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计算机组成与系统结构(第五版.立体化教材) 版权信息
- ISBN：9787030327369
- 条形码：9787030327369 ; 978-7-03-032736-9
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
计算机组成与系统结构(第五版.立体化教材) 内容简介
本书将计算机组成原理和计算机系统结构两门课合二为一，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10章：（1）计算机系统概论；（2）运算方法和运算器；（3）存储系统；（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）安腾高性能处理机体系结构；（10）并行体系结构。附录A中介绍了配套光盘与教学设备。附录B中给出了计算机组成原理研究生入学统考大纲。
计算机组成与系统结构(第五版.立体化教材) 目录
目录
第五版前言
**章 计算机系统概论 1
1.1 计算机的分类 1
1.2 计算机的发展简史 2
1.2.1 计算机的五代变化 2
1.2.2 半导体存储器的发展 3
1.2.3 微处理器的发展 3
1.2.4 计算机的性能指标 5
1.3 计算机的硬件 6
1.3.1 硬件组成要素 6
1.3.2 运算器 7
1.3.3 存储器 8
1.3.4 控制器 8
1.3.5 适配器与输入输出设备 11
1.4 计算机的软件 11
1.4.1 软件的组成与分类 11
1.4.2 软件的发展演变 12
1.5 计算机系统的层次结构 13
1.5.1 多级组成的计算机系统 13
1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性 14
本章小结 14
习题 15
第二章 运算方法和运算器 16
2.1 数据与文字的表示方法 16
2.1.1 数据格式 16
2.1.2 数的机器码表示 19
2.1.3 字符与字符串的表示方法 23
2.1.4 汉字的表示方法 24
2.1.5 校验码 25
2.2 定点加法、减法运算 26
2.2.1 补码加法 26
2.2.2 补码减法 27
2.2.3 溢出概念与检测方法 28
2.2.4 基本的二进制加法/减法器 29
2.3 定点乘法运算 31
2.3.1 原码并行乘法 31
2.3.2 直接补码并行乘法 36
2.4 定点除法运算 38
2.4.1 原码除法算法原理 38
2.4.2 并行除法器 40
2.5 定点运算器的组成 43
2.5.1 逻辑运算 43
2.5.2 多功能算术/逻辑运算单元(ALU) 45
2.5.3 内部总线 49
2.5.4 定点运算器的基本结构 49
2.6 浮点运算方法和浮点运算器 51
2.6.1 浮点加法、减法运算 51
2.6.2 浮点乘法、除法运算 54
2.6.3 浮点运算流水线 55
2.6.4 浮点运算器实例 58
本章小结 60
习题 60
第三章 多层次的存储器 62
3.1 存储器概述 62
3.1.1 存储器的分类 62
3.1.2 存储器的分级 63
3.1.3 主存储器的技术指标 63
3.2 SRAM存储器 64
3.2.1 基本的静态存储元阵列 64
3.2.2 基本的SRAM逻辑结构 65
3.2.3 读/写周期波形图 66
3.3 DRAM存储器 67
3.3.1 DRAM存储元的记忆原理 67
3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构 68
3.3.3 读/写周期、刷新周期 69
3.3.4 存储器容量的扩充 70
3.3.5 高级的DRAM结构 71
3.3.6 DRAM主存读/写的正确性校验 75
3.4 只读存储器和闪速存储器 76
3.4.1 只读存储器ROM 76
3.4.2 FLASH存储器 80
3.5 并行存储器 82
3.5.1 双端口存储器 82
3.5.2 多模块交叉存储器 85
3.6 cache存储器 88
3.6.1 cache基本原理 88
3.6.2 主存与cache的地址映射 90
3.6.3 替换策略 95
3.6.4 cache的写操作策略 95
3.6.5 Pentium 4的cache组织 96
3.7 虚拟存储器 97
3.7.1 虚拟存储器的基本概念 97
3.7.2 页式虚拟存储器 99
3.7.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器 101
3.7.4 虚存的替换算法 104
3.8 奔腾系列机的虚存组织 104
3.8.1 存储器模型 104
3.8.2 虚地址模式 105
3.8.3 分页模式下的地址转换 106
3.9 存储保护 107
3.9.1 存储区域保护 107
3.9.2 访问方式保护 109
本章小结 109
习题 110
第四章 指令系统 113
4.1 指令系统的发展与性能要求 113
4.1.1 指令系统的发展 113
4.1.2 对指令系统性能的要求 113
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系 114
4.2 指令格式 115
4.2.1 操作码 115
4.2.2 地址码 116
4.2.3 指令字长度 117
4.2.4 指令助记符 117
4.2.5 指令格式举例 118
4.3 操作数类型 120
4.3.1 一般的数据类型 120
4.3.2 Pentium数据类型 120
4.3.3 Power PC数据类型 120
4.4 指令和数据的寻址方式 121
4.4.1 指令的寻址方式 121
4.4.2 操作数基本寻址方式 122
4.4.3 寻址方式举例 125
4.5 典型指令 129
4.5.1 指令的分类 129
4.5.2 基本指令系统的操作 130
4.5.3 精简指令系统 130
4.6 ARM汇编语言 133
本章小结 134
习题 134
第五章 中央处理机 137
5.1 CPU的功能和组成 137
5.1.1 CPU的功能 137
5.1.2 CPU的基本组成 137
5.1.3 CPU中的主要寄存器 138
5.1.4 操作控制器与时序产生器 139
5.2 指令周期 140
5.2.1 指令周期的基本概念 140
5.2.2 MOV指令的指令周期 141
5.2.3 LAD指令的指令周期 143
5.2.4 ADD指令的指令周期 145
5.2.5 STO指令的指令周期 145
5.2.6 JMP指令的指令周期 147
5.2.7 用方框图语言表示指令周期 147
5.3 时序产生器和控制方式 150
5.3.1 时序信号的作用和体制 150
5.3.2 时序信号产生器 151
5.3.3 控制方式 153
5.4 微程序控制器 153
5.4.1 微程序控制原理 153
5.4.2 微程序设计技术 160
5.5 硬连线控制器 163
5.6 传统CPU 166
5.6.1 Intel 8088 CPU 166
5.6.2 IBM 370系列CPU 167
5.7 流水CPU 168
5.7.1 并行处理技术 168
5.7.2 流水CPU的结构 169
5.7.3 流水线中的主要问题 171
5.7.4 奔腾CPU 173
5.8 RISC CPU 177
5.8.1 RISC机器的特点 177
5.8.2 RISC CPU实例 178
本章小结 182
习题 183
第六章 总线系统 185
6.1 总线的概念和结构形态 185
6.1.1 总线的基本概念 185
6.1.2 总线的连接方式 186
6.1.3 总线的内部结构 188
6.1.4 总线结构实例 189
6.2 总线接口 190
6.2.1 信息传送方式 190
6.2.2 总线接口的基本概念 192
6.3 总线的仲裁 194
6.3.1 集中式仲裁 194
6.3.2 分布式仲裁 196
6.4 总线的定时和数据传送模式 196
6.4.1 总线的定时 196
6.4.2 总线数据传送模式 199
6.5 HOST总线和PCI总线 199
6.5.1 多总线结构 199
6.5.2 PCI总线信号 201
6.5.3 总线周期类型 202
6.5.4 总线周期操作 203
6.5.5 总线仲裁 204
6.6 InfiniBand标准 204
6.6.1 InfiniBand的体系结构 204
6.6.2 InfiniBand的通信协议 205
本章小结 207
习题 207
第七章 外围设备 209
7.1 外围设备概述 209
7.1.1 外围设备的一般功能 209
7.1.2 外围设备的分类 209
7.2 磁盘存储设备 210
7.2.1 磁记录原理 210
7.2.2 磁盘的组成和分类 212
7.2.3 磁盘驱动器和控制器 213
7.2.4 磁盘上信息的分布 215
7.2.5 磁盘存储器的技术指标 216
7.3 磁盘存储设备的技术发展 217
7.3.1 磁盘cache 217
7.3.2 磁盘阵列RAID 218
7.3.3 可移动存储设备 219
7.4 磁带存储设备 219
7.5 光盘和磁光盘存储设备 220
7.5.1 光盘存储设备 220
7.5.2 磁光盘存储设备 222
7.6 显示设备 223
7.6.1 显示设备的分类与有关概念 223
7.6.2 字符/图形显示器 224
7.6.3 图像显示设备 226
7.6.4 VESA显示标准 227
7.7 输入设备和打印设备 229
7.7.1 输入设备 229
7.7.2 打印设备 230
本章小结 232
习题 232
第八章 输入输出系统 234
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式 234
8.1.1 外围设备的速度分级 234
8.1.2 信息交换方式 235
8.2 程序查询方式 237
8.3 程序中断方式 240
8.3.1 中断的基本概念 240
8.3.2 程序中断方式的基本I/O接口 241
8.3.3 单级中断 243
8.3.4 多级中断 244
8.3.5 中断控制器 247
8.3.6 Pentium中断机制 248
8.4 DMA方式 250
8.4.1 DMA的基本概念 250
8.4.2 DMA传送方式 251
8.4.3 基本的DMA控制器 253
8.4.4 选择型和多路型DMA控制器 255
8.5 通道方式 258
8.5.1 通道的功能 258
8.5.2 通道的类型 259
8.5.3 通道结构的发展 260
8.6 通用I/O标准接口 261
8.6.1 并行I/O标准接口SCSI 261
8.6.2 串行I/O标准接口IEEE 1394 262
本章小结 264
习题 265
第九章 并行体系结构 267
9.1 体系结构中的并行性 267
9.1.1 并行性的概念 267
9.1.2 提高并行性的技术途径 268
9.1.3 单处理机系统中并行性的发展 268
9.1.4 多处理机系统中并行性的发展 268
9.1.5 并行处理机的体系结构类型 270
9.2 超长指令字处理机 271
9.2.1 VLIW处理机的特点 271
9.2.2 VLIW处理机的结构模型 272
9.2.3 典型处理机结构 273
9.3 多线程与超线程处理机 275
第五版前言
**章 计算机系统概论 1
1.1 计算机的分类 1
1.2 计算机的发展简史 2
1.2.1 计算机的五代变化 2
1.2.2 半导体存储器的发展 3
1.2.3 微处理器的发展 3
1.2.4 计算机的性能指标 5
1.3 计算机的硬件 6
1.3.1 硬件组成要素 6
1.3.2 运算器 7
1.3.3 存储器 8
1.3.4 控制器 8
1.3.5 适配器与输入输出设备 11
1.4 计算机的软件 11
1.4.1 软件的组成与分类 11
1.4.2 软件的发展演变 12
1.5 计算机系统的层次结构 13
1.5.1 多级组成的计算机系统 13
1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性 14
本章小结 14
习题 15
第二章 运算方法和运算器 16
2.1 数据与文字的表示方法 16
2.1.1 数据格式 16
2.1.2 数的机器码表示 19
2.1.3 字符与字符串的表示方法 23
2.1.4 汉字的表示方法 24
2.1.5 校验码 25
2.2 定点加法、减法运算 26
2.2.1 补码加法 26
2.2.2 补码减法 27
2.2.3 溢出概念与检测方法 28
2.2.4 基本的二进制加法/减法器 29
2.3 定点乘法运算 31
2.3.1 原码并行乘法 31
2.3.2 直接补码并行乘法 36
2.4 定点除法运算 38
2.4.1 原码除法算法原理 38
2.4.2 并行除法器 40
2.5 定点运算器的组成 43
2.5.1 逻辑运算 43
2.5.2 多功能算术/逻辑运算单元(ALU) 45
2.5.3 内部总线 49
2.5.4 定点运算器的基本结构 49
2.6 浮点运算方法和浮点运算器 51
2.6.1 浮点加法、减法运算 51
2.6.2 浮点乘法、除法运算 54
2.6.3 浮点运算流水线 55
2.6.4 浮点运算器实例 58
本章小结 60
习题 60
第三章 多层次的存储器 62
3.1 存储器概述 62
3.1.1 存储器的分类 62
3.1.2 存储器的分级 63
3.1.3 主存储器的技术指标 63
3.2 SRAM存储器 64
3.2.1 基本的静态存储元阵列 64
3.2.2 基本的SRAM逻辑结构 65
3.2.3 读/写周期波形图 66
3.3 DRAM存储器 67
3.3.1 DRAM存储元的记忆原理 67
3.3.2 DRAM芯片的逻辑结构 68
3.3.3 读/写周期、刷新周期 69
3.3.4 存储器容量的扩充 70
3.3.5 高级的DRAM结构 71
3.3.6 DRAM主存读/写的正确性校验 75
3.4 只读存储器和闪速存储器 76
3.4.1 只读存储器ROM 76
3.4.2 FLASH存储器 80
3.5 并行存储器 82
3.5.1 双端口存储器 82
3.5.2 多模块交叉存储器 85
3.6 cache存储器 88
3.6.1 cache基本原理 88
3.6.2 主存与cache的地址映射 90
3.6.3 替换策略 95
3.6.4 cache的写操作策略 95
3.6.5 Pentium 4的cache组织 96
3.7 虚拟存储器 97
3.7.1 虚拟存储器的基本概念 97
3.7.2 页式虚拟存储器 99
3.7.3 段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器 101
3.7.4 虚存的替换算法 104
3.8 奔腾系列机的虚存组织 104
3.8.1 存储器模型 104
3.8.2 虚地址模式 105
3.8.3 分页模式下的地址转换 106
3.9 存储保护 107
3.9.1 存储区域保护 107
3.9.2 访问方式保护 109
本章小结 109
习题 110
第四章 指令系统 113
4.1 指令系统的发展与性能要求 113
4.1.1 指令系统的发展 113
4.1.2 对指令系统性能的要求 113
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系 114
4.2 指令格式 115
4.2.1 操作码 115
4.2.2 地址码 116
4.2.3 指令字长度 117
4.2.4 指令助记符 117
4.2.5 指令格式举例 118
4.3 操作数类型 120
4.3.1 一般的数据类型 120
4.3.2 Pentium数据类型 120
4.3.3 Power PC数据类型 120
4.4 指令和数据的寻址方式 121
4.4.1 指令的寻址方式 121
4.4.2 操作数基本寻址方式 122
4.4.3 寻址方式举例 125
4.5 典型指令 129
4.5.1 指令的分类 129
4.5.2 基本指令系统的操作 130
4.5.3 精简指令系统 130
4.6 ARM汇编语言 133
本章小结 134
习题 134
第五章 中央处理机 137
5.1 CPU的功能和组成 137
5.1.1 CPU的功能 137
5.1.2 CPU的基本组成 137
5.1.3 CPU中的主要寄存器 138
5.1.4 操作控制器与时序产生器 139
5.2 指令周期 140
5.2.1 指令周期的基本概念 140
5.2.2 MOV指令的指令周期 141
5.2.3 LAD指令的指令周期 143
5.2.4 ADD指令的指令周期 145
5.2.5 STO指令的指令周期 145
5.2.6 JMP指令的指令周期 147
5.2.7 用方框图语言表示指令周期 147
5.3 时序产生器和控制方式 150
5.3.1 时序信号的作用和体制 150
5.3.2 时序信号产生器 151
5.3.3 控制方式 153
5.4 微程序控制器 153
5.4.1 微程序控制原理 153
5.4.2 微程序设计技术 160
5.5 硬连线控制器 163
5.6 传统CPU 166
5.6.1 Intel 8088 CPU 166
5.6.2 IBM 370系列CPU 167
5.7 流水CPU 168
5.7.1 并行处理技术 168
5.7.2 流水CPU的结构 169
5.7.3 流水线中的主要问题 171
5.7.4 奔腾CPU 173
5.8 RISC CPU 177
5.8.1 RISC机器的特点 177
5.8.2 RISC CPU实例 178
本章小结 182
习题 183
第六章 总线系统 185
6.1 总线的概念和结构形态 185
6.1.1 总线的基本概念 185
6.1.2 总线的连接方式 186
6.1.3 总线的内部结构 188
6.1.4 总线结构实例 189
6.2 总线接口 190
6.2.1 信息传送方式 190
6.2.2 总线接口的基本概念 192
6.3 总线的仲裁 194
6.3.1 集中式仲裁 194
6.3.2 分布式仲裁 196
6.4 总线的定时和数据传送模式 196
6.4.1 总线的定时 196
6.4.2 总线数据传送模式 199
6.5 HOST总线和PCI总线 199
6.5.1 多总线结构 199
6.5.2 PCI总线信号 201
6.5.3 总线周期类型 202
6.5.4 总线周期操作 203
6.5.5 总线仲裁 204
6.6 InfiniBand标准 204
6.6.1 InfiniBand的体系结构 204
6.6.2 InfiniBand的通信协议 205
本章小结 207
习题 207
第七章 外围设备 209
7.1 外围设备概述 209
7.1.1 外围设备的一般功能 209
7.1.2 外围设备的分类 209
7.2 磁盘存储设备 210
7.2.1 磁记录原理 210
7.2.2 磁盘的组成和分类 212
7.2.3 磁盘驱动器和控制器 213
7.2.4 磁盘上信息的分布 215
7.2.5 磁盘存储器的技术指标 216
7.3 磁盘存储设备的技术发展 217
7.3.1 磁盘cache 217
7.3.2 磁盘阵列RAID 218
7.3.3 可移动存储设备 219
7.4 磁带存储设备 219
7.5 光盘和磁光盘存储设备 220
7.5.1 光盘存储设备 220
7.5.2 磁光盘存储设备 222
7.6 显示设备 223
7.6.1 显示设备的分类与有关概念 223
7.6.2 字符/图形显示器 224
7.6.3 图像显示设备 226
7.6.4 VESA显示标准 227
7.7 输入设备和打印设备 229
7.7.1 输入设备 229
7.7.2 打印设备 230
本章小结 232
习题 232
第八章 输入输出系统 234
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式 234
8.1.1 外围设备的速度分级 234
8.1.2 信息交换方式 235
8.2 程序查询方式 237
8.3 程序中断方式 240
8.3.1 中断的基本概念 240
8.3.2 程序中断方式的基本I/O接口 241
8.3.3 单级中断 243
8.3.4 多级中断 244
8.3.5 中断控制器 247
8.3.6 Pentium中断机制 248
8.4 DMA方式 250
8.4.1 DMA的基本概念 250
8.4.2 DMA传送方式 251
8.4.3 基本的DMA控制器 253
8.4.4 选择型和多路型DMA控制器 255
8.5 通道方式 258
8.5.1 通道的功能 258
8.5.2 通道的类型 259
8.5.3 通道结构的发展 260
8.6 通用I/O标准接口 261
8.6.1 并行I/O标准接口SCSI 261
8.6.2 串行I/O标准接口IEEE 1394 262
本章小结 264
习题 265
第九章 并行体系结构 267
9.1 体系结构中的并行性 267
9.1.1 并行性的概念 267
9.1.2 提高并行性的技术途径 268
9.1.3 单处理机系统中并行性的发展 268
9.1.4 多处理机系统中并行性的发展 268
9.1.5 并行处理机的体系结构类型 270
9.2 超长指令字处理机 271
9.2.1 VLIW处理机的特点 271
9.2.2 VLIW处理机的结构模型 272
9.2.3 典型处理机结构 273
9.3 多线程与超线程处理机 275
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计算机组成与系统结构(第五版.立体化教材) 节选
**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 电子计算机从总体上来说分为两大类。一类是电子模拟计算机。“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。 另一类是电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目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1.1列出了电子数字计算机与电子模拟计算机的主要区别。 表1.1 数字计算机与模拟计算机的主要区别 电子模拟计算机由于精度和解题能力都有限，所以应用范围较小。电子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”来进行工作的，所以有人把它叫做电脑。它的发明和发展是20世纪人类*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。习惯上所称的电子计算机，一般是指现在广泛应用的电子数字计算机。 数字计算机进一步又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*有效、*经济和*快速的计算机，但是它的适应性很差。通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。 通用计算机可分超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机和多核机六类，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，见图1.1。一般来说，超级计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。介于超级计算机和多核机之间的是大型机、服务器、PC机和单片机，它们的结构规模和性能指标依次递减。但是随着巨大规模集成电路的迅速发展，单片机、多核机等彼此之间的概念也在发生变化，因为今天的单片机可能就是明天的多核机。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。目前已经出现了多种型号的单片专用机及嵌入式单片机，用于测试或控制，成为计算机应用领域中*热门的产品。多核计算机是多于一个处理器（核）的计算机芯片。 图1.1 多核机、单片机、PC机、服务器、大型机、超级计算机之间的区别 1.2 计算机的发展简史 1.2.1 计算机的五代变化 世界上**台电子数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的。这台机器用了18000多个电子管，占用长度超过30米的房间，重量达30吨，而运算速度只有5000次/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，从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了五代的变化： **代为1946～1957年，电子管计算机。计算机运算速度为每秒几千次至几万次，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1958～1964年，晶体管计算机。运算速度提高到几万次至几十万次，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。 第三代为1965～1971年，中小规模集成电路计算机。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。在此期间形成机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现。 第四代为1972～1990年，大规模和超大规模集成电路计算机。可靠性更进一步提高，体积更进一步缩小，成本更进一步降低，速度提高到每秒1000万次至1亿次。由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现。 第五代为1991年开始的巨大规模集成电路计算机。运算速度提高到每秒10亿次。由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现。 总之，从1946年计算机诞生以来，大约每隔五年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。而20世纪70年代以来，计算机的生产数量每年以25%的速度递增。 计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。LSI的采用，一块集成电路芯片上可以放置1000个元件，VLSI达到每个芯片l万个元件，现在的ULSI芯片超过了100万个元件。1965年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种态势减慢成每18个月翻一番，这就是人们所称的摩尔定律。 在国际超级计算机500强排序中，中国2004年“曙光400A”位居第10；2009年“星云号”位居第2；2010年“天河1号”位居第1，运算速度达2500万亿次/秒。 1.2.2 半导体存储器的发展 20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环（磁芯）做成，每个磁芯直径约1mm。这些小磁芯处在计算机内用三条细导线穿过网格板上。每个磁芯的一种磁化方向代表一个1，另一个磁化方向则代表一个0。磁芯存储器速度相当快，读存储器中的一位只需1个微秒。但是磁芯存储器价格昂贵，体积大，而且读出是破坏性的，因此必须有读出后立即重写数据的电路。更重要的在于工艺复杂，甚至手工制作。 1970年，仙童半导体公司生产出了**个较大容量半导体存储器。一个相当于单个磁芯大小的芯片，包含了256位的存储器。这种芯片是非破坏性的，而且读写速度比磁芯快得多，读出一位只要70纳秒，但是其价格比磁芯要贵。 1974年每位半导体存储器的价格低于磁芯。这以后，存储器的价格持续快速下跌，但存储密度却不断增加。这导致了新的机器比它之前的机器更小、更快、存储容量更大，价格更便宜。存储器技术的发展，与处理器技术的发展一起，在不到10年里改变了计算机的生命力。虽然庞大昂贵的计算机仍然存在，但计算机已经走向了个人电脑时代。 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和现在的1GB。其中1K=210，1M=220，1G=230。每一代比前一代存储密度提高4倍，而每位价格和存取时间都在下降。 1.2.3 微处理器的发展 同存储器芯片一样，处理器芯片的单元密度也在不断增加。随着时间的推移，每块芯片上的单元个数越来越多，因此构建一个计算机处理器所需的芯片越来越少。表1.2列出了Intel公司微处理器的演化。 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是**个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 4004能完成两个4位数相加，通过重复相加能完成乘法。按今天的标准，4004虽然过于简单，但是它却成为微处理器的能力和功能不断发展的奠基者。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是**个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。这是**个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器。它与8008一样，都是8位微处理器，但8080更快，有更丰富的指令集和更强的寻址能力。 大约在同时，16位微机被开发出来。但是直到20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 表1.2 Intel微处理器的演化 1.2.4 计算机的性能指标 吞吐量 表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。 响应时间 表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。 利用率 在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。 处理机字长 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64位。 总线宽度 一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。 存储器容量 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。 存储器带宽 单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。 主频/时钟周期 CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率(f)叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。 主频的倒数称为CPU时钟周期(T)，T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。 CPU执行时间 表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间，可用下式计算： CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期 CPI 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算： CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷程序包含的指令条数 MIPS 平均每秒执行多少百万定点指令数，用下式计算： MIPS=指令数÷（程序执行时间×106） FLOPS 每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算： MFLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间（秒） 【例1】 对于一个给定的程序，IN表示执行程序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的CPU时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数），Nc为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令数，请写出如下四种参数的表达式： (1) tCPU (2) CPI (3) MIPS (4) Nc 解 上式中，Ii：表示i指令在程序中执行的次数，CPI：表示i指令所需的平均时钟周期数，n为指令种类。 【例2】 用一台50MHz处理机执行标准测试程序，它包含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下表所示： 求有效CPI、MIPS速率、处理机程序执行时间tCPU。 解 Ii：/IN表示i指令在程序中的比例 1.3 计算机的硬件 1.3.1 硬件组成要素 要了解数字计算机的主要组成和工作原理，可从打算盘说起。假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求计算这样一个题目。为了和下面讲到的内容做比较，不妨按以下方法把使用算盘进行解题的过程步骤事先用笔详细地记录在带横格的纸上。 首先，将横格纸编上序号，每一行占一个序号，如1，2，3， ，n，如表1.3所示。其次，把计算式中给定的四个数a，b，c和x分别写到横格纸的第9，10，11，12行上，每一行只写一个数。接着详细列出给定题目的解题步骤，而解题步骤也需要记在横格纸上，每一步也只写一行。**步写到横格纸的第1行，第二步写到第2行， 依次类推。 根据表1.3所列的解题步骤，从第1行开始，一步一步进行计算，*后可得出所要求结果。 表1.3 解题步骤和数据记录在横格纸上
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