本书以计算机硬件为基础,把硬件、软件以及原理、技术有机地结合在一起,全面地讲述计算机原理与系统结构。主要内容包括:计算机逻辑部件基础知识、计算机数据编码与运算、计算机的运算器、存储器、控制器的原理、指令系统的设计、总线技术等,形成了一个完整的、系统的计算机硬件技术基础内容,并以微型计算机为对象,描述了典型的接口电路。本书在内容取舍上尽可能做到少而精,力图通俗易懂,由浅入深。在每章之后均配有习题,供自学自测用。
本书以“计算机组成原理”课程教学大纲为主线,围绕如何理解和构建一台简单的计算机硬件系统,全面而系统地讲解计算机组成的工作原理,同时兼顾数字电路与逻辑设计的基础知识,并以最具代表性的Intel 8086为背景,扼要讲述微处理器及常用的接口电路的原理,最后从计算机系统结构的角度讲述提高计算机系统性能的各种方法和技术。
内容衔接流畅,叙述简练、通俗易懂。本书以搭建计算机硬件系统为目标,用简练的语言把数字电路知识、计算机部件组成知识、计算机软硬件界面的计算机系统结构知识进行有机衔接,以Intel 8086系统作为计算机硬件系统的示例,把微型计算机相关知识融为一体。
覆盖知识面宽、深浅适当、重点突出。本书满足一门课程完成对计算机硬件系统涉及内容的讲解要求,叙述详略得当,突出计算机主要部件——运算器、控制器、存储器的讲解。
读者对象广泛。本书面向大专院校偏软专业的(计算机软件工程专业、软件学院各专业)以及偏硬专业(电气信息类专业、机电类专业)的读者,还面向准备参加计算机科学与技术专业硕士研究生入学统考的广大读者以及广大科技工作者。本书可以满足他们学习计算机硬件知识的需要。
本书特点
本书为教师提供教学课件,有需要者可登录华章网站(www.hzbook.com)下载。
本书的基本定位是满足大专院校计算机软件工程专业、软件学院各专业需要对计算机硬件技术有一定了解,同时无需安排多学时、多门课程的教学要求,以“计算机组成原理”课程教学大纲为主线,围绕如何理解和构建一台简单的计算机硬件系统,全面而系统地讲解计算机组成原理,并兼顾数字电路与逻辑设计的基础内容,同时以最具代表性的Intel 8086为背景,扼要讲述微处理器及常用的接口电路的原理,此外还从计算机系统结构的角度讲述提高计算机系统性能的各种方法和技术。
本书共分为11章,第1章介绍计算机系统的组成与工作原理,给出简单计算机系统的整体概念;第2章以计算机各部件中可能涉及的数字电路为目标,介绍数字电路与逻辑设计的基本知识以及计算机中常用的逻辑器件;第3章讲述计算机中的数据表示、运算方法及运算器的基本结构与实例;第4章讨论存储器的基本原理、半导体存储器的组成结构,并讲述交叉存储器、Cache存储器和虚拟存储器等提高存储器性能的方法和技术;第5章介绍指令系统的基本概念、各种寻址方式和指令类型以及指令系统的分类和实例;第6章详细介绍控制器的功能、基本组成,以及微程序与硬布线两种实现方法和工作原理;第7章简要介绍计算机系统的总线规范及其相关技术;第8章讲述输入/输出系统的功能和组成、I/O数据传送的控制方式等;第9章以Intel 8086微处理器为背景,讲述微型计算机的基本原理以及可编程中断控制器8259A、并行接口8255A与串行接口8251A、可编程计数器/定时器8253以及模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器等常用的接口电路;第10章介绍磁表面存储器、光盘存储器及常用的输入/输出设备的基本组成和工作原理;第11章讨论指令流水线、向量处理器、阵列处理器和多处理器系统等基本概念和工作原理,简要讲述提高计算机系统性能的各种方法和技术。
在编写本书的过程中,我们参考了大量的文献资料,吸取众家之长,并结合自己多年来从事计算机硬件方面的课程教学、计算机应用研究方面的实际经验,对全书的内容进行了精心的编排,力求做到内容衔接流畅、深浅适当、通俗易懂,覆盖知识面宽、叙述简练、重点突出,满足一门课程对计算机硬件系统涉及内容的讲解要求。
本书作者分工如下:第1、6、9、11章由李云编写,第3、5、8、10章由葛桂萍编写,第2、4、7章由史庭俊编写,本书的电子课件由史庭俊制作,本书由李云统稿。在本书大纲编写、内容审定过程中,南京大学徐洁磐教授提出了许多宝贵意见,在此表示深深的感谢。本书还得到了扬州大学出版基金资助。
由于作者水平有限,时间仓促,书中难免会有缺点和错误,恳请广大读者批评指正。
编者
2010年12月于扬州大学
计算机\硬件
封一:
逻运算方法与运算器的基本组成与结构
主存储器的组成与存储系统的基本工作原理
指令的执行与微程序控制器的设计
微处理器与常用接口芯片
本书以“计算机组成原理”课程教学大纲为主线,围绕如何理解和构建一台简单的计算机硬件系统,全面而系统地讲解计算机组成的工作原理,同时兼顾数字电路与逻辑设计的基础知识,并以最具代表性的Intel 8086为背景,扼要讲述微处理器及常用的接口电路的原理,最后从计算机系统结构的角度讲述提高计算机系统性能的各种方法和技术。
本书特点:
内容衔接流畅,叙述简练、通俗易懂。本书以搭建计算机硬件系统为目标,用简练的语言把数字电路知识、计算机部件组成知识、计算机软硬件界面的计算机系统结构知识进行有机衔接,以Intel 8086系统作为计算机硬件系统的示例,把微型计算机相关知识融为一体。
覆盖知识面宽、深浅适当、重点突出。本书满足一门课程完成对计算机硬件系统涉及内容的讲解要求,叙述详略得当,突出计算机主要部件——运算器、控制器、存储器的讲解。
读者对象广泛。本书面向大专院校偏软专业的(计算机软件工程专业、软件学院各专业)以及偏硬专业(电气信息类专业、机电类专业)的读者,还面向准备参加计算机科学与技术专业硕士研究生入学统考的广大读者以及广大科技工作者。本书可以满足他们学习计算机硬件知识的需要。
本书为教师提供教学课件,有需要者可登录华章网站(www.hzbook.com)下载。
前言
教学建议
第1章计算机系统概述1
11计算机的发展历程1
12计算机的组成与结构3
121计算机硬件3
122计算机软件5
123计算机系统的层次结构6
13计算机的基本工作原理7
14计算机系统的分类及应用8
141计算机系统的分类8
142计算机系统的应用12
15计算机系统的性能指标13
习题114
第2章计算机的逻辑部件15
21逻辑代数基础15
211基本逻辑运算15
212逻辑函数及其表示方法15
213逻辑代数的基本公式17
22逻辑函数的化简18
221代数化简法18
222卡诺图化简法19
23计算机中常用的组合逻辑电路20
231基本逻辑门电路20
232译码器21
233数据选择器22
24时序逻辑电路22
241触发器22
242寄存器和移位寄存器25
243计数器27
25可编程逻辑器件PLD28
251PLD及其特点28
252PLD器件基础29
253常用PLD器件简介30
习题234
第3章运算方法和运算器35
31数制与信息的编码表示35
311进位计数制及其相互转换35
312数值型数据的编码表示37
313十进制数的二进制编码表示…41
314非数值型数据的编码表示43
32数的定点和浮点表示45
321数的定点表示45
322数的浮点表示46
33定点数的加减运算47
331补码定点数的加减运算47
332补码加减运算的实现电路…49
34定点数的乘除运算50
341原码一位乘法50
342补码一位乘法51
343原码一位除法53
344补码一位除法56
35浮点数的运算方法57
36运算器的基本组成与结构60
361运算器的基本组成60
362算术逻辑运算单元60
363定点运算器的结构66
364浮点运算器的结构67
37数据校验码69
371奇偶校验码70
372海明校验码70
373循环冗余校验码72
习题374
第4章主存储器与存储系统76
41存储器基本概念76
411存储器的分类76
412主存储器的主要技术指标77
413存储器的组成和数据存放77
414存储系统的层次结构78
42半导体存储器的结构和原理79
421随机存储器RAM79
422只读存储器ROM82
423存储器与CPU的连接83
43高速存储器87
431双端口存储器87
432多体交叉存储器88
433相联存储器89
44Cache存储器90
441Cache基本结构和工作原理90
442Cache存储器的地址映像92
443Cache中主存块的替换算法95
444Cache写策略96
45虚拟存储器96
451虚拟存储器的基本概念97
452主存Cache系统与主存-外存系统的差别97
453虚拟存储器管理方式98
习题4100
第5章指令系统102
51指令格式102
511指令的结构102
512指令的操作码102
513指令的地址码104
514指令长度105
52寻址方式105
521指令寻址方式105
522操作数寻址方式106
53指令类型109
54指令系统的分类113
541复杂指令系统CISC113
542精简指令系统RISC116
习题5118
第6章中央处理器120
61控制器的组成和基本原理120
611控制器的功能120
612控制器的基本组成120
613控制器的时序系统122
614控制器的实现方法123
62指令的执行过程123
621控制器的基本电路123
622指令执行的基本过程123
623指令执行的微操作序列124
63微程序控制器126
631微程序控制的基本概念126
632实现微程序控制的基本原理126
633微指令编码法129
634微程序流的控制130
635微指令格式及执行方式133
636微程序设计举例134
64硬布线控制器138
641硬布线控制器的设计步骤…138
642硬布线控制器的设计139
643硬布线控制器与微程序控制器的比较141
65控制器的控制方式141
习题6142
第7章总线技术144
71总线概述144
711总线的基本概念和种类144
712总线标准及性能指标144
72总线仲裁方式145
721集中总线仲裁方式145
722分布总线仲裁方式146
73总线数据传输过程和传输方式147
731总线数据传输过程147
732总线数据传输方式147
74常用标准总线简介149
741内部总线149
742外部总线150
习题7151
第8章输入/输出系统152
81输入/输出系统概述152
811输入/输出系统的组成152
812CPU与I/O接口之间的信息152
82I/O端口的编址方式及数据传送方式153
821I/O端口的编址方式153
822CPU与外设之间的数据传送方式154
83程序直接控制方式155
831无条件方式155
832条件查询方式155
84中断控制方式156
841中断概述156
842中断的优先级及优先级的判定158
843中断响应与中断处理159
844中断嵌套与中断屏蔽160
845中断接口的基本结构161
85DMA方式162
851DMA的特点162
852DMA的传送方式162
853DMA控制器的基本结构…163
854DMA的数据传送过程164
86通道控制方式164
861通道概述165
862通道的分类165
863通道结构的发展166
习题8167
第9章微型计算机原理及接口技术168
91 16位及32位微处理器168
91116位微处理器8086168
91232位微处理器Pentium174
928086的中断177
9218086的中断概述177
922中断控制器8259A179
93串/并行接口185
931串行通信和并行通信185
932可编程并行接口8255A186
933可编程串行接口8251A189
94计数器/定时器接口193
941计数器/定时器概述193
942可编程计数器/定时器8253194
95数/模和模/数转换198
951数/模转换器198
952模/数转换器201
习题9203
第10章外部设备205
101外部设备概述205
1011外部设备的分类205
1012外部设备的作用206
102输入设备206
1021键盘206
1022鼠标207
1023触摸屏207
1024读卡器209
1025扫描仪209
103输出设备210
1031显示器210
1032打印机211
104磁表面存储器213
1041存储原理与记录方式213
1042硬磁盘存储器的组成与分类215
1043磁表面存储器的技术指标…218
105光盘存储器219
1051光盘的分类及特点219
1052光盘存储器的主要性能指标220
1053CDROM系统221
习题10223
第11章计算机系统结构224
111计算机系统结构的基本概念224
1111计算机系统结构、组成与实现224
1112提高计算机系统性能的原则和手段225
1113系统结构中的并行性225
112流水与指令级并行处理器226
1121重叠方式与先行控制226
1122流水方式227
1123指令级并行处理器231
113向量处理器与阵列处理器233
1131向量处理器234
1132阵列处理器236
114多处理器系统239
1141多处理器的特点239
1142多处理器的硬件结构240
1143多处理器的互连形式241
1144多处理器Cache的一致性242
1145多处理器的操作系统243
115其他计算机结构245
习题11247
参考文献248