

2.2.2硬磁碟存儲器87

2.2.3磁碟陣列RAID92

2.2.4光碟存儲器95

2.2.5閃速存儲器100

2.3存儲體系101

2.3.1多級存儲體系的建立101

2.3.2多級存儲體系的性能參數103

2.3.3Cache主存結構104

2.3.4虛擬存儲器106

習題109

第3章輸入輸出系統113

3.1I/O設備113

3.1.1I/O設備及其發展113

3.1.2鍵盤116

3.1.3列印設備119

3.1.4顯示設備127

3.1.5其他圖形/圖像設備133

3.1.6定位、拾取與觸摸設備136

3.1.7語音處理設備137

3.1.8虛擬現實設備138

3.1.9流通領域設備141

3.2I/O設備介面145

3.2.1影響I/O設備與計算機連接的主要因素146

3.2.2緩衝技術147

3.2.3I/O介面的功能與分類148

3.2.4I/O介面結構149

3.2.5可編程并行介面8255A150

3.2.6串列介面152

3.3I/O過程的程序直接控制155

3.3.1I/O過程的程序無條件傳送控制方式155

3.3.2I/O過程的程序查詢傳送方式156

3.4I/O過程的程序中斷控制157

3.4.1程序中斷控制的概念157

3.4.2中斷過程及其管理160

3.4.3中斷介面164

3.4.4多重中斷165

3.5I/O數據傳送的DMA控制166

3.5.1DMA的基本概念166

3.5.2DMA與CPU共享存儲器衝突的解決方案167

3.5.3DMA控制器169

3.5.4DMA傳送過程170

3.5.5DMA小結171

3.6I/O過程的通道控制172

3.6.1通道控制及其特點172

3.6.2通道控制原理174

3.6.3通道類型176

3.7I/O管理177

3.7.1設備驅動程序177

3.7.2ROM BIOS178

3.7.3I/O設備分配180

習題182

第4章匯流排與主板184

4.1匯流排及其工作原理184

4.1.1匯流排特性及其分類184

4.1.2匯流排的組成與基本傳輸過程184

4.1.3匯流排的爭用與仲裁188

4.1.4匯流排通信過程中主從方的協調方式191

4.1.5匯流排的性能指標195

4.2幾種標準系統匯流排196

4.2.1ISA匯流排197

4.2.2PCI匯流排198

4.2.3AGP匯流排202

4.2.4PCIExpress匯流排 204

4.3幾種標準IO匯流排205

4.3.1RS232/RS449串列介面標準205

4.3.2IDE介面與SCSI介面匯流排207

4.3.3USB匯流排209

4.3.4IEEE 1394匯流排211

4.4微型計算機主板213

4.4.1主板的構成213

4.4.2主板驅動217

4.4.3主板品牌級別218

4.4.4主板分類218

習題220

第5章控制器組成221

5.1處理器的外特性——指令系統221

5.1.1概述221

5.1.2定址方式224

5.1.3Intel 8086指令簡介228

5.1.4CISC與RISC237

5.1.5指令系統的設計內容241

5.2組合邏輯控制器241

5.2.1指令的微操作分析242

5.2.2指令的時序控制與時序部件244

5.2.3組合邏輯控制器設計舉例246

5.3微程序控制器249

5.3.1概述249

5.3.2微程序操作控制部件的組成249

5.3.3微程序操作控制部件設計舉例250

習題253

第6章計算機體系和元器件的發展260

6.1計算機并行技術概述260

6.1.1計算機硬體并行技術的發展260

6.1.2計算機并行性開發的技術對策261

6.1.3Flynn分類法262

6.2指令級并行技術263

6.2.1流水技術概述264

6.2.2流水線中的相關衝突267

6.2.3流水線中的多發射技術269

6.2.4Pentium CPU270

6.2.5RISC處理器的體系結構274

6.2.6流水線向量處理機279

6.3線程級并行技術283

6.3.1對稱多處理器技術SMP284

6.3.2同時多線程技術SMT289

6.3.3超線程技術HT293

6.4多核處理器296

6.4.1多核處理器及其特點296

6.4.2多核+多線程——CMT技術297

6.5非Neumann體系的計算機系統298

6.5.1數據流計算機298

6.5.2歸約機301

6.5.3智能計算機303

6.5.4人工神經網路計算機307

6.6計算機元器件技術展望310

6.6.1關於摩爾定律壽命的討論310

6.6.2納米電子器件312

6.6.3量子計算機313

6.6.4光學計算機315

6.6.5超導技術316

6.6.6生物計算機317

習題319

附錄A國內外常用二進位邏輯元件圖形符號對照圖321參考文獻323

第1章計算機系統概述1

1.1計算工具的進步軌跡1

1.1.1算盤和算籌的啟示1

1.1.2從提花機到巴貝奇分析機——內程序計算機的發展軌跡4

1.1.3從帕斯卡加法器說起——內動力計算機的進步軌跡7

1.1.4模擬計算機與數字計算機11

1.20、1編碼13

1.2.1二進位計算13

1.2.2聲音的0、1編碼23

1.2.3圖形/圖像的0、1編碼24

1.2.4文字的0、1編碼27

1.2.5指令的0、1編碼與計算機程序設計語言30

1.2.6數據傳輸中的差錯檢驗32

1.3電子數字計算機工作原理35

1.3.1現代數字電子計算機體系結構的確立35

1.3.2布爾代數與邏輯電路37

1.3.3計算機存儲器基礎43

1.3.4計算機控制器的工作原理47

1.3.5一個程序的執行過程48

1.3.6指令的微操作分析49

1.3.7操作系統——計算機的自我管理51

1.3.8自動計算機工作原理的再討論54

1.4計算機系統結構和發展55

1.4.1現代計算機系統的模塊結構55

1.4.2現代計算機系統的層次結構55

1.4.3計算機系統的主要性能指標56

1.4.4計算機系統的發展59

習題63

第2章存儲系統67

2.1主存儲器67

2.1.1ROM記憶元件67

2.1.2RAM記憶元件69

2.1.3存儲體的擴展方式71

2.1.4RAM的讀/寫時序73

2.1.5RAM工作模式75

2.1.6內存條76

2.1.7RAM技術參數77

2.1.8并行存儲器79

2.1.9未來記憶元件83

2.2輔助存儲器86

2.2.1磁表面存儲原理86

2.2.2硬磁碟存儲器88

2.2.3磁碟陣列RAID93

2.2.4光碟存儲器96

2.2.5閃速存儲器101

2.3存儲體系102

2.3.1多級存儲體系的建立102

2.3.2多級存儲體系的性能參數104

2.3.3cache主存結構105

2.3.4虛擬存儲器107

習題110

第3章輸入輸出系統114

3.1I/O設備114

3.1.1I/O設備及其發展114

3.1.2鍵盤117

3.1.3列印設備120

3.1.4顯示設備128

3.1.5其他圖形/圖像設備134

3.1.6定位、拾取與觸摸設備137

3.1.7語音處理設備138

3.1.8虛擬現實設備139

3.1.9流通領域設備141

3.2I/O設備介面146

3.2.1影響I/O設備與計算機連接的主要因素146

3.2.2緩衝技術147

3.2.3I/O介面的功能與分類149

3.2.4I/O介面結構150

3.2.5可編程并行介面8255A151

3.2.6串列介面153

3.3I/O過程的程序直接控制156

3.3.1I/O過程的程序無條件傳送控制方式156

3.3.2I/O過程的程序查詢傳送方式156

3.4I/O過程的程序中斷控制158

3.4.1程序中斷控制的概念158

3.4.2中斷過程及其管理161

3.4.3中斷介面164

3.4.4多重中斷165

3.5I/O數據傳送的DMA控制166

3.5.1DMA的基本概念166

3.5.2DMA與CPU共享存儲器衝突的解決方案167

3.5.3DMA控制器169

3.5.4DMA傳送過程170

3.5.5DMA小結171

3.6I/O過程的通道控制172

3.6.1通道控制及其特點172

3.6.2通道控制原理174

3.6.3通道類型176

3.7I/O管理177

3.7.1設備驅動程序177

3.7.2ROM BIOS178

3.7.3I/O設備分配180

習題182

第4章匯流排與主板185

4.1匯流排工作原理185

4.1.1匯流排概述185

4.1.2匯流排的分類187

4.1.3匯流排的性能指標189

4.1.4匯流排的爭用與仲裁190

4.1.5匯流排通信過程中主從方的協調方式193

4.2幾種標準系統匯流排197

4.2.1ISA匯流排198

4.2.2PCI匯流排200

4.2.3AGP匯流排204

4.2.4PCIExpress匯流排 206

4.3幾種標準IO匯流排207

4.3.1RS232/RS449串列介面標準207

4.3.2IDE介面與SCSI介面匯流排209

4.3.3USB匯流排211

4.3.4IEEE 1394匯流排213

4.4微型計算機主板215

4.4.1主板的構成215

4.4.2主板驅動220

4.4.3主板品牌級別220

4.4.4主板分類220

習題222

第5章控制器組成223

5.1處理器的外特性——指令系統223

5.1.1概述223

5.1.2定址方式226

5.1.3Intel 8086指令簡介230

5.1.4CISC與RISC238

5.1.5指令系統的設計內容242

5.2組合邏輯控制器243

5.2.1指令的微操作分析243

5.2.2指令的時序控制與時序部件246

5.2.3組合邏輯控制器設計舉例248

5.3微程序控制器250

5.3.1概述250

5.3.2微程序操作控制部件的組成251

5.3.3微程序操作控制部件設計舉例252

習題255

第6章計算機體系和元器件的發展262

6.1計算機并行技術概述262

6.1.1計算機硬體并行技術的發展262

6.1.2計算機并行性開發的技術對策263

6.1.3Flynn分類法263

6.2指令級并行技術265

6.2.1指令流水技術265

6.2.2流水線中的多發射技術270

6.2.3Pentium CPU272

6.2.4RISC處理器的體系結構275

6.2.5流水線向量處理機281

6.3線程級并行技術285

6.3.1對稱多處理器技術SMP285

6.3.2同時多線程技術SMT292

6.3.3超線程技術HT294

6.4多核處理器298

6.4.1多核處理器及其特點298

6.4.2多核+多線程——CMT技術299

6.5非Neumann體系的計算機系統299

6.5.1數據流計算機300

6.5.2歸約機302

6.5.3智能計算機304

6.5.4人工神經網路計算機308

6.6計算機元器件技術展望312

6.6.1關於摩爾定律壽命的討論312

6.6.2納米電子器件314

6.6.3量子計算機315

6.6.4光學計算機317

6.6.5超導技術318

6.6.6生物計算機319

習題321

附錄A國內外常用二進位邏輯元件圖形符號對照圖323參考文獻325