计算机组织与体系结构

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*科技进步，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、，1项成果

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 　　…… 第4章　指令系统 第5章　中央处理机 第6章　部线系统 第7章　外围设备 第8章　输入/输出系统 第9章　操作系统支持 第10章　安腾高性能处理机体系结构 第11章　并行体系结构 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

  模拟计算机南于精度和解题能力都有限，所以应用范围较小。数字计算机则与模拟计算机不同，它是以近似于人类的“思维过程”来进行T作的，所以有人把它叫做电脑。它的发明和发展是20世纪人类最伟大的科学技术成就之一，也是现代科学技术发展水平的主要标志。习惯上所称的计算机，一般是指现在广泛应用的数字计算机。

    数字计算机进一步义可分为专用计算机和通用计算机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性最差。通用计算机适应性很强，但是牺牲了效率、速度和经济性。

    第1章计算机系统概论

  计算机系统不同于一般的电子设备，它是一个由硬件、软件组成的复杂的自动化设备。本章先说明计算机的分类，然后采用自上而下的方法，简要地介绍硬件、软件的概念和组成，目的在于使读者先有一个粗略的总体概念，以便于展开后续各章内容。

    1．1计算机的分类

  计算机从总体上来说分为两大类。一类是模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。例如计算尺是用长度来标示数值；时钟是用指针在表盘上转动来表示时间；电表是用角度来反映电量大小，这些都是模拟计算装置。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。

    另一类是数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。表I．1列}}j了数字计算机与模拟计算机的主要区别。

    通用计算机可分超级计算机、大型机、服务器、1：作站、微型机和单片机六类，它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格，如图1．1所示。一般来说，超级汁算机主要用于科学计算，其运算速度在每秒万亿次以上，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵。而单片计算机是只用一片集成电路做成的计算机．体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜。介于超级计算机和双核机之间的是大型机、服务器、微型机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减。但是随着超大规模集成电路的迅速发展，微型机、单片机等彼此之间的概念也在发生变化，因为今天的微型机可能就是明天的单片机，而今天的单片机可能就是明天的双核机。专用计算机是针对某一任务设计的计算机，一般来说，其结构要比通用机简单。目前，已经有多种型号的通用单片机及片上系统单片机用于测试或控制。

    1．2计算机的发展简史1．2．1计算机的五代变化

    世界上第一台电子数字计算机是1 946年在美国宾夕法尼亚大学制成的。这台机器用了181300多个电子管，占用长度超过30m的房间，重量达．30t，而运算速度只有5000次每秒。从今天的眼光来看，这台计算机耗费既大又不完善，但却是科学史上一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的基础。自从这台计算机问世60多年来，从使用的器件角度来说，计算机的发展大致经历了五代的变化。

    第一代为电子管计算机，1946—1957年。计算机的运算速度为几千次至几万次每秒，体积庞大，成本很高，可靠性较低。在此期间，形成了计算机的基本体系，确定了程序设计的基本方法，数据处理机开始得到应用。

    第二代为晶体管计算机，．[958—1 964年。计算机的运算速度提高到几万次至十几万次每秒，可靠性提高，体积缩小，成本降低。在此期间，工业控制机开始得到应用。

    第i代为中小规模集成电路计算机．1965 1 971年。计算机的可靠性进一步提高，体积进一步缩小，成本进一步下降，运算速度提高到几十万次至几百万次每秒。在此期间形成了机种多样化，生产系列化，使用系统化的特点，小型计算机开始出现。

    第四代为大规模和超大规模集成电路计算机，l 972—1 990年。其可靠性更进一步提......

本书重点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）中央处理机；（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。 　　本书是作者对“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。 　　本书：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。本书文字流畅、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。