计算机组成与设计（第3版）/清华大学信息科学技术学院教材·学院公共基础课程系列

内容简介

《计算机组成与设计（第3版）/清华大学信息科学技术学院教材·学院公共基础课程系列》是作者多年从事“计算机组成原理”课程教学和有关科研成果的结晶，在完成国家精品课程建设的基础上对《计算机组成与设计（第3版）/清华大学信息科学技术学院教材·学院公共基础课程系列》进行了重要修订，使教材内容更，学习难度也有所降低。《计算机组成与设计（第3版）/清华大学信息科学技术学院教材·学院公共基础课程系列》简要地介绍了数字电路基础和逻辑设计的内容，全面而比较深入地讲解了计算机组成的原理知识和设计与实现的技术，包括数据表示和运算器、指令系统和控制器、三级结构的存储器系统、输入和输出设备与系统，简要地介绍了并行计算机体系结构的主要概念和基础知识。
　　《计算机组成与设计（第3版）/清华大学信息科学技术学院教材·学院公共基础课程系列》既可作为高等院校计算机或相关专业“计算机组成原理”课程的教材，也可作为从事与计算机相关业务的生产、科研和工程技术人员的参考用书。

目录

1 计算机系统概述
1.1 计算机系统的基本组成和它的层次结构
1.2 计算机硬件系统的5个功能部件及其功能
1.3 计算机主要的技术与性能指标
1.4 计算机的体系结构、组成和实现概述
1.5 计算机发展进步、分类与拓展应用的进程
本章内容小结
习题与思考题
2 数字电路基础和计算机中的逻辑部件
2.1 数字电路（digital circuit）基础
2.1.1 半导体材料和晶体二极管简介
2.1.2 双极型三极管的结构及其伏安特性
2.1.3 MOS管的结构和它的伏安特性
2.2 基本逻辑门和布尔代数知识基础
2.2.1 本的逻辑门电路
2.2.2 布尔代数知识基础及其应用
2.3 组合逻辑电路（combinational logic circuit）及其应用
2.3.1 基本逻辑门
2.3.2 三态门
2.3.3 多路选择器
2.3.4 编码器和译码器
2.3.5 应用案例
2.4 时序（sequential）逻辑电路及其应用
2.4.1 基本R-S触发器（flip flop）
2.4.2 D型触发器与寄存器
2.4.3 存储器（memory）芯片（chip）简介
2.4.4 应用案例
2.5 现场可编程逻辑器件及其应用
2.5.1 现场可编程器件概述
2.5.2 现场可编程器件的编程和应用
2.5.3 应用案例
本章内容小结
习题与思考题
3 数据表示、数据运算算法及其线路实现
3.1 数字化信息编码的概念和二进制编码知识
3.1.1 数字化信息编码的概念
3.1.2 二进制编码和码制转换
3.1.3 检错纠错码
3.2 数据表示——常用的信息编码
3.2.1 逻辑类型数据的表示
3.2.2 字符类型数据的表示
3.2.3 数值类型数据的表示
3.3 二进制数值数据的编码方案与运算算法
3.3.1 原码、反码、补码的定义
3.3.2 补码加、减运算规则和电路实现
3.3.3 原码一位乘法、除法的实现方案
3.3.4 实现乘法、除法的其他方案
习题与思考题
4 计算机的运算器部件
4.1 算术逻辑运算部件的功能设计与线路实现
4.2 计算机的定点运算器
4.2.1 定点运算器部件的功能、组成与控制
4.2.2 MIPS计算机多周期CPU系统中的运算器部件的组成与实现
4.2.3 运算器芯片Am2901实例
4.3 基于Am2901芯片的运算器部件
4.3.1 用4片Am2901芯片构建16位的运算器部件
4.3.2 4片Am2901芯片之外的线路设计
4.4 浮点运算与浮点运算器
4.4.1 浮点数的运算规则
4.4.2 浮点运算器举例
4.5 提高运算器部件处理能力的可行途径
4.5.1 计算机性能的演变和并行性发展概述
4.5.2 提高计算机运算器处理能力的可行途径
本章内容小结
习题与思考题
5 指令、指令系统和汇编语言程序设计
6 计算机的控制器部件
7 多级结构的存储器系统
8 计算机的总线与输入输出系统
9 并行计算机体系结构
参考文献

摘要与插图

（2）存储容量：一台设备所能存储的信息总体数量，通常以字节为单位表示。
　　（3）寻址时间：磁盘设备属于按直接存取方式读写的设备，它的寻址时间由两部分组成，一是磁头沿磁盘径向运动到目标磁道的时间，二是在目标磁道上等待磁盘被读写区段旋转到磁头下面的时间。由于这两个时间都与当时磁头距离目标位置的远近有关，故习惯上都用这两个时间各自的与时间的平均时间之和来表示。当前的磁盘，该值为几个毫秒到十几个毫秒；磁盘本身的读写速度相对较快。磁带设备是以顺序存取方式完成读写，不存在寻找磁道的问题，但要读写磁带某个区域上的信息，必须先等待磁带旋转到该区域，其所用的时间会比较长，可能是几分钟到十几分钟；磁带本身的读写速度也要慢一些。
　　（4）数据传输率：磁表面存储器在单位时间内可以向主机传送数据的数量，通常用二进制数的位数或字节数来表示。它与设备本身的读写速度和接口逻辑线路有关。
　　（5）误码率：外存设备是高精密度的机械电子装置，集机械、电子、电磁、光电等多项技术于一身，不仅价格较高，其运行的可靠性也远比CPU、主存等电子逻辑部件要低。误码率就是用于衡量磁表面设备运行可靠性的重要指标，它等于在一次读操作过程中，出错信息数量在读出的全部信息中所占的比例。
　　（6）价格：在现代的计算机系统中，外存设备本身的价格算得上是较贵的部分，但由于它的存储容量大，所以它又是存储单位信息（例如1KB）所用的平均价格的部件。
　　2．磁记录原理与记录方式
　　（1）磁记录原理
　　磁表面记录设备是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。
　　磁头是实现电磁转换过程的关键装置，通常由软磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。它是一个留有前后间隙的磁性环状物体，环上绕有线圈，后间隙越小越好，前间隙（称为工作间隙）要宽窄适当。当向线圈提供一定方向和大小的电流时，将使磁头体被磁化，建立起有一定方向和强度的磁场，即在磁环内有磁力线产生，由于磁头的前间隙处磁阻较大，将产生漏磁，漏磁就是向磁记录介质中写入信息的信息源。
　　磁记录介质是在某种刚性（如硬盘）或柔性（如软盘、磁带）载体上涂有薄层磁性材料的物体，用于记录以剩磁状态表示的信息。磁记录介质用硬磁材料（外界磁场的作用消失后，该磁性材料的磁性尽量多地保留）做成。
　　磁存储器的写入过程是，当磁头前端与磁记录介质距离很近时，磁头前间隙处的漏磁将把处于附近的磁记录介质上的一小片磁性材料磁化，而当磁头离去时，就在这一小片被磁化的磁性材料区域保留了磁化状态，从而记录下写入的一位信息。若磁头线圈中无电流，磁头就不会被磁化，也就不会产生漏磁，不会对磁记录介质产生任何影响，即无写入操作。
　　磁存储器的读出过程是，当磁头前端与磁记录介质距离很近且高速经过时，若它所经过的磁记录介质上的一小片磁性材料已被磁化，这一磁化状态将在磁头的环体内产生磁力线，从而在磁头的线圈中感应出一个脉冲电流，这表示读出了记录在磁记录介质中的一位信息。若磁头所经过的磁记录介质上的磁性材料未被磁化，则磁头也就感应不出任何磁状态的变化（实际上，正常读写过程中是不会遇到这种情况的）。应该说，磁头能感应到的是磁记录介质中磁化状态的变化情况。
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