现代计算机原理与工业应用

（1）讨论设计技术。教材在力求保持学科广度的同时，兼顾到学科深度，并对所涉及的主题给出具体的应用。

（2）解决工程问题。教材以工业计算机在工程实际中的应用为案例，讨论和分析计算机工业控制和应用等问题。

（3）讲解通俗易懂。作者从学生的角度出发，按照学生理解问题的思路和方式来写作，力求教材内容通俗易懂，图文并茂。

讨论了图灵机结构、冯诺依曼结构、数据存储的局部性原理、CPU流水线结构、GPU并行计算、分布式计算问题等；在新技术方面，讨论了计算机集群结构、Hadoop分布式计算平台、ARM、PowerPC嵌入式系统结构、云计算等内容；在实用技术方面，讨论了国产化自主可控计算机硬件和国产化操作系统等应用。教材在力求保持学科广度的同时，兼顾到学科深度，并对所涉及的主题给出具体的应用。

计算机工学博士，研究员级高级工程师，全国“五一”劳动奖章获得者，长沙市优秀科技专家，长沙高新区创新创业领军人才，总装型谱“军用TFT液晶显示器系列”科研项目首席专家，载人航天与探月工程重大专项载人航天工程后续任务实施方案编制专家组成员，湖南大学硕士生导师。曾主持承担了由原总装备部、原总参通信部、原海装电子部下达的“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”的多项科技攻关项目，其项目涉及军用计算机主机、军用显示设备及军用以太网互联设备等，其产品均通过部级设计定型鉴定，技术均达到国内外同类产品先进水平，填补了多项国内空白。2006年，夏显忠主持承担的载人航天用液晶显示器国产化项目，取得了国产液晶显示设备在真空热环境工作、超低功耗、高可靠性指标、高安全性等技术方向上的突破，专家的评价为“在载人航天用液晶显示器国产化项目关键技术上取得了突破，在该领域迈出了一大步”。2009年主持“数字化飞机平显和头盔像源的研制工作，目前已列装我国几个型号飞机。2012年2月与国防科大专家成立项目组共同研制中低速磁悬浮列车悬浮控制计算机，为磁悬浮列车的顺利开通作出了较大的贡献。

目录

第一部分计算机组成原理

第1章计算机基本知识

1.1计算机类型与技术指标

1.1.1计算机基本类型

1.1.2计算机技术指标

1.1.3计算机基准测试

1.1.4系统设计的思考

1.2数字信息编码

1.2.1二进制编码特征

1.2.2不同数制的转换

1.2.3二进制整数编码

1.2.4二进制小数编码

1.2.5二进制补码运算

1.3计算机理论模型

1.3.1计算机系统层次模型

1.3.2图灵机的结构与原理

1.3.3冯·诺依曼计算机结构

1.3.4哈佛计算机结构

1.3.5新型计算机研究

习题1

第2章数据存储原理

2.1数据存储技术

2.1.1常用存储器类型

2.1.2存储器层次结构

2.1.3数据的寻址方法

2.1.4地址的转换机制

2.2缓存结构与原理

2.2.1高速缓存工作原理

2.2.2高速缓存基本结构

2.2.3高速缓存替换策略

2.2.4缓存技术应用领域

2.3内存结构与原理

2.3.1内存数据存储原理

2.3.2内存数据读写原理

2.3.3内存条电路结构

2.3.4内存条技术参数

2.4闪存结构与设计技术

2.4.1闪存数据存储原理

2.4.2NOR闪存结构与性能

2.4.3NAND闪存结构与性能

2.4.4SSD结构与性能

2.4.5SD卡结构与性能

2.5硬盘结构与原理

2.5.1硬盘数据存储原理

2.5.2硬盘基本物理结构

2.5.3硬盘数据读写原理

2.5.4硬盘常用接口类型

习题2

第3章数据传输原理

3.1信号完整性分析

3.1.1信号完整性概念

3.1.2传输线基本特征

3.1.3信号的传输速度

3.1.4信号反射和串扰

3.2并行与串行传输

3.2.1传输基本概念

3.2.2数据并行传输

3.2.3数据串行传输

3.2.4差分传输技术

3.3数据传输控制

3.3.1计算机中断控制

3.3.2DMA数据传输

3.4数据纠错编码

3.4.1差错控制概念

3.4.2奇偶校验编码

3.4.3CRC编码

3.4.4海明校验编码

3.4.5信道编码技术

习题3

第4章CPU组成与设计技术

4.1计算机指令系统

4.1.1指令基本概念

4.1.2CISC指令系统

4.1.3RISC指令系统

4.2CPU组成

4.2.1CPU基本组成

4.2.2CPU制程工艺

4.2.3CPU技术参数

4.2.4CPU设计技术

4.3CPU流水线结构

4.3.1CPU结构

4.3.2取指单元

4.3.3译码单元

4.3.4控制单元

4.3.5执行单元

4.3.6退出单元

4.4国内外主流CPU

4.4.1x86系列CPU

4.4.2ARM系列CPU

4.4.3PowerPC系列CPU

4.4.4国产化CPU

习题4

第5章GPU原理与应用开发

5.1GPU图形显示体系结构

5.1.1GPU发展过程

5.1.2GPU硬件结构

5.2基于GPU图形显示技术

5.2.1GPU加速渲染管线技术

5.2.2GPU图形抗锯齿技术

5.2.3GPU缓冲区管理

5.2.4VxWorks下图形驱动的实现

5.2.5Linux下图形驱动的实现

5.3GPU异构并行计算技术

5.3.1GPU计算体系结构

5.3.2GPU并行计算实现原理

5.3.3CUDA并行计算应用

5.3.4OpenCL异构并行计算应用

习题5

第6章台式计算机

6.1主板主要技术规格

6.1.1主板主要组成部件

6.1.2ATX主板技术规格

6.1.3miniITX主板规格

6.1.4主板部件与芯片组

6.2主板电路结构分析

6.2.1主板供电电路

6.2.2主板时钟电路

6.2.3主板开机电路

6.2.4主板保护元件

6.2.5BIOS工作原理

6.2.6系统引导过程

6.3计算机总线与接口

6.3.1系统总线技术性能

6.3.2PCI总线技术性能

6.3.3PCIE总线技术性能

6.3.4USB总线技术性能

6.3.5常用接口技术性能

习题6

第7章服务器

7.1服务器基本类型

7.1.1机箱式服务器

7.1.2机架式服务器

7.1.3刀片式服务器

7.2服务器基本结构

7.2.1大型计算机结构

7.2.2PC服务器结构

7.2.3服务器主板规格SSI

7.2.4服务器常用技术

7.3服务器存储技术

7.3.1磁盘接口技术SAS

7.3.2RAID

7.4服务器外设技术

7.4.1服务器管理接口IPMI

7.4.2KVM控制技术

7.4.3机柜技术规格

习题7

第8章计算机集群

8.1计算机集群概述

8.1.1集群系统技术特征

8.1.2集群系统典型结构

8.1.3集群系统硬件设备

8.1.4集群系统管理软件介绍

8.2计算机集群系统结构

8.2.1高性能集群系统

8.2.2高可用集群系统

8.2.3负载均衡集群系统

8.2.4集群系统存储网络

8.3分布式系统计算技术

8.3.1分布式计算平台Hadoop

8.3.2分布式数据处理MapReduce

8.3.3网格分布式计算BOINC

习题8

第二部分工业计算机应用

第9章工业计算机

9.1工业计算机概述

9.1.1工业计算机基本特征

9.1.2工业计算机设计规范PICMG 1.3

9.1.3工业计算机夹层卡类型

9.1.4早期工业计算机PC104

9.2工业计算关键技术

9.2.1嵌入式处理器

9.2.2嵌入式操作系统

9.2.3工业控制网络

9.3CPCI工业计算机

9.3.1CPCI技术特征

9.3.2CPCI适配板

9.3.3CPCI背板

9.3.4CPCI连接器

9.3.5CPCIE总线

9.4VPX工业计算机

9.4.1VPX总线技术特征

9.4.2VPX总线技术规范

9.4.3VPX总线交换结构

9.5ATCA工业计算机

9.5.1ATCA结构主要特性

9.5.2ATCA载板技术规范

9.5.3ATCA接口和连接器

9.5.4ATCA系统数据传输

9.5.5ATCA供电技术

9.5.6MicroTCA系统结构

习题9

第10章计算机在工业领域的应用

10.1工业计算基本特征

10.1.1工业计算现状和发展

10.1.2工业计算的技术特征

10.2工业物联网应用

10.2.1工业物联网关键技术

10.2.2构建工业物联网架构

10.2.3工业物联网应用案例

10.3智能工厂案例

10.3.1智能工厂概述

10.3.2智能工厂的进化

10.3.3老旧设备的数据提取

10.3.4案例： 打造智能工厂

10.4工业云技术

10.4.1公有云与私有云

10.4.2工业云的技术困难

10.4.3工业云的关键技术

10.4.4工业数据中心构建

习题10

第11章计算机在军事领域的应用

11.1军用计算机概述

11.1.1军用计算机类型

11.1.2军用计算机技术体系

11.1.3加固计算机简介

11.1.4车载加固计算机介绍

11.1.5航空计算机类型

11.2军用计算机设计技术

11.2.1电磁兼容性设计

11.2.2抗恶劣环境设计

11.2.3系统可靠性设计

11.2.4计算机容错设计

11.3军用计算机通信网络

11.3.1MILSTD1553B总线

11.3.2ARINC429总线

11.3.3AFDX网络

11.3.4FC网络

11.3.5常用航空计算机网络性能比较

11.4军用计算机内部总线

11.4.1PCIE总线

11.4.2以太网网络

11.4.3RapidIO高速总线介绍

11.4.4计算机内部总线性能比较

11.5设计及应用案例

11.5.1航空雷达信号处理设计案例

11.5.2国产龙芯计算机设计案例

11.5.3高性能车载服务器设计案例

11.5.4云计算在舰艇信息系统中的应用

11.5.5云计算在车载指挥信息系统的应用

习题11

参考文献

前言

本书全面分析了计算机的基本组成原理和最新设计技术，旨在培养读者深入理解计算机硬件设计的能力，帮助读者利用所学知识解决专业领域具体问题。

教材特色

（1） 讨论设计技术。教材在理论方面讨论了图灵机结构、冯·诺依曼结构、数据存储的局部性原理、CPU流水线结构、GPU并行计算、分布式计算问题等； 在新技术方面，讨论了计算机集群结构、Hadoop分布式计算平台、ARM、PowerPC嵌入式系统结构、云计算等内容； 在实用技术方面，讨论了国产化自主可控计算机等内容。教材在力求保持学科广度的同时，兼顾学科深度，并对所涉及的主题给出具体的应用案例。

（2） 解决工程问题。教材以工业计算机在工程实际中的应用为案例，讨论和分析计算机工业控制和应用等问题。例如，介绍了工业物联网技术、智慧工厂的数据采集与传输、嵌入式计算在车载加固计算机领域的应用、嵌入式技术在航电系统中的应用等。通过工程实际案例的教学，使学生更加深入地理解计算机的设计与应用。

（3） 讲解通俗易懂。作者从学生的角度出发，按照学生理解问题的思路和方式来写作，力求教材内容通俗易懂，图文并茂。全书通过大量的图表和案例，通俗地介绍和分析一些复杂的知识结构和难以理解的技术问题。例如，讲解各种常用系统结构时，案例尽量图形化、表格化，而不是利用计算公式对系统结构进行说明。

主要内容

本书分为两大部分。第一部分（第1~8章）首先分析和讨论了计算机硬件设备最基本的操作——编码、存储、传输、计算； 然后讨论和分析了台式机、服务器、计算机集群。第二部分（第9~11章）主要讨论工业计算机的设计技术及其在企业和军事领域的应用，分析了车载加固计算机、航空计算机、舰载计算机等设计案例。

对各章内容简要介绍如下。

第1章主要介绍计算机技术指标、计算机基准测试、系统设计中的问题、二进制数据的编码、图灵机结构与原理、冯·诺依曼计算机结构、新型计算机等。

第2章主要分析和讨论数据存储技术，内容包括高速缓存的结构与原理、内存结构与设计技术、闪存结构与设计技术、硬盘结构与原理、存储设备常用接口。

第3章主要分析和讨论计算机数据传输技术，内容包括信号完整性分析、并行与串行传输的优点与缺点、数据传输中的控制方法、数据的纠错编码等。

第4章主要分析和讨论CPU组成与设计技术，内容包括CISC和RISC指令系统、CPU基本结构、CPU制程工艺、CPU流水线技术、x86系列CPU、ARM系列CPU、PowerPC系列CPU、国产化CPU等。

第5章主要分析和讨论GPU原理与应用开发技术，内容包括GPU硬件结构、GPU图形显示技术、GPU并行计算原理、CUDA并行计算、OpenCL并行计算等。

第6章主要分析和讨论台式计算机技术，内容包括ATX主板技术、主板典型电路设计技术、BIOS工作原理、系统引导过程、PCI总线、PCIE总线、USB总线等。

第7章主要分析和讨论服务器技术，内容包括PC服务器结构、服务器设计技术、SAS接口技术、磁盘冗余阵列、服务器管理接口IPMI、KVM控制技术等。

第8章主要分析和讨论计算机集群技术，内容包括集群系统典型结构、集群系统硬件设备、集群系统管理软件、高性能集群系统、高可用集群系统、负载均衡集群系统、集群系统存储网络、Hadoop分布式计算平台、BOINC网格分布式计算等。

第9章主要分析和讨论工业计算机技术，内容包括工业计算机概述、工业计算关键技术、CPCI工业计算机、VPX工业计算机、ATCA工业计算机等。

第10章主要分析和讨论工业计算基本特征、工业物联网应用、智能工厂设计案例、工业云技术。

第11章主要分析和讨论计算机在军事领域的应用，内容主要包括军用计算机概述、军用计算机设计技术、军用计算机内部总线以及设计与应用案例等。

致谢

本书由夏显忠编著，易建勋、彭超鹏、徐磊、陈龙、王浩、刘理鹏、黄江峰、潘旭亮、谭怀亮、徐瑶等参与了书稿的校对工作。因特网上的技术资料给作者提供了极大的帮助，非常感谢这些网络文献作者。

尽管我们非常认真努力地写作，但书中难免有疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

夏显忠2020年1月