计算机组成原理

紧扣计算机考研大纲知识点要求，精心设计教学内容

注重基础，概念清晰，讲解简明扼要，配合大量实例

精选近300道习题（选择、填空、综合应用等），供读者练习与自测

介绍数字电路基本内容，方便没有电路基础者学习

介绍数字系统设计方法与VHDL语言，便于学习者开展实践练习

提供教学相关资源（电子教案、习题参考解答等）

计算机组成原理是计算机专业必修的一门核心专业基础课，主要讲述构成计算机系统的各功能部件的基本原理与互连构成整机的技术。它在计算机硬件课程方面具有承上启下的重要作用，对于计算机专业学生知识体系的构建具有重要意义。在2009年计算机考研专业课统考大纲中，明确规定计算机组成原理内容约占整份试卷分值的三分之一。

本书紧扣计算机考研大纲知识点要求，精心设计教学内容，主要针对单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构及相互连接方式进行讲解，各章节内容安排如下：

第1章、第2章为计算机系统概述，主要概括介绍计算机的发展，计算机的基本组成与应用，计算机系统的层次结构和构成计算机的电路基础知识等。第3章介绍计算机中数据的表示和运算方法，以及运算器的功能和结构。第4章介绍计算机中的存储器，包括主存储器工作原理、计算机的存储系统、高速缓冲存储器与辅助存储器等。第5章介绍计算机的指令系统。第6章至第8章主要讲解中央处理器CPU，内容包括CPU的功能与结构，控制单元的功能与结构，控制单元的基本设计原理等。第9章介绍计算机总线系统。第10章介绍输入/输出系统与常见的I/O设备。

由于计算机技术的发展非常快，新知识、新技术层出不穷，作为一门专业基础课，没有必要去刻意求新。本书立足于基本原理和基本思想，同时简单介绍近些年广泛使用的一些较新技术，希望本书的使用者也能着重于基本原理的理解，而不致被众多的、风格各异的计算机结构及组成所迷惑。

计算机组成原理课程具有知识面广、内容多、难度大等特点。本书在内容的安排上，重点突出，简化了辅助存储器、输入输出设备等部分的介绍内容，强调CPU的结构与设计原理。考虑到有些高校在教学中有用VLSI实现简单CPU的实践内容，在附录部分简单介绍了MAX+plus II软件和VHDL语言的基本知识。

本书参考理论课时为64学时，另可根据情况加入实验学时，课时分配建议如下：

章节 理论课时

第1章 计算机系统概论 4学时

第2章 计算机逻辑部件基础 2学时

第3章 计算机中信息的表示和数值运算 14学时

第4章 存储器层次结构 12学时

第5章 指令系统 8学时

第6章 CPU的功能与结构 3学时

第7章 控制单元CU 8学时

第8章 控制单元的设计 4学时

第9章 系统总线 3学时

第10章 输入输出系统 6学时

合计 64学时

本书由马辉、王丁磊任主编，张莉、高峰、王瑞庆任副主编。其中第1、2、5章由张莉编写，第3章由王丁磊编写，第4章由高峰编写，第9、10章由王瑞庆编写，第6、7、8章由马辉编写。另外参加本书绘图、录入、校对等编写工作的还有李晶晶、田喜平、聂彦召、王继鹏、史小松、韩莉丽、刘璐、闫培培等。值此出版之际，感谢王爱民教授与雷顺加总编为本书的编写和出版所做的一系列工作。

由于作者水平有限，编写时间紧迫，书中不妥之处难免，望本书的使用者能不吝赐教。

编 者

2009年10月

前言

第1章 计算机系统概论 1
1.1 计算机的发展与应用 1
1.1.1 计算机的产生 1
1.1.2 计算机的发展 2
1.1.3 微型计算机的产生与发展 2
1.1.4 计算机的应用 3
1.1.5 计算机的未来展望 4
1.2 计算机的基本组成 5
1.2.1 计算机软、硬件的概念 5
1.2.2 计算机硬件的基本组成 5
1.2.3 指令与软件 7
1.2.4 计算机的工作过程 7
1.3 计算机系统简介 10
1.3.1 计算机系统的层次结构 10
1.3.2 计算机组成与计算机体系结构 11
1.4 计算机主要性能指标 12
1.4.1 CPU的相关指标 12
1.4.2 存储器的相关指标 13
1.4.3 计算机系统的相关指标 14
本章小结 15
习题1 16
第2章 计算机逻辑部件基础 18
2.1 数字电路基础 18
2.1.1 半导体材料和晶体二极管简介 18
2.1.2 双极型三极管的结构及其伏安特性 19
2.1.3 MOS管的结构及其工作特性 21
2.2 布尔代数与门电路 21
2.2.1 布尔代数 21
2.2.2 基本逻辑运算与复合逻辑运算 22
2.2.3 门电路 23
2.3 组合逻辑电路 23
2.3.1 加法器 24
2.3.2 译码器 25
2.3.3 多路选择器 26
2.4 时序逻辑电路 26
2.4.1 触发器 26
2.4.2 计数器 27
2.5 数字系统设计简介 28
2.5.1 数字系统设计方法 28
2.5.2 可编程逻辑器件简介 29
本章小结 31
习题2 31
第3章 计算机中信息的表示和数值运算 33
3.1 数制与编码 33
3.1.1 进位计数制及其相互转换 33
3.1.2 十进制数的编码 36
3.1.3 字符与字符串编码 37
3.1.4 汉字及其他信息的编码表示 39
3.1.5 校验码 41
3.2 数值数据的表示 45
3.2.1 真值和机器数 45
3.2.2 无符号数和有符号数 46
3.2.3 定点表示和浮点表示 51
3.2.4 IEEE 754标准 54
3.3 定点数的运算 56
3.3.1 移位运算 56
3.3.2 补码加减运算与溢出 58
3.3.3 乘法运算 61
3.3.4 除法运算 69
3.4 浮点数的运算 73
3.4.1 浮点数的加减运算 73
3.4.2 浮点数的乘除运算 75
3.5 算术逻辑单元ALU 76
3.5.1 串行加法器和并行加法器 76
3.5.2 ALU的功能和结构 78
本章小结 80
习题3 81
第4章 存储器层次结构 85
4.1 存储器概述 85
4.1.1 存储器的分类 86
4.1.2 存储器的性能指标 87
4.1.3 存储器的层次化结构 88
4.2 半导体随机存取存储器 89
4.2.1 SRAM存储器 90
4.2.2 DRAM存储器 93
4.3 只读存储器 98
4.4 主存储器与CPU的连接 101
4.5 高性能存储器介绍 106
4.5.1 提高主存性能的措施 106
4.5.2 双口RAM和多模块存储器 108
4.5.3 DRAM技术的发展 109
4.6 高速缓冲存储器 112
4.6.1 程序访问的局部性 112
4.6.2 Cache的基本工作原理 112
4.6.3 Cache与主存的地址映像方式 114
4.6.4 Cache的替换算法与写策略 116
4.6.5 Cache应用举例 117
4.7 虚拟存储器 118
4.7.1 虚拟存储器的基本概念 118
4.7.2 段式虚拟存储器 119
4.7.3 页式虚拟存储器 120
4.7.4 段页式虚拟存储器 121
4.7.5 快表TLB 122
4.8 辅助存储器介绍 123
4.8.1 辅存概述 123
4.8.2 磁记录原理与记录方式 124
4.8.3 硬磁盘存储器与磁盘阵列 125
4.8.4 磁带存储器 129
4.8.5 光盘存储器 130
本章小结 131
习题4 132
第5章 指令系统 137
5.1 指令格式 137
5.1.1 指令的基本格式 137
5.1.2 定长操作码与扩展操作码 139
5.1.3 指令字长 140
5.2 操作数类型和操作类型 141
5.2.1 操作数类型 141
5.2.2 数据在存储器中的存放方式 141
5.2.3 操作类型 142
5.2.4 Pentium机器数据类型和操作类型 143
5.3 指令的寻址方式 145
5.3.1 指令寻址 145
5.3.2 数据寻址 146
5.4 CISC与RISC技术 150
5.4.1 指令系统的发展 150
5.4.2 RISC的特点 151
5.5 指令格式举例 152
5.5.1 设计指令格式应考虑的因素 152
5.5.2 指令格式举例 153
本章小结 158
习题五 158
第6章 CPU的功能与结构 162
6.1 CPU的功能 162
6.2 CPU的基本结构 163
6.2.1 CPU的结构框图 163
6.2.2 CPU的寄存器结构 163
6.2.3 控制单元与中断系统 166
6.2.4 CPU内部数据通路 168
6.3 CPU的外部特性 170
6.3.1 8086的引脚定义 170
6.3.2 80386的引脚定义 171
本章小结 172
习题6 173
第7章 控制单元CU 174
7.1 控制器的功能与组成 174
7.1.1 控制器的功能 174
7.1.2 控制器的组成 175
7.2 指令周期与多级时序系统 176
7.2.1 指令周期的概念 176
7.2.2 多级时序系统 178
7.2.3 多级时序系统举例 179
7.3 指令的执行过程 182
7.4 控制方式 184
7.5 指令流水线 185
7.6 动态流水线的基本概念 191
7.7 超标量的基本概念 192
7.8 CPU举例 196
7.8.1 RISC的CPU结构 196
7.8.2 RISC的编译优化 199
本章小结 199
习题7 200
第8章 控制单元的设计 203
8.1 硬布线控制器设计 203
8.1.1 硬布线控制的基本方法 203
8.1.2 硬布线控制器的组成 204
8.1.3 硬布线控制器的设计 205
8.2 微程序控制器设计 206
8.2.1 微程序设计思想的产生 206
8.2.2 微程序控制的基本原理 207
8.2.3 微指令的编码方式 211
8.2.4 微地址的形成方式 213
8.2.5 微指令格式及执行方式 214
本章小结 216
习题8 217
第9章 系统总线 220
9.1 总线概述 220
9.1.1 总线的基本概念 220
9.1.2 总线的分类 221
9.2 总线的组成与连接方式 223
9.2.1 总线的基本组成 223
9.2.2 总线的基本连接方式 223
9.3 总线特性与性能指标 226
9.3.1 总线特性 226
9.3.2 总线性能指标 226
9.4 总线仲裁与总线操作 228
9.4.1 总线仲裁 228
9.4.2 总线操作 229
9.5 总线标准举例 232
本章小结 235
习题9 236
第10章 输入输出系统 238
10.1 输入输出系统基本概念 238
10.1.1 输入输出系统的发展概况 238
10.1.2 输入输出系统的组成 239
10.1.3 I/O设备与主机的联系方式 239
10.1.4 I/O与主机信息传送的控制方式 240
10.2 外部设备举例 242
10.2.1 输入设备 242
10.2.2 输出设备 244
10.3 I/O接口 245
10.3.1 概述 245
10.3.2 接口的功能和基本结构 246
10.3.3 接口类型 247
10.3.4 I/O端口及其编址 248
10.4 程序查询方式 249
10.4.1 程序查询流程 249
10.4.2 程序查询方式的接口电路 250
10.5 程序中断方式 251
10.5.1 中断的基本概念 251
10.5.2 中断的响应、处理过程 253
10.5.3 多重中断处理 254
10.5.4 程序中断方式的接口电路 255
10.5.5 中断控制器举例 256
10.6 DMA方式 257
10.6.1 DMA方式的特点 258
10.6.2 DMA控制器的功能和组成 259
10.6.3 DMA传送过程 260
10.7 通道方式 261
10.8 外设接口举例 264
本章小结 266
习题10 267
附录1 阵列乘法器与阵列除法器 270
附录2 74181与AM2901 272
附录3 相联存储器 275
附录4 MAX+plus II软件 277
附录5 VHDL语言 280
参考文献 284

1. 计算机组成原理 [主编 史士英 唐为方]
2. 计算机组成原理 [陈念 计博婧 章哲庆]
3. 计算机组成原理实验教程 [张雯雰]
4. 计算机组成原理 [唐为方]
5. 微型计算机组成原理与设计方法研究 [刘峰 陈炯 邵泽云]