計算機組成原理教程（第6版）

成書過程

修訂情況

在該次修訂中，參考了其他一些著作和網路作品，參加了部分編寫的工作人員有：趙忠孝、姚威、張展維、史林娟、張展赫、戴璐、張秋菊、陳覺。

出版工作

2016年5月1日，該教材由清華大學出版社出版。

出版社工作人員

責任編輯	封面設計	責任校對	責任印製
白立軍、戰曉雷	常雪影	李建莊	何芊

內容簡介

該教材是一本面向套用型專業的計算機組成原理教材。全書共7章：第1章幫助讀者快速建立對計算機系統整體結構的認識，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和控制技術，第4章介紹計算機的匯流排系統和主機板的有關知識，第5章介紹計算機核心部件——控制器的工作原理和基本設計方法，第6章在架構層面上介紹處理器中的並行技術，第7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。

教材目錄

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算盤和算籌的貢獻——軟體與硬體的起源1

1.1.2提花機的啟示與巴貝奇分析機——內程式計算機的發展軌跡4

1.1.3帕斯卡加法器——第一台內動力計算機7

1.1.4從八卦圖到布爾代數——電子數字計算機的運算基礎11

1.1.5電子數字計算機體系的確立19

1.20、1編碼23

1.2.1數字系統中的信息單位與量級23

1.2.2十進制數與二進制數的轉換24

1.2.3八進制、十六進制和二十進制25

1.2.4原碼、反碼、補碼和移碼26

1.2.5浮點數與定點數30

1.2.6聲音的0、1編碼31

1.2.7圖形圖像的0、1編碼32

1.2.8文字的0、1編碼35

1.2.9指令的0、1編碼與電腦程式設計語言38

1.2.10數據傳輸中的差錯檢驗40

1.3電子數字計算機工作原理簡述43

1.3.1電子數字計算機的運算器43

1.3.2計算機存儲器46

1.3.3計算機控制器工作原理簡述49

1.3.4匯流排52

1.3.5計算機工作的時序控制52

1.4計算機系統的主要性能指標55

1.4.1機器字長55

1.4.2存儲容量55

1.4.3運算速度55

1.4.4可靠性、可用性和RASIS特性58

1.4.5效能和環保性58

1.4.6計算機硬體的其他性能指標58

1.5作業系統與計算機系統結構59

1.5.1用作業系統實現計算機的自我管理59

1.5.2作業系統的功能60

1.5.3計算機從裸機走向虛擬機61

1.5.4現代計算機系統的模組結構62

1.5.5現代計算機系統的層次結構62

1.6計算機系統進展63

1.6.1Nathan軟體第一定律64

1.6.2摩爾定律64

1.6.3馮·諾依曼體系結構的局限64

1.6.4基於馮·諾依曼體系的改進65

1.6.5另闢蹊徑——非馮·諾依曼體系結構70

習題72

第2章存儲系統75

2.1主存儲器基本原理75

2.1.1ROM基本原理75

2.1.2SRAM基本原理77

2.1.3DRAM基本原理80

2.2主存儲器結構83

2.2.1存儲體的擴展方式83

2.2.2Bank84

2.2.3記憶體條及其基本組成86

2.2.4並行存儲器88

2.2.5並行處理機的主存儲器91

2.3DRAM內部操作與性能參數92

2.3.1SDRAM的主要引腳92

2.3.2SDRAM的讀寫時序93

2.3.3突發傳輸95

2.3.4數據掩碼96

2.3.5DRAM的動態刷新97

2.3.6晶片初始化與預充電100

2.3.7存儲器控制器102

2.3.8RAM的一般性能參數102

2.3.9DDRSDRAM與RDRAM105

2.4磁碟存儲器106

2.4.1磁表面存儲原理107

2.4.2硬磁碟存儲器的存儲結構109

2.4.3磁碟格式化110

2.4.4硬磁碟存儲器與主機的連線113

2.4.5硬磁碟存儲器的技術參數115

2.4.6磁碟陣列RAID117

2.5光碟存儲器120

2.5.1光碟的技術特點與類型120

2.5.2可擦寫型光碟讀寫原理121

2.5.3光碟規格122

2.6閃速存儲器125

2.6.1快閃記憶體原理125

2.6.2固態硬碟126

2.7存儲體系128

2.7.1多級存儲體系的建立128

2.7.2多級存儲體系的性能參數130

2.7.3cache—主存機制131

2.7.4虛擬存儲器136

2.8未來存儲元件139

2.8.1磁隨機存取存儲器139

2.8.2鐵電隨機存取存儲器140

2.8.3相變隨機存取存儲器141

2.8.4阻變隨機存取存儲器141

習題142

第3章輸入輸出系統146

3.1I/O設備146

3.1.1I/O設備及其發展146

3.1.2鍵盤149

3.1.3列印設備152

3.1.4滑鼠157

3.1.5顯示器158

3.1.6觸控螢幕164

3.1.7虛擬現實設備165

3.2I/O接口167

3.2.1影響I/O設備與計算機連線的主要因素168

3.2.2緩衝169

3.2.3I/O接口及其邏輯171

3.2.4I/O連線埠172

3.2.5可程式並行接口8255A173

3.2.6可程式串列接口8251175

3.3I/O過程的程式直接控制176

3.3.1I/O過程的程式無條件傳送控制方式176

3.3.2I/O過程的程式查詢控制方式177

3.4I/O過程的程式中斷控制178

3.4.1程式中斷控制的核心概念178

3.4.2中斷關鍵技術181

3.4.3中斷接口185

3.4.4多重中斷187

3.5I/O數據傳送的DMA控制187

3.5.1DMA的基本概念187

3.5.2DMA與CPU共享存儲器衝突的解決方案188

3.5.3DMA控制器190

3.5.4DMA傳送過程191

3.5.5DMA與中斷方式比較193

3.6I/O過程的通道控制193

3.6.1通道控制及其特點193

3.6.2通道控制原理195

3.6.3通道類型198

3.7I/O管理199

3.7.1設備驅動程式199

3.7.2ROMBIOS200

3.7.3I/O設備分配202

習題204

第4章匯流排與主機板207

4.1匯流排的概念207

4.1.1匯流排及其規範207

4.1.2匯流排分類208

4.1.3匯流排的性能指標210

4.1.4標準匯流排212

4.2匯流排工作原理212

4.2.1匯流排的組成與基本傳輸過程212

4.2.2匯流排的爭用與仲裁213

4.2.3匯流排通信中主從之間的時序控制216

4.3幾種標準系統匯流排分析220

4.3.1ISA匯流排220

4.3.2PCI匯流排222

4.3.3AGP匯流排225

4.3.4PCIExpress匯流排226

4.4幾種標準I/O匯流排分析228

4.4.1ATA與SATA匯流排228

4.4.2SCSI與SAS匯流排230

4.4.3USB匯流排232

4.4.4光纖通道匯流排236

4.5微型計算機主機板236

4.5.1主機板的概念236

4.5.2主機板的組成237

4.5.3主機板分類242

4.5.4智慧型主機板243

習題245

第5章控制器邏輯247

5.1處理器的外特性——指令系統247

5.1.1指令與指令系統247

5.1.2定址方式250

5.1.3Intel8086指令簡介255

5.1.4RISC與CISC262

5.1.5指令系統的設計內容266

5.2組合邏輯控制器267

5.2.1指令的微操作分析267

5.2.2指令的時序控制與時序部件269

5.2.3組合邏輯控制器設計舉例271

5.3微程式控制器274

5.3.1概述274

5.3.2微程式操作控制部件的組成274

5.3.3微程式操作控制部件設計舉例275

習題278

第6章處理器架構281

6.1流水線技術281

6.1.1指令流水線281

6.1.2運算流水線283

6.1.3流水線中的相關衝突284

6.1.4流水線中的多發射技術286

6.1.5PentiumCPU288

6.1.6流水線向量處理機291

6.2多處理器系統295

6.2.1多計算機系統與多處理器系統295

6.2.2SMP架構296

6.2.3多處理器作業系統299

6.3多執行緒處理器300

6.3.1多執行緒處理器架構的提出300

6.3.2同時多執行緒技術302

6.3.3超執行緒處理器303

6.4多核處理器307

6.4.1多核處理器及其特點307

6.4.2多核+多執行緒——CMT技術308

6.5關於處理器並行性開發的討論309

6.5.1並行性及其級別309

6.5.2基於並行性的處理器體系Flynn分類310

6.5.3處理器並行性開發的思路和途徑312

習題314

第7章未來計算機展望316

7.1數據流計算機316

7.1.1從控制流驅動到數據流驅動316

7.1.2數據流程圖及其操作規則317

7.1.3數據流計算機指令的組成與執行過程318

7.1.4靜態數據流計算機與動態數據流計算機318

7.2歸約機320

7.2.1需求驅動320

7.2.2FFP歸約機結構321

7.2.3FFP工作過程321

7.3智慧型計算機322

7.3.1智慧型計算機及其性能特點322

7.3.2智慧型計算機的一般結構323

7.3.3智慧型計算機的解題過程325

7.4神經網路計算機325

7.4.1神經元與神經網路325

7.4.2人工神經網路327

7.4.3神經網路計算機的實現技術329

7.5基於非電子器件的計算機展望330

7.5.1關於摩爾定律壽命的討論330

7.5.2納米電子器件331

7.5.3量子計算機333

7.5.4光學計算機335

7.5.5超導技術337

7.5.6生物計算機338

7.5習題340

附錄A國內外常用二進制邏輯元件圖形符號對照圖341

參考文獻343

（註：目錄排版順序為從左列至右列）

教學資源

該教材配有配套教材——《計算機組成原理解題參考（第6版）》。

書名	書號	出版社	作者
《計算機組成原理解題參考（第6版）》	9787302421948	清華大學出版社	張基溫

教材特色

該教材從知識建構、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5次修訂，更加適合教學。

該教材是一本面向套用的教材，目的是讓學習者能從套用的角度來了解計算機的組成及其工作原理。為了實現這個目的，在一開始構思時，就考慮不對運算器的內容介紹得太多；另一方面的考慮是這部分內容與數字邏輯重疊太多。

該教材是在第5版的基礎上修訂而成的。在修訂中強調了如下4個方面：一是突出哲理，強調計算機技術發展中所折射出來的邏輯思維精華，以啟迪思維，激勵創新；二是增添新的技術，淘汰過時的技術；三是強化部分對於套用有價值的內容；四是對有關內容進一步重組。

作者簡介

張基溫，男，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、新媒體。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。