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本書是一本面向應用的計算機組成原理教程。全書共9章：第1章從計算和編碼兩方面介紹現(xiàn)代計算機的處理對象二值符號；第2章引導讀者建立計算機系統(tǒng)的整體框架；第3章介紹計算機的存儲系統(tǒng)；第4章介紹I/O接口與I/O過程控制；第5章介紹計算機核心部件控制器的工作原理和基本設(shè)計方法；第6章在架構(gòu)層面介紹處理器中的并行技術(shù)；第7章介紹計算機輸入輸出設(shè)備；第8章介紹總線與主板；第9章從體系結(jié)構(gòu)和元器件兩方面介紹計算機的發(fā)展趨勢。 　　本書結(jié)構(gòu)清晰、概念嚴謹、取材新穎、深入淺出，從知識構(gòu)建、啟發(fā)思維、適合教學以及有機融入思政教育等的角度組織學習內(nèi)容，同時不過多依賴先修課程。本書經(jīng)過9次修訂，更加適合教學，可供應用型本科計算機科學與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)、信息安全專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)、信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)使用，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員和自學者參考。

本書是一本面向應用的計算機組成原理教材。經(jīng)過9次修訂，與時俱進，能及時反映計算機技術(shù)領(lǐng)域的最新面貌。作為一本教材，本書不僅限于知識的傳授，更關(guān)注對學習者思想的啟迪，引導他們從本質(zhì)多角度思考和理解。為鼓勵學習者在學習中不斷擴大視野，本書利用現(xiàn)代媒體技術(shù)制作了十多個二維碼鏈接。

　　計算機技術(shù)是人們傾注并還在投入更大心血的一個領(lǐng)域，因而使它成為競爭最為激烈的領(lǐng)域之一，呈現(xiàn)日異月殊的領(lǐng)域特征。所以，作為該領(lǐng)域的一本教材，不應當膠柱鼓瑟，而必須與時俱進，及時反映該領(lǐng)域的最新面貌。這也是作者在每版修訂時注意到的一個重要方面。從第4版開始增加了未來計算機展望一章；在第6版的第2章中增加了SDRAM內(nèi)部操作與性能參數(shù)一節(jié)；在第7版的第1章中增加了計算機性能評測和天梯圖，并對第7章內(nèi)容進行了部分更新等；第8版中把原來的I/O控制一章分為I/O接口與I/O過程控制、計算機輸入輸出設(shè)備兩章；第9版對第1章的內(nèi)容進行了調(diào)整，使其更容易梳理。第10版將第1章分為兩章，使每章的內(nèi)容更單一；同時，在新第5章中增加了ARM指令系統(tǒng)的介紹，在新第9章中增加了對量子計算機工作原理的簡單介紹；此外，還調(diào)整了各章順序，使本書更適合學習。
　　計算機作為人類歷史上一種偉大的工具，是全世界智慧的結(jié)晶，其中包含了對中華民族歷史和現(xiàn)代的巨大貢獻。讓讀者了解這些事實，不僅是為了還原真實的歷史，還在于這些事實折射出來的邏輯思維精華，有啟迪思維、激勵創(chuàng)新、增強自信的效能。這是編寫本書一直堅持的一種思路。
　　計算機俗稱電腦，顧名思義，就是一種模擬人腦的機器。模擬可以從兩方面進行：結(jié)構(gòu)模擬和功能模擬。現(xiàn)在要用計算機從結(jié)構(gòu)模擬的角度模擬人腦還有許多問題沒有解決，而只能從功能模擬的角度進行，即由一些功能部件來模擬人腦的功能。所以，計算機組成原理作為計算機科學與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的一門必修核心課程，對于它的學習應當從建立計算機的組成部件與人的大腦功能之間的聯(lián)系開始，然后再對它們的工作過程加以區(qū)別。這是作者提供給初學者的一點心得。
　　作為一本教材，不能僅限于知識的傳授，更應關(guān)注對于讀者的思想啟迪，引導他們在學術(shù)上進行本質(zhì)地、多角度地思考和理解問題的習慣，增強中華文化的自豪感和對未來的自信心。這是本書寫作中的基本指導思想。同時，為使讀者在學習中不斷擴大視野，本書還利用現(xiàn)代媒體技術(shù)添加了十多個二維碼鏈接。
　　在這次修訂中，參考了其他一些著作和網(wǎng)絡(luò)作品。盡管作者盡力將它們對本書的貢獻在參考文獻中一一列出，但由于有些資料（特別是網(wǎng)站資料）出處不明或是佚名作者，疏漏之處在所難免。在此，謹向為本書提供幫助的各位作者深表謝意，并向在參考文獻中沒有列出的文獻作者表示歉意。
　　本書的修訂仍不會畫上句號。本人誠懇地希望閱讀過本書的專家、老師和學生能無保留地提出寶貴意見，使本書修訂得更好。
　　　 張基溫
　　 2023年4月

[鍵入文字]

·II·

第1章 二值計算與編碼 1
1.1 二值符號體系的建立 1
1.1.1 八卦圖與二值符號體系 1
1.1.2 八卦圖奠定了現(xiàn)代計算科學的基礎(chǔ) 2
1.2 二值算術(shù)計算 2
1.2.1 二進制數(shù)及其計算規(guī)則 2
1.2.2 數(shù)字的二進制與十進制相互轉(zhuǎn)換 4
1.2.3 八進制、十六進制和二十進制碼 5
1.2.4 浮點數(shù)與定點數(shù) 6
1.2.5 原碼、反碼、補碼和移碼 8
1.3 二值邏輯運算 11
1.3.1 數(shù)字邏輯布爾代數(shù) 11
1.3.2 加法器邏輯 14
1.4 非數(shù)值數(shù)據(jù)的0、1編碼 16
1.4.1 聲音的0、1編碼 17
1.4.2 圖形/圖像的0、1編碼 18
1.4.3 文字的0、1編碼 20
1.4.4 指令的0、1編碼 23
1.5 數(shù)據(jù)的抗干擾編碼 24
1.5.1 奇偶檢驗碼 24
1.5.2 漢明碼 25
1.5.3 循環(huán)冗余檢驗碼 25
習題 27
第2章 程序計算架構(gòu) 30
2.1 程序計算架構(gòu)的演進 30
2.1.1 算盤最早的程序計算工具 30
2.1.2 從提花機到巴貝奇分析機內(nèi)程序計算架構(gòu)的形成 32
2.1.3 馮·諾依曼模型的提出 35
2.2 馮·諾依曼體系計算機工作原理 36
2.2.1 計算機存儲器 36
2.2.2 計算機控制器 39
2.2.3 計算機中的時序控制 42
2.2.4 總線 43
2.3 馮·諾依曼體系計算機改進 44
2.3.1 馮·諾依曼體系瓶頸 44
2.3.2 從以運算器為中心到以存儲器為中心 45
2.3.3 并行與共享 46
2.4 操作系統(tǒng)程序用于計算機運行管理 48
2.4.1 問題的提出 48
2.4.2 操作系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu) 48
2.4.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 50
2.5 計算機性能評測 51
2.5.1 計算機的主要性能指標 51
2.5.2 計算機性能測試 56
2.5.3 CPU芯片性能及其天梯圖 56
習題 62
第3章 存儲系統(tǒng) 63
3.1 主存儲器原理 63
3.1.1 只讀存儲器原理 63
3.1.2 隨機存儲器原理 65
3.2 主存儲體組織 70
3.2.1 內(nèi)存條 70
3.2.2 基本的存儲體擴展方式 73
3.2.3 P-Bank和L-Bank 74
3.2.4 并行存儲器 76
3.2.5 并行處理機的主存儲器 78
3.2.6 存儲器控制器 79
3.3 SDRAM內(nèi)部操作與性能參數(shù) 79
3.3.1 SDRAM的主要引腳 79
3.3.2 SDRAM的讀寫時序 80
3.3.3 突發(fā)傳輸 82
3.3.4 數(shù)據(jù)掩碼技術(shù) 83
3.3.5 DRAM刷新 84
3.3.6 預充電 87
3.3.7 芯片初始化 87
3.3.8 DDR SDRAM內(nèi)存 89
3.4 磁盤存儲器 92
3.4.1 磁表面存儲原理 92
3.4.2 硬盤存儲器的存儲結(jié)構(gòu) 95
3.4.3 硬盤格式化與分區(qū) 96
3.4.4 硬盤存儲器系統(tǒng)組成 100
3.4.5 硬盤存儲器的技術(shù)參數(shù) 101
3.4.6 磁盤陣列 103
3.5 光盤存儲器 106
3.5.1 光盤的技術(shù)特點與類型 106
3.5.2 可擦寫型光盤的讀寫原理 107
3.5.3 光盤規(guī)格 107
3.6 閃速存儲器 110
3.6.1 閃速存儲器的特點與原理 110
3.6.2 固態(tài)硬盤 112
3.7 存儲體系 115
3.7.1 多級存儲體系的建立 115
3.7.2 多級存儲體系的性能參數(shù) 117
3.7.3 Cache-主存機制 118
3.7.4 虛擬存儲器 123
習題 126
第4章 I/O接口與I/O過程控制 130
4.1 I/O接口概述 130
4.1.1 接口的功能 130
4.1.2 I/O接口的邏輯結(jié)構(gòu) 133
4.1.3 I/O接口分類 134
4.2 I/O過程的程序直接控制 135
4.2.1 無條件I/O傳送方式 135
4.2.2 程序查詢控制I/O傳送方式 136
4.3 I/O過程的程序中斷控制 138
4.3.1 程序中斷控制及其過程 138
4.3.2 中斷源與中斷請求 140
4.3.3 中斷響應 143
4.3.4 中斷控制器 145
4.3.5 多重中斷 147
4.4 I/O數(shù)據(jù)傳送的DMA控制 147
4.4.1 DMA的基本概念 147
4.4.2 DMA控制器與CPU共享存儲器沖突的解決方案 148
4.4.3 DMA控制器 150
4.4.4 DMA傳送過程 151
4.4.5 DMA方式與中斷方式的比較 153
4.5 I/O過程的通道控制 153
4.5.1 通道控制及其特點 153
4.5.2 通道控制原理 155
4.5.3 通道類型 157
習題 158
第5章 指令系統(tǒng)與控制器組成 161
5.1 處理器的外特性指令系統(tǒng) 161
5.1.1 指令 161
5.1.2 指令系統(tǒng)及其描述 162
5.1.3 RISC與CISC 164
5.2 CISC的成功案例：80x86 168
5.2.1 80x86技術(shù)概述 168
5.2.2 8086的尋址方式 169
5.2.3 8086指令簡介 173
5.3 RISC的成功案例：ARM 180
5.3.1 ARM技術(shù)概述 180
5.3.2 ARM處理器的運行模式 181
5.3.3 ARM處理器的寄存器 181
5.3.4 ARM尋址方式 181
5.3.5 ARM指令的基本格式與數(shù)據(jù)類型 184
5.3.6 ARM指令簡介 185
5.4 組合邏輯控制器設(shè)計 186
5.4.1 指令的微操作分析 187
5.4.2 指令的時序控制與時序部件 189
5.4.3 組合邏輯控制器設(shè)計舉例 191
5.5 微程序控制器設(shè)計 193
5.5.1 微程序操作控制部件的組成 193
5.5.2 微程序操作控制部件設(shè)計舉例 195
習題 197
第6章 處理器的并行架構(gòu) 200
6.1 流水線技術(shù) 200
6.1.1 指令流水線 200
6.1.2 運算流水線 202
6.1.3 流水線中的相關(guān)沖突 203
6.1.4 流水線中的多發(fā)射技術(shù) 205
6.1.5 Pentium CPU 206
6.1.6 向量處理機 209
6.2 多處理器系統(tǒng) 214
6.2.1 多計算機系統(tǒng)與多處理器系統(tǒng) 214
6.2.2 SMP系統(tǒng)架構(gòu) 215
6.2.3 多處理器操作系統(tǒng) 217
6.3 多線程處理器 218
6.3.1 多線程處理器架構(gòu)的提出 218
6.3.2 同時多線程技術(shù) 220
6.3.3 超線程處理器 222
6.4 多核處理器 225
6.4.1 多核處理器及其特點 225
6.4.2 多核 多線程?芯片多線程技術(shù) 227
6.5 關(guān)于處理器并行性開發(fā)的討論 227
6.5.1 并行性及其級別 227
6.5.2 基于并行性的處理器體系Flynn分類 229
6.5.3 處理器并行性開發(fā)的基本思路與途徑 231
習題 232
第7章 計算機輸入輸出設(shè)備 234
7.1 計算機輸入輸出設(shè)備概述 234
7.1.1 計算機人機界面技術(shù)的進步 234
7.1.2 I/O設(shè)備的分類 235
7.1.3 綠色計算機設(shè)備 237
7.2 鍵盤與鼠標 237
7.2.1 物理鍵盤及其原理 238
7.2.2 鍵盤布局類型 238
7.2.3 軟鍵盤 240
7.2.4 虛擬激光鍵盤 240
7.2.5 鼠標 241
7.3 打印設(shè)備 241
7.3.1 打印設(shè)備及其分類 241
7.3.2 打印機的基本性能指標 242
7.3.3 噴墨打印機 244
7.3.4 激光打印機 245
7.3.5 3D打印機 247
7.4 顯示器 250
7.4.1 平板顯示器的基本原理 250
7.4.2 圖像顯示關(guān)鍵技術(shù) 253
7.4.3 平板顯示器的技術(shù)指標 254
7.4.4 觸摸屏 256
7.5 虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實與現(xiàn)實虛擬 258
7.5.1 虛擬現(xiàn)實 258
7.5.2 增強現(xiàn)實 261
7.5.3 現(xiàn)實虛擬、混合現(xiàn)實與介導現(xiàn)實 263
7.6 I/O設(shè)備適配器與驅(qū)動程序 264
7.6.1 顯示適配器 265
7.6.2 聲卡 267
7.6.3 網(wǎng)絡(luò)適配器 270
7.6.4 設(shè)備驅(qū)動程序 272
7.6.5 ROM-BIOS 275
習題 277
第8章 總線與主板 278
8.1 總線概述 278
8.1.1 總線及其規(guī)范 278
8.1.2 總線的性能指標 279
8.1.3 總線分類 281
8.2 總線的工作原理 283
8.2.1 總線的組成與基本傳輸過程 283
8.2.2 總線的爭用與仲裁 285
8.2.3 總線通信中主從之間的時序控制 287
8.3 幾種標準系統(tǒng)總線分析 291
8.3.1 ISA總線 291
8.3.2 PCI總線 293
8.3.3 AGP總線 296
8.3.4 PCI Express總線 297
8.4 幾種標準I/O總線分析 299
8.4.1 ATA與SATA總線 299
8.4.2 SCSI與SAS總線 301
8.4.3 USB 303
8.4.4 FC總線 306
8.5 微型計算機主板 306
8.5.1 主板的概念 306
8.5.2 主板的組成 307
8.5.3 主板架構(gòu)及其進展 312
8.5.4 主板選擇參數(shù) 316
8.5.5 主板整合技術(shù) 317
8.5.6 智慧型主板 318
習題 320
第9章 未來計算機展望 322
9.1 人工智能與智能計算機 322
9.1.1 人工智能及其定義 322
9.1.2 人工智能研究學派與關(guān)注的內(nèi)容 324
9.1.3 智能計算機 329
9.2 量子計算機 332
9.2.1 量子計算機的基本原理 332
9.2.2 量子位 334
9.2.3 量子位門與量子線路圖 336
9.2.4 量子算法 338
9.2.5 量子編程語言 339
9.3 未來計算機的其他探索 339
9.3.1 數(shù)據(jù)流計算機、歸約機和擬態(tài)計算機 339
9.3.2 摩爾定律與未來計算機元器件開發(fā) 340
習題 342
參考文獻 343

IV
計算機組成原理教程（第10版）

V
目 錄