計算機組成原理教程（第8版）

成書過程

修訂情況

該教材在修訂中，參考了其他一些著作和網路作品；參加了部分寫作的工作人員有：趙忠孝、姚威、張展為、史林娟、戴璐、張友明、張秋菊、陳覺。

出版工作

2018年3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	常雪影	焦麗麗	董瑾

內容簡介

該教材是一種面向套用型的計算機組成原理教材。全書共分8章：第1章幫助讀者快速、趣味、深刻地建立計算機系統的整體概念，並介紹了現代計算機硬體的測試技術與工具；第2章介紹計算機的存儲系統，並介紹DRAM的內部操作對性能參數的影響；第3章介紹計算機的匯流排系統和主機板的有關知識；第4章介紹計算機的輸入輸出控制技術；第5章計介紹計算機的輸入輸出設備；第6章介紹計算機核心部件——控制器的工作原理和基本設計思想；第7章在架構層面上介紹處理器中的並行技術；第8章介紹人們在非馮·諾依曼體系結構和非矽晶體元器件兩個方面的探索。

教材目錄

第1章計算機系統概述 1

1.1計算工具自動化的形成軌跡 1

1.1.1算盤和算籌——軟體與硬體的起源 1

1.1.2從提花機到巴貝奇分析機——內程式計算機模型的提出 5

1.1.3內動力計算機的形成軌跡 9

1.1.4從八卦圖到布爾代數——電子數字計算機的理論基礎 16

1.1.5馮·諾依曼電子數字計算機體系的確立 24

1.1.6作業系統——計算機的自我管理 28

1.1.7現代計算機系統結構 30

1.1.8自動計算機理論的再討論 32

1.20、1編碼 33

1.2.1數字系統中的信息單位與量級 33

1.2.2十進制數與二進制數的轉換 34

1.2.3八進制、十六進制和二-十進制 36

1.2.4原碼、反碼、補碼和移碼 37

1.2.5浮點數與定點數 40

1.2.6聲音的0、1編碼 42

1.2.7圖形/圖像的0、1編碼 43

1.2.8文字的0、1編碼 46

1.2.9指令的0、1編碼與電腦程式設計語言 49

1.2.10數據傳輸中的抗干擾編碼 51

1.3電子數字計算機的基本原理 54

1.3.1電子數字計算機的運算器 54

1.3.2計算機存儲器 56

1.3.3計算機控制器 60

1.3.4匯流排 63

1.3.5計算機中的時序控制 64

1.4馮·諾依曼計算機體系改進 66

1.4.1馮·諾依曼體系的瓶頸 66

1.4.2並行與共享 67

1.4.3哈佛結構 70

1.5計算機性能評測 71

1.5.1計算機的主要性能指標 71

1.5.2計算機性能測試工具 76

1.5.3天梯圖 78

習題 79

第2章存儲系統 83

2.1主存儲器概述 83

2.1.1ROM元件 83

2.1.2RAM元件與存儲結構 85

2.1.3DRAM元件與基本存儲結構 88

2.2主存儲體組織 91

2.2.1記憶體條的結構 91

2.2.2存儲體的基本擴展方式 94

2.2.3Bank 95

2.2.4並行存儲器 97

2.2.5並行處理機的主存儲器 99

2.2.6存儲器控制器 100

2.3SDRAM內部操作與性能參數 101

2.3.1SDRAM的主要引腳 101

2.3.2SDRAM的讀寫時序 101

2.3.3突發傳輸 104

2.3.4數據掩碼 105

2.3.5DRAM的動態刷新 106

2.3.6晶片初始化與預充電 109

2.3.7RAM的一般性能參數 111

2.3.8DDRSDRAM晶片參數 113

2.4磁碟存儲器 114

2.4.1磁表面存儲原理 114

2.4.2硬磁碟存儲器的存儲結構 117

2.4.3磁碟格式化 118

2.4.4硬磁碟存儲器與主機的連線 121

2.4.5硬磁碟存儲器的技術參數 123

2.4.6磁碟陣列RAID 125

2.5光碟存儲器 129

2.5.1光碟的技術特點與類型 129

2.5.2可擦寫型光碟的讀寫原理 129

2.5.3光碟規格 130

2.6閃速存儲器 133

2.6.1快閃記憶體的原理 134

2.6.2固態硬碟 134

2.7存儲體系 136

2.7.1多級存儲體系的建立 136

2.7.2多級存儲體系的性能參數 138

2.7.3Cache-主存機制 139

2.7.4虛擬存儲器 144

2.8未來記憶元件 148

2.8.1磁隨機存取存儲器 148

2.8.2鐵電隨機存取存儲器 149

2.8.3相變隨機存取存儲器 149

2.8.4阻變隨機存取存儲器 150

習題 151

第3章匯流排與主機板 154

3.1匯流排的概念 154

3.1.1匯流排及其規範 154

3.1.2匯流排分類 155

3.1.3匯流排的性能指標 158

3.1.4標準系統匯流排 159

3.2匯流排的工作原理 160

3.2.1匯流排的組成與基本傳輸過程 160

3.2.2匯流排的爭用與仲裁 161

3.2.3匯流排通信中主從之間的時序控制 164

3.3幾種標準系統匯流排分析 168

3.3.1ISA匯流排 168

3.3.2PCI匯流排 169

3.3.3AGP匯流排 173

3.3.4PCI-Express匯流排 174

3.4幾種標準I/O匯流排分析 175

3.4.1ATA與SATA匯流排 175

3.4.2SCSI與SAS匯流排 177

3.4.3USB匯流排 180

3.4.4光纖匯流排FC 183

3.5微型計算機主機板 183

3.5.1主機板的概念 183

3.5.2主機板的組成 184

3.5.3主機板架構及其進展 190

3.5.4主機板選擇參數 194

3.5.5主機板整合技術 196

3.5.6智慧型主機板 196

習題 199

第4章I/O接口與數據交換控制 201

4.1I/O接口 201

4.1.1影響I/O設備與計算機連線的主要因素 201

4.1.2I/O接口的功能與類型 203

4.1.3I/O接口的一般結構 203

4.1.4緩衝 204

4.1.5I/O連線埠及其編址 206

4.2I/O過程的程式直接控制 207

4.2.1I/O過程的程式無條件傳送控制方式 207

4.2.2I/O過程的程式查詢傳送方式 208

4.3I/O過程的程式中斷控制 209

4.3.1程式中斷控制的核心概念 209

4.3.2中斷關鍵技術 212

4.3.3中斷接口 216

4.3.4多重中斷 218

4.4I/O數據傳送的DMA控制 218

4.4.1DMA的基本概念 218

4.4.2DMA與CPU共享存儲器衝突的解決方案 219

4.4.3DMA控制器 221

4.4.4DMA傳送過程 222

4.4.5DMA方式與中斷方式的比較 224

4.5I/O過程的通道控制 225

4.5.1通道控制及其特點 225

4.5.2通道控制原理 227

4.5.3通道類型 229

習題 230

第5章計算機輸入輸出設備 233

5.1計算機輸入輸出設備概述 233

5.1.1計算機人-機界面技術的進步 233

5.1.2I/O設備的分類 235

5.1.3綠色計算機設備 236

5.2鍵盤與滑鼠 237

5.2.1物理鍵盤及其原理 237

5.2.2鍵盤布局類型 238

5.2.3軟鍵盤 239

5.2.4虛擬雷射鍵盤 240

5.2.5滑鼠 240

5.3列印設備 241

5.3.1列印設備及其分類 241

5.3.2印表機的基本性能指標 242

5.3.3噴墨印表機 243

5.3.4雷射印表機 245

5.3.53D印表機 247

5.3.64D印表機 250

5.4顯示器 251

5.4.1平板顯示器的基本原理 252

5.4.2圖像顯示關鍵技術 255

5.4.3平板顯示器的技術指標 256

5.4.4觸控螢幕 258

5.5虛擬現實、增強現實與現實虛擬 260

5.5.1虛擬現實 260

5.5.2增強現實 262

5.5.3現實虛擬、混合現實與介導現實 265

5.6I/O設備適配器 266

5.6.1顯示適配器 267

5.6.2音效卡 270

5.6.3網路適配器 272

5.7設備驅動程式與BIOS 274

5.7.1設備驅動程式 274

5.7.2ROMBIOS 277

習題 279

第6章控制器邏輯 281

6.1處理器的外特性——指令系統 281

6.1.1指令系統與彙編語言概述 281

6.1.2定址方式 284

6.1.3Intel8086指令簡介 289

6.1.4CISC與RISC 296

6.1.5指令系統的設計內容 301

6.2組合邏輯控制器 301

6.2.1指令的微操作分析 302

6.2.2指令的時序控制與時序部件 304

6.2.3組合邏輯控制器設計舉例 306

6.3微程式控制器 308

6.3.1概述 308

6.3.2微程式操作控制部件的組成 309

6.3.3微程式操作控制部件設計舉例 310

習題 312

第7章處理器架構 316

7.1流水線技術 316

7.1.1指令流水線 316

7.1.2運算流水線 318

7.1.3流水線中的相關衝突 319

7.1.4流水線中的多發射技術 321

7.1.5PentiumCPU 322

7.1.6流水線向量處理機 326

7.2多處理器系統 330

7.2.1多計算機系統與多處理器系統 330

7.2.2SMP架構 331

7.2.3多處理器作業系統 334

7.3多執行緒處理器 335

7.3.1多執行緒處理器架構的提出 335

7.3.2同時多執行緒技術SMT 337

7.3.3超執行緒處理器 339

7.4多核處理器 342

7.4.1多核處理器及其特點 342

7.4.2多核+多執行緒——CMT技術 344

7.5關於處理器並行性開發的討論 344

7.5.1並行性及其級別 344

7.5.2基於並行性的處理器體系Flynn分類 346

7.5.3處理器並行性開發的思路與途徑 347

習題 349

第8章未來計算機展望 351

8.1非馮·諾依曼體系計算機探索 351

8.1.1數據流計算機 351

8.1.2歸約機 354

8.1.3擬態計算機 355

8.2智慧型計算機的研究 356

8.2.1人工智慧及其研究 356

8.2.2智慧型計算機 362

8.2.3人工神經元網路 365

8.3未來計算機元器件展望 370

8.3.1摩爾定律及其影響 370

8.3.2突破傳統微電子工藝的努力 372

8.3.3納米電子器件 374

8.3.4量子計算機 377

8.3.5光學計算機 380

8.3.6超導技術 381

8.3.7生物計算機 382

習題 384

附錄A國內外常用二進制邏輯元件圖形符號對照圖 385

參考文獻 387

（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8版）》。

書名	書號	出版社	作者
《計算機組成原理解題參考（第8版）》	9787302492313	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3個角度組織學習內容，同時不過多依賴先修課程。經過7次修訂，更貼近實際，更適合教學。

該教材是一種面向套用的教材，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。第8版中將原來的I/O控制分為I/O接口與數據交換控制和計算機輸入輸出設備兩章。除在修辭上進行了一些修改外，還在結構上進行了一些調整。

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。