计算机组成原理/刘超/高等学校计算机专业规划教材

本书结构新颖、内容实用、层次有序、概念清晰、语言通俗，可作为高等院校计算机类专业本科生“计算机组成原理”课程的教材

本书包含计算机系统概论、计算机组成设计实现基础、系统总线及其I/O接口、运算器及其设计实现、主存储器及其组织实现、控制器及其设计实现、输入输出系统及其操作控制和并行处理及其实现体系结构等共8章，可分为三部分：第1章和第2章为第一部分，讨论计算机组成设计实现的基础；第3～7章为第二部分，讨论计算机组成部件的设计实现；第8章为第三部分，介绍并行处理及其实现的体系结构。

第1章计算机系统概论/1 1.1计算机及其发展与应用1 1.1.1计算机及其功能特点1 1.1.2计算机发展的历史2 1.1.3未来计算机的发展6 1.1.4计算机应用7 1.2计算机的结构原理9 1.2.1计算机的工作原理9 1.2.2冯·诺依曼计算机体系结构12 1.2.3计算机功能部件简介15 1.3计算机组成实现与性能分类17 1.3.1计算机组成与计算机实现17 1.3.2计算机组成层次与互连17 1.3.3计算机的主要性能指标18 1.3.4计算机的分类19 1.4计算机系统及其软件21 1.4.1计算机系统及其软硬件等效性21 1.4.2计算机软件的分类22 1.4.3计算机系统的层次性23 复习题24 练习题25 第2章计算机组成设计实现基础/26 2.1数据表示与指令系统概述26 2.1.1数据表示与二进制编码26 2.1.2非数值数据编码27 2.1.3线性结构数据表示33 2.1.4指令系统及其发展34 2.2数值数据表示36 2.2.1数值数据表示的相关概念37〖1〗计算机组成原理目录[3]〖3〗 2.2.2数值数据的表示格式39 2.2.3定点数的编码及其数值范围41 2.2.4定点机器数的比较与转换47 2.2.5定点机器数符号扩展50 2.2.6浮点数的编码与数值范围50 2.3数据校验的编译码与实现54 2.3.1数据校验及其基本思想55 2.3.2奇偶校验码56 2.3.3海明校验码59 2.3.4循环冗余校验码63 2.4指令格式与指令功能分类69 2.4.1指令格式及其结构类型69 2.4.2指令系统的设计要求与功能分类74 2.4.3数据传输指令76 2.4.4运算操作指令78 2.4.5程序控制指令79 2.5寻址方式与堆栈81 2.5.1寻址方式及其分类81 2.5.2指令寻址方式82 2.5.3操作数寻址方式83 2.5.4堆栈及其寻址实现89 复习题94 练习题96 第3章系统总线及其I/O接口/100 3.1总线的基本概念100 3.1.1总线及其电路100 3.1.2总线的分类101 3.1.3总线的特性与性能指标103 3.1.4总线事务与数据传送方式104 3.2系统总线特性与连接结构106 3.2.1数据交换过程与传输线分类106 3.2.2总线通信的定时方式107 3.2.3串行传送的通信方式111 3.2.4总线仲裁及其仲裁方法112 3.2.5单机系统的连接方式117 3.3系统总线I/O接口120 3.3.1I/O接口及其分类120 3.3.2I/O接口的功能与结构模型121 3.3.3串行接口123 3.3.4并行接口126 3.4实用标准总线及其I/O接口128 3.4.1实用标准总线的发展历程128 3.4.2主流实用总线标准简介131 3.4.3典型实用接口标准简介135 复习题141 练习题142 第4章运算器及其设计实现/143 4.1二进制基本加法器及其进位逻辑143 4.1.1二进制基本加法器与串行加法器143 4.1.2并行加法器及其串行进位145 4.1.3先行进位及其层级分时147 4.2定点数加减运算及其逻辑实现154 4.2.1补码加减的运算方法154 4.2.2补码加减运算上溢判断方法158 4.2.3补码加减运算的逻辑实现163 4.2.4移码加减运算及其逻辑实现164 4.2.5十进制加运算及其逻辑实现167 4.3定点数乘运算及其逻辑实现170 4.3.1乘法器种类与手工运算的改进170 4.3.2有符号数的移位与舍入规则172 4.3.3原码一位乘法及其逻辑实现173 4.3.4补码一位乘法及其逻辑实现177 4.3.5两位乘运算方法180 4.3.6阵列乘法器185 4.4定点数除运算及其逻辑实现188 4.4.1除法器种类与手工运算的改进188 4.4.2原码除法及其逻辑实现190 4.4.3补码除法及其逻辑实现193 4.4.4阵列除法器199 4.5浮点数算术运算方法与逻辑运算实现201 4.5.1浮点数加减运算方法201 4.5.2浮点数乘除运算方法204 4.5.3逻辑运算及其实现207 4.6运算器组成及其组织结构208 4.6.1算术逻辑运算单元与部件209 4.6.2SN74181 ALU集成电路芯片211 4.6.3定点运算器组成及其组织结构213 4.6.4浮点运算器组成结构215 复习题216 练习题218 第5章主存储器及其组织实现/221 5.1存储器与存储系统的概述221 5.1.1存储器的访问与性能221 5.1.2存储器的分类及其结构222 5.1.3存储系统及其组织结构224 5.1.4二级结构存储系统及其比较228 5.1.5半导体存储器芯片的一般结构229 5.2MOS写常态存储器芯片233 5.2.1静态存储器芯片的结构原理233 5.2.2动态存储器芯片的结构原理236 5.2.3静态存储器芯片的读写周期241 5.2.4动态MOS存储器的刷新245 5.2.5动态MOS存储器的新技术249 5.3只读与混合MOS存储器芯片251 5.3.1只读MOS存储器芯片的结构原理251 5.3.2混合MOS存储器芯片的结构原理254 5.3.3半导体存储器芯片的特性与引脚255 5.4主存储器及其容量扩展组织257 5.4.1主机及其存储器的组成结构257 5.4.2主存储器的数据存放方法259 5.4.3主存储器模块的组织262 5.4.4主存储器实现及其与CPU的连接269 5.5主存储器带宽扩展组织279 5.5.1主存储器性能提高的技术途径279 5.5.2双端口存储器280 5.5.3单体多字存储器282 5.5.4多体多字存储器283 复习题288 练习题290 第6章控制器及其设计实现/293 6.1控制器功能结构与实现方法293 6.1.1中央处理器的功能与结构293 6.1.2中央处理器中的寄存器295 6.1.3中央处理器的主要性能指标298 6.1.4控制器的功能与结构299 6.1.5控制信号序列发生器的实现方法302 6.2指令处理的数据通路、微操作与微命令304 6.2.1指令处理流程及其状态转换304 6.2.2指令处理的数据通路及其微操作306 6.2.3模型机及其微命令309 6.3时序信号体系及其控制实现315 6.3.1指令周期及其时段划分315 6.3.2控制器时序控制317 6.3.3CPU内部时序信号体系319 6.3.4时序信号产生器322 6.4微程序设计技术326 6.4.1微指令及其基本格式327 6.4.2微程序及其与指令、微指令的关系329 6.4.3微命令的编码方法331 6.4.4微指令格式的类型334 6.4.5微程序运行的控制方法336 6.4.6微程序设计341 6.5硬布线控制器与微程序控制器346 6.5.1硬布线控制器346 6.5.2微程序控制器348 6.5.3微程序控制器与硬布线控制器的比较350 6.6控制信号序列发生器设计351 6.6.1模型机指令及其控制信号序列351 6.6.2组合逻辑控制信号序列发生器设计355 6.6.3存储逻辑控制信号序列发生器设计359 复习题364 练习题365 第7章输入输出系统及其操作控制/371 7.1输入输出系统概述371 7.1.1外围设备的分类与特性371 7.1.2输入输出系统及其结构功能373 7.1.3输入输出的过程与指令374 7.1.4输入输出控制的发展历程374 7.1.5输入输出系统的工作方式376 7.2中断及其实现的结构原理378 7.2.1中断与中断源378 7.2.2中断请求381 7.2.3中断响应383 7.2.4中断服务返回与中断过程结构388 7.3输入输出操作的控制方式391 7.3.1程序查询控制方式392 7.3.2程序中断控制方式395 7.3.3直接存储访问控制方式398 7.3.4通道控制方式404 7.4输入设备407 7.4.1键盘407 7.4.2扫描仪411 7.4.3数码相机412 7.4.4其他输入设备415 7.5输出设备417 7.5.1打印机417 7.5.2显示器421 7.6存储设备429 7.6.1磁表面存储器429 7.6.2硬磁盘存储器432 7.6.3冗余磁盘阵列435 7.6.4光盘存储器441 复习题444 练习题446 第8章并行处理及其实现体系结构/450 8.1并行处理及其体系结构概论450 8.1.1并行性与并行处理450 8.1.2并行处理体系结构的由来452 8.1.3现代计算机体系结构特点与分类455 8.1.4并行计算机及其形成过程456 8.2流水线处理机457 8.2.1流水线的基本概念457 8.2.2先行控制及其实现结构461 8.2.3流水线处理机的分类463 8.2.4基于硬件指令高度并行技术464 8.2.5基于软件指令高度并行技术468 8.2.6向量高度并行处理技术470 8.3阵列处理机473 8.3.1操作模型与处理单元结构473 8.3.2阵列处理机的体系结构475 8.3.3阵列处理机的特点与算法475 8.4多处理机478 8.4.1多处理机的提出及其组织形式478 8.4.2多处理机存储器的组织模型479 8.4.3多处理机的通信与访存模型482 8.4.4多处理机的分类与特点483 8.4.5多处理机操作系统的类型486 8.5多核处理器与多线程技术487 8.5.1多核与多核处理器487 8.5.2多核处理器产生的缘由489 8.5.3多线程与超线程490 8.5.4多核多线程492 复习题493 练习题494 参考文献/496

一台完整计算机(系统)包含硬件和软件，硬件是功能实现的根基，软件指示硬件的工作任务，用于扩展硬件功能。近二十多年来，由于计算机技术的迅猛发展及其应用领域的不断延伸，以单台计算机为基础，衍生出计算机科学与技术、软件工程、网络工程、信息安全、物联网工程、数字媒体技术、智能科学与技术、空间信息与数字技术、数据科学与大数据技术等专业，由此形成一个计算机类专业群。可见，底层(硬件)的结构原理与运行机制及其设计实现技术是计算机设计实现及其应用能力建构的必备知识，并已渗透到许多领域，也必将渗透到人类社会活动的方方面面。所以“计算机组成原理”是计算机类各专业的一门专业核心课，在计算机硬件课程体系中具有承上启下的作用，“承”先导课程有“数字逻辑电路”和“汇编语言程序设计”，“启”后继课程有“计算机体系结构”“微型计算机及其接口技术”“嵌入式系统及其应用开发”“单片机及其应用开发”等。依据地方本科高校应用型人才培养的目标要求及其学生的特点，编写知识体系适宜、层次结构清晰、文字探究可读性强、适应于自主研究性学习的“计算机组成原理”教材是极其必要的。 1. 编写的基本思想 “计算机组成原理”的教学内容不仅繁多复杂、差异性大、理论性强，而且知识具有难、远、长的特点。“难”是知识难以掌握，“远”是理论与实际相距甚远，“长”是知识关系链长。根据地方本科高校应用型人才培养的目标要求和“计算机组成原理” 知识内容的特点，借鉴吸收优秀经典计算机组成原理教材的优点，在总结分析自己长期从事“计算机组成原理”及硬件系列课程教学的基础上，本书编写的基本思想为： ①在内容范围上，选择定位于本义性“计算机组成原理”，围绕经典计算机硬件结构框架，讨论组成部件的设计实现， 简要介绍现代计算机的体系结构； ②在内容组织上，按先软(设计实现基础)后硬(部件设计实现)、先经典后现代的原则，对经典教材一般结构进行适当调整； ③在内容阐述上，以问题场景或知识关联为引导，不仅通俗具体地叙述知识，而且还深化详细地析解知识，使得文字探究可读，适用于学生自主研究性学习。 组成实现是认知物理形态对象的基本途径，整体是由部分分层组成实现的。计算机(硬件)的组成可分为整机、部件、器件和元件等四个层次，通过元件→器件、器件→部件、部件→整机等三级来实现，且分别对应“数字逻〖1〗计算机组成原理前言[3]〖3〗辑电路”“计算机组成原理”和“计算机体系结构”等三门课程，该三门课程是计算机硬件课程的核心体系，知识关系极为紧密。因此，虽然“计算机组成原理”教材众多，但从内容范围来看，一般可分为本义性和扩展性两种类型，扩展性“计算机组成原理”教材又分为带先导的和带后继的两种类型。本义性“计算机组成原理”教材是以经典计算机结构框架为基础，按计算机三级实现设置硬件课程来规划内容范围。带先导的扩展性“计算机组成原理”教材是考虑不单独设置先导课程“数字逻辑电路”，在本义性“计算机组成原理”教材的基础上，增加1～2章来阐述数字逻辑电路的基本知识。带后继的扩展性“计算机组成原理”教材是考虑不另外设置后继课程“计算机体系结构”，且“计算机组成原理”与“计算机体系结构”在知识内容上难以区分，在本义性“计算机组成原理”教材的有关章中，增加1～2节来介绍“计算机体系结构”的相应知识(该类型目前出版最多)，如在控制器及其设计实现一章中介绍流水线处理技术，主存储器及其组织实现一章改为存储系统及其组织实现，主存储器仅作为存储层次的一部分，等等。同种类型“计算机组成原理”教材，其内容范围差异不大，但扩展性“计算机组成原理”教材体量较大，一般需要90～100课时来完成其所包含知识内容的教学，如此还不如单独设置两门课程。目前，计算机类专业通常单独设置三门或前两门课程来配置计算机硬件核心课程体系，极少把“数字逻辑电路”或“计算机体系结构”的知识内容包含于“计算机组成原理”课程之中。因此，本教材内容范围选择定位于本义性“计算机组成原理”。 本义性“计算机组成原理”教材内容范围的组织结构大同小异，一般分为计算机系统概论、数据信息表示与检验、指令系统、运算方法与运算器、主存储器及其组织、中央处理器、系统总线、输入输出系统(含接口)、输入输出设备等9章。这样的组织结构使得各章之间所包含知识与篇幅差异较大，如指令系统和系统总线两章同运算方法与运算器和中央处理器两章相比，所包含知识与篇幅很少。对此，本教材在组织结构上进行了三方面的调整:一是由于数据信息表示与检验和指令系统两章的知识内容均是计算机结构及其功能部件设计实现的基础，便将它们合并为一章，称为“计算机组成设计实现基础”；二是由于性能不高的计算机均采用总线结构，则接口必须面向某一系统总线，即如系统总线一样是标准化的，便将I/O接口的知识内容调整到系统总线一章，称为“系统总线及其I/O接口”；三是输入输出设备是输入输出系统的组成部分，便将输入输出系统和输入输出设备合并为一章，称为“输入输出系统及其操作控制”。另外，为便于学生自学了解现代计算机的体系结构，则增加一章“并行处理及其实现体系结构”。所以，本教材分为8章，且按内容组织原则，顺序为: 计算机系统概论、计算机组成设计实现基础、系统总线及其I/O接口、运算器及其设计实现、存储器及其组织实现、控制器及其设计实现、输入输出系统及其操作控制和并行处理及其实现体系结构。 地方本科高校的学生普遍存在“重软轻硬”现象，由教材提供一定的文字阅读量、深化具体展开知识探究，是提高学生学习兴趣、促进学生自主研究性学习的途径之一。在知识叙述上，平铺直叙知识内容，没有关联通俗的比较，则文字的可阅读性和趣味性不强；如叙述“微指令格式”时，则同“指令格式”相比较，为什么前者需要配置“顺序控制域”，而后者却不需要。在知识析解上，“就事论事”地阐述“怎样做”，不深入解释“为什么这样做”，则知识可理解性、可探讨性不高；如解释“指令功能分类”时，则应从计算机的功能特性与工作原理出发，来解释为什么需要配置这些类型的指令。特别地，依据基于问题学习(PBL)教学理论，每一节都配置一段问题引导，通过关联场景，提出本节需要讨论的知识和解决的问题，有利于基于问题学习的实现和学生自主研究性学习。 2. 教材各章概述 教材共8章，可分为三个部分。第一部分包括第1、2章。第1章回顾计算机发展的历史，展望计算机发展的未来，介绍计算机的功能特点与应用领域，讨论计算机的结构原理与组成实现，分析软硬件关系及其等效性、虚拟计算机等概念，阐述计算机的性能指标与分类和计算机系统的层次性。第2章介绍数据表示、数据检验和指令系统及其相关概念，讨论非数值数据的编码和数值数据的表示方法及其功效特征，分析数据检验编码的原理及其方法，阐述指令格式及其结构类型、指令功能分类、寻址方式和堆栈及其寻址实现。 第二部分包括第3到7章。第3章介绍总线及其分类、特性、事务等基本概念和常用系统总线与I/O接口标准的性能特点，阐述系统总线的数据交换过程、通信定时方式、分配仲裁方法、单处理机的总线结构，讨论I/O接口及其分类和功能结构。第4章在阐述基本二进制加法器及其进位逻辑的基础上，分析原码与补码加、减、乘、除运算的方法、规则及流程，讨论原码与补码加、减、乘、除运算的逻辑实现与速度提高的途径，介绍算术逻辑运算部件结构设计方法和运算器的组成结构及其组织形式。第5章介绍存储器的分类、性能指标、存储系统和地址译码等基本概念，分析MOS型半导体存储器芯片的结构原理与组成逻辑、特性与引脚，讨论主存储器容量扩展与带宽扩展的组织实现技术。第6章在介绍中央处理器的功能模型与性能指标、控制器的功能结构与实现方法等的基础上，分析指令处理流程中的状态转换及其相应的数据通路、微操作、微命令和时序信号体系及其控制方式与实现结构原理，讨论微程序设计技术、组合逻辑控制器与存储逻辑控制器的组成结构，阐述控制信号序列发生器的设计方法。第7章介绍输入输出系统及其结构功能与特性类型，阐述中断及其实现的过程原理，讨论各种输入输出操作控制方式的实现原理，分析常用外围设备的结构原理与功能特性。 第三部分即第8章，介绍并行处理与流水线技术的基本概念、实现途径和现代并行计算机的特点分类，讨论流水线处理机、阵列处理机和多处理机等三种并行计算机的结构原理与特点分类，阐述多核技术、多线程技术和超线程技术的概念与实现方法。 另外，每章附有大量的复习题和练习题。复习题即是复习要点，用于检查学生对基本知识掌握是否全面，以便于查漏补缺。练习题用于检查学生对基本知识理解的状态，以便于提高基本知识的应用能力。 3. 教材的特色 目的明确，定位实用。面向地方本科高校培养应用型人才，针对地方本科高校学生的特点，通过该课程学习，为计算机应用能力的建构奠定基础。围绕冯·诺依曼计算机的结构框架，内容范围定位于本义性“计算机组成原理”。 结构新颖，层次清晰。对经典教材一般结构进行适当调整，知识域的组织结构与现有经典教材有所不同。依据先软(设计实现基础)后硬(部件设计实现)、先经典后现代的原则安排知识域的框架结构，使得学习具有由表及里、循序渐进的特性。 问题引导，可读可研。在知识内容关联比较的基础上来叙述知识，可有效地增加文字阅读量、提高可阅读性。通过关联性问题场景来提出问题和通俗化地解释技术方法形成的原理或思维逻辑，可有效地提高可理解性和可探讨性，促进学生自主研究性学习。 在本书出版过程中，得到清华大学出版社、江西师范大学计算机信息工程学院与教务处的大力支持与帮助，清华大学出版社编辑们付出大量辛勤劳动，特别是龙启铭编辑提出了许多宝贵建议；在本书编写过程中，许多从事一线教学的同仁们给出了不少建设性意见，还直接或间接引用了许多专家学者的文献著作(已通过参考文献部分列出)，在此一并表示衷心感谢与敬意。 限于作者的知识经验与能力水平，书中一定存在许多错误与疏漏之处，敬请同行专家学者和广大读者批评指正。 作者 2019年5月