计算机组成原理

对计算机系统的主要组成部分 ——总线、存储器、输入/输出系统、运算器、指令系统、控制器进行详细讲解

对每类器件的逻辑组成、物理组成、硬件工作方式、工作流程等展开全面阐述

将重要知识点通过举例的方式进行直观讲解，加强读者理解

罗列计算机硬件发展的前沿技术，扩展读者专业知识面

“计算机组成原理”课程是计算机类专业的核心课程，理论性较强，部分内容对于初学者来说比较难以理解，需要有较强的数字电路基础。本书对计算机系统的主要组成部分—总线、存储器、输入/输出系统、运算器、指令系统、控制器进行了详细的讲解，对每类器件的逻辑组成、物理组成、硬件工作方式、工作流程等展开了较为全面的阐述，并将一些重要的知识点通过举例的方式直观讲解，加强读者的理解。

“计算机组成原理”课程涵盖的内容比较广泛，对于计算机相关专业的学生来说，掌握本书中的大部分内容对于夯实专业基础非常重要。在理论讲述的同时，本书还罗列了一些计算机硬件发展的前沿技术，扩展读者专业知识面。

本书可作为本科院校计算机科学与技术、网络工程、物联网工程等专业的教材，也可供从事计算机体系结构与组成研究的人员参考。读者也可以从出版社电子资源配套网站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）上下载相关教学资源。

本书共7章，主要内容包括计算机组成和系统结构绪论、总线系统、存储系统、输/入输出系统、运算系统、指令系统和控制系统等。本书教学内容比较多，教师可以选择部分章节在课堂内讲解，除课堂时间外，学生还可利用课余时间进行学习。

本书由陈念、计博婧、章哲庆任主编。各章编写分工如下：第1～3章由陈念编写，第4、6章由计博婧编写，第5、7章由章哲庆编写，全书由陈念统稿。

对于本书的错误和不当之处，希望读者予以指正，以便下次修订。

编 者

2019年4月

第1章 绪论 1
1.1 计算机体系结构与组成 1
1.1.1 计算模型和图灵机 1
1.1.2 计算机体系结构的概念 2
1.1.3 计算机系统层次 4
1.1.4 计算机系统结构分类 6
1.2 计算机系统组成 9
1.2.1 硬件构成 9
1.2.2 计算机性能指标 13
1.2.3 计算机工作过程 14
1.3 计算机软件系统 17
1.3.1 软件发展历程 17
1.3.2 软件分类 18
1.3.3 软件产业发展趋势 19
1.4 计算机应用领域 20
1.4.1 传统应用领域 20
1.4.2 延伸应用领域 21
1.5 计算机技术发展展望 24
1.5.1 计算机发展趋势 24
1.5.2 新型计算机技术 26
1.6 本章小结 28
习题 29
第2章 总线系统 30
2.1 总线体系结构 30
2.1.1 总线体系结构演变历程 31
2.1.2 现代计算机总线结构 33
2.2 总线标准化与总线特性 37
2.3 总线分类与性能评价指标 39
2.3.1 总线分类 39
2.3.2 总线性能评测 41
2.4 总线时序 43
2.4.1 系统总线周期 43
2.4.2 总线读写周期时序 43
2.5 总线控制 46
2.5.1 总线判优控制 46
2.5.2 通信控制 48
2.5.3 通信控制方式 49
2.6 本章小结 54
习题 54
第3章 存储系统 56
3.1 存储分类与存储体系 56
3.1.1 存储分类 56
3.1.2 存储层次和存储体系 59
3.2 内存储器 61
3.2.1 内存条外形 61
3.2.2 内存结构 62
3.2.3 内存性能 66
3.2.4 动态内存刷新 68
3.2.5 静态RAM 71
3.2.6 存储扩展与连接 76
3.2.7 访存速度提升措施 82
3.2.8 存储器校验 86
3.3 高速缓冲存储器（Cache） 89
3.3.1 设置Cache的原因 89
3.3.2 Cache地址结构与映射 89
3.3.3 Cache工作机制 95
3.3.4 缓存的类型 98
3.4 辅助存储器 100
3.4.1 辅存简介 100
3.4.2 硬盘结构与性能参数 101
3.4.3 固态硬盘 107
3.4.4 磁存取原理与记录方式 109
3.4.5 磁盘阵列与分布式系统 113
3.5 本章小结 118
习题 118
第4章 输入/输出系统 121
4.1 I/O接口概述 121
4.1.1 I/O接口要解决的问题 122
4.1.2 I/O接口的功能 122
4.1.3 CPU与I/O接口信号 124
4.1.4 I/O接口的类型 124
4.2 I/O端口寻址方式 125
4.2.1 存储器映像的I/O寻址方式 125
4.2.2 I/O端口单独寻址方式 126
4.3 I/O控制方式 127
4.3.1 无条件传送方式 127
4.3.2 查询传送方式 129
4.3.3 中断传送方式 132
4.3.4 DMA方式 137
4.3.5 通道控制方式 140
4.4 本章小结 145
习题 146
第5章 运算系统 147
5.1 无符号数和有符号数 147
5.1.1 无符号数 147
5.1.2 有符号数 147
5.2 数的定点表示与浮点表示 150
5.2.1 定点表示 151
5.2.2 浮点表示 151
5.3 定点数的四则运算及移位运算 154
5.3.1 定点数加减运算 154
5.3.2 定点数的移位运算 159
5.3.3 乘法运算 162
5.3.4 除法运算 170
5.4 浮点四则运算 179
5.4.1 浮点加减运算 179
5.4.2 浮点乘除法运算 183
5.4.3 浮点运算的硬件结构 186
5.5 算术逻辑单元（ALU） 186
5.5.1 ALU的基本信号 186
5.5.2 ALU的电路操作 187
5.5.3 ALU的发展 188
5.5.4 快速进位链及其应用 188
5.6 本章小结 198
习题 199
第6章 指令系统 201
6.1 机器指令 201
6.1.1 指令系统概述 201
6.1.2 CISC与RISC 202
6.2 指令格式 203
6.2.1 操作码 203
6.2.2 地址码 206
6.2.3 指令格式设计原则 208
6.3 寻址方式 208
6.3.1 指令寻址 208
6.3.2 操作数寻址 209
6.4 堆栈与堆栈操作 214
6.4.1 堆栈结构 214
6.4.2 堆栈操作 216
6.5 指令系统应用举例 216
6.6 指令的类型 218
6.6.1 数据传送类指令 218
6.6.2 算术运算类指令 220
6.6.3 逻辑运算类指令 222
6.6.4 移位指令 222
6.6.5 程序控制类指令 224
6.6.6 字符串操作类指令 226
6.6.7 指令系统的扩展 227
6.7 本章小结 227
习题 228
第7章 控制系统 229
7.1 CPU控制电路结构 229
7.1.1 CPU的功能 229
7.1.2 CPU的基本组成 230
7.1.3 CPU的寄存器 232
7.1.4 冯•诺依曼结构和哈佛结构的处理器 236
7.2 控制单元 236
7.2.1 微命令产生部件 237
7.2.2 时序系统 237
7.2.3 控制器分类 240
7.3 指令周期 240
7.3.1 指令周期的基本概念 240
7.3.2 指令周期的数据流 242
7.3.3 指令周期数据流举例 247
7.4 控制器的设计 248
7.4.1 控制单元的设计方法 248
7.4.2 控制信号分析 249
7.4.3 组合逻辑控制器的设计 255
7.4.4 微程序控制器的设计 260
7.4.5 组合逻辑控制器和微程序控制器的比较 275
7.5 指令流水线技术 276
7.5.1 指令流水线的原理 276
7.5.2 流水线的分类 279
7.5.3 流水线的性能指标 281
7.5.4 影响流水性能的因素 287
7.5.5 高级流水线技术 295
7.6 本章小结 300
习题 300
参考文献 302

1. 控制器件（第三版） [主编　鲁兴举]
2. 人工智能与信息素养 [主编 吴华光 房宜汕]
3. 智能多媒体技术 [主编 陈萍 刘灵傲]
4. 云南异龙湖无机碳埋藏的近现代模式研究 [李平 著]
5. 基于多模态的人脸图像生成算法与关键技术 [罗晓东 著]
6. 应用型地方本科高校教师专业发展研究 [吴丽 著]
7. 高维数据特征筛选策略与算法 [陈念 著]
8. 外贸英语从入门到实战：53种实战场景秒变谈判高手 [张乐 廖熠 编著]
9. Linux系统管理（openEuler版） [主编 许兴鹍 黄君羡]
10. Python程序设计项目化教程（基于AI） [主编 禹晨 赵金考 王宏斌]
11. 可编程控制器应用项目化教程（三菱FX系列） [主编 姜文雍 李东方]
12. 全球英文电影精选：看电影学英文 [张颖　编译]
13. Python程序设计与网络爬虫 [黄海辉 彭新东]
14. 实体店创业分析实务 [燕艳 陈文冬 编著]
15. 中国对欧盟OFDI效率与风险的多维度实证评估—基于KK-SFA模型与PCF-聚类分析方法 [黄健钧 著]
16. 生成式人工智能素养 [邱有春　罗明全]
17. 系统分析师考试32小时通关（适配第2版考纲） [薛大龙　邹月平]
18. Ansys DesignModeler参数化特征建模与仿真指南 [蔡宜时 编著]
19. 浙江省山区县共富工坊建设的现状与对策 [徐骏骅 著]
20. 计算机网络技术及应用（第3版） [主编 刘永华 陈瑶]
21. 北京冬奥精神传承和发展研究 [顾春雨 邹新娴 等 著]
22. 汽车营销理论与实务（第三版） [主编 赵培全]
23. 人工智能基础与实践 [禹晨 赵金考 王宏斌 李璐]
24. 系统分析师5天修炼（适配第2版考纲） [施游 邹汉斌 黄少年 主编]
25. 线性代数（第二版） [惠小健 贺艳琴 夏斌湖]
26. 微控制器系统设计（STM32版） [主编 杨凌]
27. 机械原理与机械设计作业集（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
28. 高剑父的现代国画研究 [陈水兴　著]
29. 用英语介绍中国江河湖海 [庞彦杰　李静　赵娟　刘桂杰　编]
30. 大学生创新创业基础（第2版） [主编 姜国权 方邡]