《计算机组成原理》杨洁主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《计算机组成原理》

【作　者】杨洁主编

【丛书名】普通高等教育计算机类系列教材

【页 数】 262

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-111-66903-6

【分 类】计算机组成原理

【参考文献】 杨洁主编. 计算机组成原理. 北京：机械工业出版社, 2021.01.

图书封面：

图书目录：

《计算机组成原理》内容提要：

本书系统地介绍了计算机的基本组成和工作原理。全书共分9章，主要内容包括：计算机系统概论、计算机中信息的表示方法、运算方法和运算部件、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、计算机的外围设备以及输入输出系统。本书内容全面、概念清晰、重点突出，内容组织循序渐进、深入浅出、系统性强。在编写过程中，注重基础知识、基本原理和基本技能的讲解。为了让学生更好地理解并掌握所学的知识，书中列举了大量的实例。此外，为了配合工程教育认证的需要，全书结构和内容更加贴近OBE的实际要求，知识点的侧重上也更加符合工程认证的实际需求。本书既可作为高等教育计算机专业的“计算机组成原理”课程的教学用书，也可作为计算机工程技术人员及计算机爱好者的参考书。

《计算机组成原理》内容试读

第1章

计算机系统概论

从第一台通用计算机问世算起，到现在已有70余年，在人类科技史上还没有一个学科的发展速度可以与计算机相提并论。计算机作为一个整体，由软件和硬件两大部分组成，为简化设计分析的难度一般组织成一个层次结构，以一个硬件物理机为核心，根据需要设计实现必要的软件虚拟机，以实现和满足不同应用场景的需要。当前的计算机均遵循冯·诺依曼(Von Neumann)原理，即遵循二进制信息表示、程序存储原理、五大基本部件组成，各部件均服务于信息表示、存储、加工和运算。对于计算机系统，可以用不同的度量参数来评价和比较其性能指标。本章将介绍计算机的发展历程、计算机常见类型、计算机常见应用场景和发展趋势，以及计算机的基本组成和性能指标。

1.1计算机发展简史

1.1.1计算机的产生及发展

20世纪40年代，无线电技术和无线电工业的发展为电子计算机的研制准备了物质基础。1943~1946年，美国宾夕法尼亚大学研制的电子数字积分计算机ENIAC（E1 ectronic Numerical

Integrator And Computer)是世界上第一台电子计算机。当时第二次世界大战正在进行，为了进

行新武器弹道问题中的许多复杂计算，美国国防部资助开展了这项研究工作。ENIAC于1945

年年底完成，1946年2月正式交付使用，因为它是最早问世的一台电子数字计算机，所以一般认为它是现代计算机的始祖。

ENIAC共用18000多个电子管，1500个继电器，重达30t,占地170m2,耗电140kW,每秒能计算5000次加法。领导研制ENIAC的是埃克特(J.P.Eckert)和莫克利(J.W.Mauchly)ENIAC存在两个主要缺点：一是存储容量太小，只能存20个字长为10位(bit)的十进制数；

二是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。

在ENIAC研制的同时，冯·诺依曼与莫尔小组合作研制了计算机EDVAC,其采用了存储

程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯·诺依曼计算机。

70多年来，随着技术的发展和新应用领域的开拓，人们对冯·诺依曼计算机进行了多次改革，使计算机系统结构有了很大的改进。例如，某些机器程序与数据分开存放在不同的存储器中，程序不允许修改，机器不再以运算器为中心，而是以存储器为中心等。虽然有以上这些突破，但原则上变化不大，习惯上仍称为冯·诺依曼计算机。

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计算机组成原理

根据电子计算机所采用的物理器件的发展，一般把电子计算机的发展分成五代（相邻两代计算机之间在时间上有重叠)：

1)第一代，电子管计算机时代（从1946年第一台计算机研制成功到20世纪50年代后期）。其主要特点是采用电子管作为基本器件。在这一时期，主要为军事与国防尖端技术的需要而研制计算机，并进行有关的研究工作，为计算机技术的发展奠定了基础。其研究成果扩展到民用，又转为工业产品，形成了计算机工业。

20世纪50年代中期，美国IBM公司在计算机行业中崛起，1954年12月推出的IBM650

(小型机)是第一代计算机中行销最广的机器，销售量超过1000台。1958年11月问世的

IBM709(大型机)是IBM公司性能最高的最后一台电子管计算机产品。

2)第二代，晶体管计算机时代（从20世纪50年代中期到20世纪60年代后期）。这一时期计算机的主要器件逐步由电子管改为晶体管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了运算速度和可靠性，而且价格不断下降。后来又采用了磁芯存储器，运算速度得到进一步提高，不仅使计算机在军事与尖端技术上的应用范围进一步扩大，而且在气象、工程设计、数据处理以及其他科学研究等领域内也应用起来。这一时期人们开始重视计算机产品的继承性，形成了适应

一定应用范围的计算机“族”（这是系列化思想的萌芽），从而缩短了新机器的研制周期，降低了生产成本，实现了程序兼容，方便了新机器的使用。

1960年，美国控制数据公司(CDC)开始研制高速大型计算机系统CDC6600,于1964年

完成，取得了巨大成功，深受美国和西欧国家各原子能、航空与宇航、气象研究机构和大学的欢迎，使该公司在研究和生产科学计算高速大型机方面处于领先地位。1969年1月，水平更高

的超大型机CDC7600研制成功，平均每秒可进行千万次浮点运算，成为20世纪60年代末、70

年代初性能最高的计算机。

3)第三代，中小规模集成电路计算机时代（从20世纪60年代中期到20世纪70年代前期)。随着半导体工艺的发展，集成电路研制成功。集成电路成为这一时期的计算机所采用的基本器件，因为功耗、体积、价格等进一步下降，而运算速度及可靠性相应地提高，促使了计算机的应用范围进一步扩大。正是由于集成电路成本的迅速降低，产生了成本低而功能不是太强的小型计算机供应市场，占领了许多数据处理的应用领域。

BM360系列是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响力最大的第三代计算机。在

1964年发布IBM360系列时就有大、中、小型等6个计算机型号，平均运算速度从每秒几千次

到每秒一百万次。它的主要特点是通用化、系列化、标准化。

①通用化：指令系统丰富，兼顾科学计算、数据处理、实时控制3个方面。

②系列化：BM360各档机器采用相同的系统结构，即在指令系统、数据格式、字符编码

中断系统、控制方式、输入输出操作方式等方面保持统一，从而保证了程序兼容。当用户更新

机器时，原来在低档机上编写的程序可以不做修改就使用在高档机中。BM360系列后来陆续

增加的几种型号仍保持与前面的产品兼容；后来，西欧国家与日本的一些通用计算机也保持与

IBM360系列兼容；苏联和东欧国家联合制造的“统一系统”也是与IBM360系列兼容的。

③标准化：采用标准的输入输出接口，因而各个机型的外部设备是通用的。采用积木式结

构设计，除了各个型号的中央处理器(CPU)独立设计以外，存储器、外部设备都采用标准部

件组装。

4)第四代，大规模和超大规模集成电路计算机时代（从20世纪70年代中期到20世纪90

年代初)。随着集成电路集成度的进一步提高，大规模和超大规模集成电路（LSI、VLSI)广泛

应用到计算机中。20世纪70年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁芯存储器，并不断向

第1章计算机系统概论

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大容量、高速度发展。与此同时，并行技术、多机系统和分布式计算技术得到了发展，并出现

了RISC指令集。

另外，巨型向量机、阵列机等高级计算机也得到了发展，如美国的Cry-1、我国的“银河”等；同时，低档的微处理器开始出现，并进入家庭。

5)第五代，巨大规模集成电路计算机时代(1990年至今)。从集成度来看，计算机使用的

半导体芯片集成度接近了极限，出现了极大、甚大规模集成电路(ULSI、ELSI)。这一阶段出

现了采用大规模并行计算和高性能机群计算技术的超级计算机。例如，BM公司的“深蓝”计

算机是一台R$/6000SP2超级并行计算机，有256块处理器芯片；我国的“银河·Ⅲ”（大规模

并行处理，有128个CPU)、“银河-V”(机群技术)巨型机已达到国际领先水平；而在1999年，

“神威·I”超级并行处理计算机的成功研制，使我国成为继美国和日本之后第三个具备研制高

性能计算机能力的国家。

微处理器此时推出了32位、64位芯片，如Pentium4、Itanium2等。我国也同时开始了处理器芯片的设计与研究，推出了“龙芯”芯片、“飞腾”芯片，还有华为海思的“麒麟”芯片。

从1971年内含2300个晶体管的Intel4004芯片问世，到1999年包含了750万个晶体管的

Pentium2处理器，再到2004年的Pentium4的核心集成了5500万个晶体管，芯片的集成度大体上每三年翻两番一这就是著名的摩尔定律。后来转述为微处理器的工作速度，在一定成本下，大体上也是每18个月翻一番。摩尔定律问世至今已近60年了，芯片上元件的几何尺寸不可能无限制地缩小下去，其发展的制约因素主要是在技术和经济两个方面：技术上，随着硅片上元件密度的增加，当增加到纳米级别时材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使半导体器件不能正常工作；经济上，当线路缩小到0.1μm时，其生产线的建造价格将达到100亿美元，致使企业提高芯片集成度的积极性不高。但是人们对设备的高性能算力的追求却没有停止，由

于摩尔定律的局限性，只靠提高单一CPU的性能已经无法满足计算机计算性能的提高，解决之

道有两个：一是发现更好的材料，这样可以有效地克服在芯片集成度提高时可能会引发的物理

或化学效应；二是改变简单依赖提高集成度和主频来提高单一CPU运算能力的思路，在芯片内

部集成多个CPU核，通过在计算机芯片上安装多个CPU,实现多个CPU并行工作，以此提高

数据处理速度。例如，Intel公司2017年发布的酷睿i9就提供了18内核。正如CyberCash的总裁丹·林启所说的“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律”，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力来实现它。

1.1.2计算机的分类

随着大规模集成电路的迅速发展，计算机进入大发展时期，各种类型的计算机都得到了迅速发展。下面对各类计算机的情况进行简单介绍。

1.大型机

大型机是反映各个时期先进计算技术的大型通用计算机，其中BM公司的大型机系列影响

最大。20世纪60~80年代，信息处理主要是以主机系统加终端为代表（即大型机）的集中式

数据处理，20世纪60年代的BM360系列、20世纪70年代和80年代的IBM370系列曾占领

大型机的霸主地位。IBM公司为开发BM360系列的软件耗费了巨大的人力和财力，据估计，

BM用户在应用程序和培训等方面耗费了2千亿美元，是硬件投资的3~5倍。如此丰富的软

件不能抛弃，只能继承，这已成为用户与计算机厂家的共识，但也成为计算机发展的制约因

素。因此，IBM370系列在保持与IBM360系列兼容的前提下进行了改进与提高，其主流产品有

IBM303X系列与BM4300系列，后者是该系列中的低档产品。

计算机组成原理

进入20世纪80年代以后，随着微型机性能的极大提高和网络技术的普及，客户机/服务器(Client/Server)技术得以飞速发展并普及，曾一度使大型机的作用受到怀疑。

进入20世纪90年代后，随着企业规模的扩大与信息技术的发展，很多使用客户机/服务器的分布式运算模式的用户发现，这种系统的管理极为复杂，运算营运成本高，安全可靠性难以保证。企业需要一个开放的、安全的大型服务器作为计算平台，于是大型机获得了东山再起的机会，因为只有大型机才具有高可靠性、安全性、高吞吐能力、高可扩展性、防病毒以及防

黑客的能力。与此同时，大型机的性能在不断提高，成本不断下降。20世纪90年代，BM推

出的大型机系列为IBMS/390系列，并不断推出新产品，ES/9000即是IBMS/390系列中的知名

产品之一，1997年的主流产品是9672系列。1997年6月，推出的IBMS/390第4代产品采用

了CMOS工艺，从而减少了功耗，并提高了芯片的集成度。1998年5月，IBMS/390第5代产

品问世，主机运算速度达到10亿次/s。IBMS/390不仅仍保持与IBM360、IBM370的兼容，还包含了许多新特点，如良好的开放性、并行计算环境等，被广泛用作企业服务器。

2010年7月，IBM宣布推出zEnterprise大型主机服务器和一个全新设计的系统。该系统能够允许大型主机、POWER7和System x服务器上的工作负载共享资源，并作为一个单一的虚拟的系统进行管理。

其他计算机厂家在发展新机种时也遵循兼容的原则。某些计算机厂家走上与BM计算机兼

容的道路，称之为PCM,即Plug Compatible Mainframe(插接兼容主机一硬件完全兼容)或

Program Compatible Mainframe(程序兼容主机一软件兼容)，制造与IBM兼容的计算机。它

们按BM系列计算机的系统结构制造主机，并直接引用BM计算机的软件，因而使产品的性

能价格比优于BM原装机，以争夺市场。

2.巨型机（超级计算机）

现代科学技术，尤其是国防技术的发展，需要有很高运算速度、很大存储容量的计算机，而一般的大型通用计算机无法满足要求。集成电路的发展为制造巨型机（也称为超级计算机）提供了条件。巨型机具有很强的计算和处理数据的能力，主要特点表现为高速度和大容量，配有多种外部设备及丰富的、多功能的软件系统。

20世纪60~70年代相继推出了一些巨型机，其中取得最高成绩的要推Cry-1计算机。针对天气预报、飞行器的设计和核物理研究中存在大量向量运算的特点，Cry-1计算机的向量运算速度达8000万次/s,并兼顾了一般的标量运算。1983年研制成功的CryX-MP机的向量运算速度达4亿次/s。与此同时，CDC公司的CYBER203和CYBER205先后完成，CYBER205每秒可进行4亿次浮点运算。这些是20世纪80年代初期水平最高的巨型机。但是这些成就还不能满足一些复杂问题的需要，所以不少单位开展了性能更高的巨型机的研究工作。后来微处理器的发展为阵列结构的巨型机的发展带来了希望。例如，古德伊尔公司为美国国家航空航

天局(NASA)研制了一台处理卫星图像的计算机系统MPP,该机由16384个微处理器组成

128×128方阵。这种采用并行处理技术的多处理器系统是巨型机发展的一个重要方面，称为小巨型机。

现代巨型机硬件大多采用流水线、多功能部件、阵列结构或多处理机等各种技术。流水线是把整个部件分成若干段，使众多数据能重叠地在各段操作，特别适合向量运算，性价比高，应用普遍。多功能部件可以同时进行不同的运算，每个部件内部又常采用流水线技术，既

适合向量运算又适合标量运算。我国的“银河”机和日本的VP/200、S810/20机进一步将每个

向量流水部件或向量处理机加倍，组成双向量阵列，又把向量运算速度提高了两倍。美国CY

第1章计算机系统概论

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BER205机的向量处理机可按用户需要组成一、二或四条阵列式的流水线，技术上又有所发展。

多处理机系统以多台处理机并行工作来提高系统的处理能力，各台处理机可以协作完成一个作业，也可以独立完成各自的作业。每台处理机内部也可采用各种适宜的并行处理技术。在任务的划分与分配、多处理机之间的同步与通信和互联网络的效益等方面，多处理机系统尚存在不少问题有待解决。

我国也在20世纪80年代开始了巨型机的研制。1983年12月22日，中国第一台运算速度达1亿次/s以上的计算机“银河”在长沙研制成功。1992年11月19日，“银河·Ⅱ”（运算速度达10亿次s)巨型计算机在长沙通过国家鉴定。1999年，由清华大学研制的“探索108”

大型群集计算机系统及高效能网络并行超级计算机THNPSC-1问世，其最高浮点运算速度达到

300亿次s。2000年1月28日，中国科学院计算技术研究所研制的863项目“曙光2000-Ⅱ”超级服务器通过鉴定，其运算速度峰值达到1100亿次/s,机群操作系统等技术进入国际领先行列。2011年，我国以国产微处理器为基础制造出国内第一台超级计算机，名为“神威蓝光”。2016年6月，在新一期的世界超级计算机500强榜单中，“神威·太湖之光”超级计算机和“天河二号”超级计算机位居前两位。

3.小型机

小型机规模小、结构简单，所以设计试制周期短，便于及时采用先进工艺，生产量大，硬件成本低，同时由于软件比大型机简单，所以软件成本也低，再加上易操作、易维护和可靠性高等特点，使得管理机器和编制程序都比较简单，因而得以迅速推广，掀起一个计算机普及应

用的浪潮。DEC公司的PDP-11系列是16位小型机的代表；到20世纪70年代中期，32位高

档小型机开始兴起，DEC公司的VAX11/780于1978年开始生产，应用极为广泛。VAX11系列

与PDP11系列是兼容的。20世纪80年代以后，精简指令集计算机(RISC)问世，导致小型

机性能大幅度提高。

小型机的出现打开了在控制领域应用计算机的局面，许多大型分析仪器、测量仪器、医疗仪器都使用小型机进行数据采集、整理、分析、计算等。应用于工业生产上的小型机除了进行上述工作外，还可进行自动控制。

2000年以前，小型机还广泛应用于工程设计、科学计算、信号处理、图像处理、企业管理以及在客户机/服务器结构中用作服务器等。但是小型机有以下缺点：

1)封闭性。小型机主要运营封闭的Linux系统，例如IBM的AIX、HP的HP-UNTX、Sun的Solaris。.这些系统都是非常封闭的，互相之间软件不能通用，导致应用类型不丰富，只能限定在某些专用业务场景下，进而使软件生态下降，发展缓慢。

2)复杂性。小型机的结构比较复杂，运行的系统也比较复杂，只有专业的技术工程师才能进行使用和维护，这就又大大减少了应用场景。

目前，X86-64的服务器处理器从功能到性能均已优于传统的使用RISC处理器的小型机，

同时高端X86服务器的可靠性已有了质的飞跃；而且X86服务器的价格在几万到十几万，与

小型机几十万到近百万的价格相比也具有极大优势。更应当注意的是，随着虚拟化技术的发展，

X86服务器具有了卓越的性能，同时还实现了标准化管理、高可用性、硬件升级更为方便、集

中管理、集中监控、提高运维效率等诸多优势，小型机逐渐被市场淘汰。

4.微型机

微型机的出现与发展掀起了计算机大普及的浪潮。利用4位微处理器Intel4004组成的MCS-4是世界上第一台微型机，它于1971年问世。Intel8086是最早开发成功的16位微处理

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计算机组成原理

器(1978年)。1981年，32位微处理器Intel180386问世，与原来的产品相比，除了主频速度提高外，还将原属片外的有关电路集成到片内。

32位微处理器采用过去大中型计算机中所采用的技术，因此用它构成的微型机系统的性能可以达到20世纪70年代大中型计算机的水平。

20世纪70年代后期，兴起个人计算机（一种独立的微型机系统）热潮，最早出现的是

Apple公司的AppleⅡ型微型机（1977年)，此后各种型号的个人计算机纷纷出现。1981年，

一向以生产大中型通用机为主的IBM公司推出了IBM PC机。该机采用Intel80×86(当时为8086)微处理器和Microsoft公司的MS-DOS操作系统，IBM公司还公布了IBM PC的总线

结构，这些开放措施为微型机的大规模生产打下了基础。后来又推出扩充了性能的IBM PC/

XT、IBM PC/AT以及386、486和Pentium等多种机型，由于具有设计先进、软件丰富、功能齐全、价格便宜和开放性等特点，很快成为微型机市场的主流。国内外有不少厂家相继生

产了与IBM兼容的个人计算机及其配套的板级产品和外部设备。

个人计算机走向家庭，并向多媒体方向发展，这就是家用计算机和多媒体计算机。同时，微型机向小型化发展，出现了便携机（膝上型、笔记本型和掌上型），在20世纪90年代获得迅速发展。

进入21世纪之后，伴随电池技术、LED显示技术、网络应用等技术进一步发展和成熟，

便携式计算机的续航能力、重量与尺寸、数据传输能力等方面得到极大提升和改善，便携型计算机已经得到广泛应用，比较有代表性的企业或产品包括美国的苹果、戴尔，韩国的三星，中国的华为、小米、华硕等。

5.工程工作站

工程工作站是20世纪80年代兴起的面向广大工程技术人员的计算机系统，一般具有高分辨率显示器、交互式的用户界面和功能齐全的图形软件，集中应用于各种工程方面的计算机辅助设计，如集成电路设计、机械设计、土木建筑设计等。1980年成立的Apollo公司和1982年成立的Sun微系统公司主要从事工作站的研制与生产工作，开始都采用Motorola的微处理器芯

片，后来改用RISC微处理器。

1987年以后，工作站普遍采用32位或64位的RISC微处理器，不仅处理速度快，而且具

有强大的图形处理功能和友好的窗口界面，后来又向多处理器系统和分布式处理系统发展。典型的产品有Sun公司的SPARC系列、DEC公司的Alpha系列，以及SGI公司和HP公司的工作站系列。

工程工作站出现得比较晚，所以一般都带有网络接口，并采用开放式系统结构，即将机器的软硬件接口公开，以鼓励其他厂商、用户围绕工作站开发软硬件产品，同时尽量遵守国际工业界流行的标准。

6.嵌入式计算机

嵌入式计算机是一种“专用”计算机，一般指非PC系统，是针对网络、通信、音频、视

频、控制等某个特定的应用而存在的，由嵌入式微处理器、外部硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成：它的软硬件可裁剪，以适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机的应用软件与硬件集成于一体，类似

于PC中BIOS(基本输入输出系统)的工作方式，具有软件代码少、高度自动化、响应速度快

等特点，特别适合要求实时和多任务的体系。嵌人式计算机应用于手机、数字电视、家用电器、网络设备、交通工具、工业控制、医疗设备等生产生活的各个领域。

···试读结束···