计算机组成原理

全书是在编者多年来教学材料的基础上精炼而成，有较强的可读性、科学性、系统性和实用性。

以计算机认知方法论作指导，全面而有重点地介绍计算机的各个组成部分，以及各个部分之间是如何协同工作的。

书中备有大量专门设计的图表和精选的例子，并附加了近年来部分重点大学硕士研究生的入学试题及参考答案，方便广大读者使用。

“数字逻辑与数字系统”、“计算机组成原理”、“计算机系统结构”和“微机原理与接口技术”是计算机科学与技术专业本科生硬件一条线的必修课程。第一门课是技术基础课，讲授逻辑部件级的分析与设计方法。第二门课是专业基础课，讲授单处理机系统的组成分析和设计方法，偏重于处理机的整机概念。第三门课属于专业课，着重讲授并行计算机系统的基本概念、结构、分析和设计方法。第四门课同样属于专业课，主要讲述为微机的结构、组成、汇编语言的设计以及计算机各个部件的接口与应用。

本书是在编者多年来讲授“计算机原理”、“计算机原理与系统结构”、“计算机系统结构”和“微机原理与接口技术”等课程教学材料基础上精炼而成，以计算机认知方法论作指导，全面且有重点地介绍计算机的各个组成部分，以及各个部分之间是如何协同工作等问题，且特别注重可读性、科学性、系统性和实用性。书中备有大量专门设计的图表以及精选的例子，并附加了近年来部分重点大学硕士研究生的入学试题及参考答案，以方便广大读者使用。

全书共分8章。第1章计算机系统概论，介绍计算机发展、特点、计算机的组成和计算机系统的构成；第2章计算机中数据的表示与运算，讨论定点数、浮点数的机器码表示和计算；第3章存储系统，介绍主存和辅存的结构、存储体系构成原理、存储器的扩充以及高速缓冲存储器和虚拟存储；第4章指令系统，讨论指令的结构及指令格式优化、寻址技术和典型指令；第5章中央处理器，讲述CPU的结构组织、控制器的结构、指令的执行过程和运算器的组织；第6章总线与接口，主要论述连接计算机各个主要功能部件之间所需的总线与接口；第7章输入/输出（I/O）系统，重点介绍程序查询方式、中断方式和DMA方式的控制及接口组织；第8章实验指导，通过具体的实践操作加深对理论知识的理解与掌握。

本书由唐为方任主编，解洪胜、李秀芳、郝秉华、李侃任副主编。全书由山东交通学院史士英教授主审。章节编者具体分工为：第1、3章由生慧（山东中医药大学）编写，第2章由李侃（山东轻工业学院）、高悟实（山东轻工业学院）共同编写，第4章由倪燃（山东交通学院）、唐为方（山东轻工业学院）共同编写，第5章由郝秉华（内蒙古财经大学）编写，第6章由解洪胜（山东女子学院）、唐为方共同编写，第7章由李秀芳（山东轻工业学院）编写，第8章及课程的习题和附录由唐为方编写。

本书可作为“计算机组成原理”、“计算机组成”、“计算机原理与系统结构”课程或其他类似名称课程的教材，参考授课学时为72学时。本书也可供高等教育自学考试、计算机软件专业技术资格和水平考试辅导班作硬件应试辅导教材，以及供从事计算机系统的应用、开发和维护维修的工程技术人员参考。

本书的编写得到了大连理工大学夏尊铨教授、山东科技大学刘法胜教授、山东交通学院肖海荣教授和吴昌平副教授、山东轻工业学院耿玉水和郭爱章教授、内蒙古财经大学王彪教授的精心指导，并提出了许多宝贵意见，在此谨表深深的谢意。中国水利水电出版社的雷顺加等同志对本书的出版也做了大量的工作，在此对他们表示衷心的感谢！

虽然编者在成书之前对书稿进行了多次修改和校正，但由于编者水平有限，疏忽之处在所难免，恳请专家和读者批评指正。

编 者

2012年10月

前言

第1章 计算机系统概论 1
1.1 计算机的发展历程 1
1.2 计算机的分类和应用 2
1.2.1 计算机的分类 2
1.2.2 计算机的应用领域 3
1.3 计算机硬件系统 4
1.4 计算机软件系统 7
1.4.1 计算机软件系统的组成与分类 7
1.4.2 计算机软件系统的发展演变 8
1.4.3 计算机软件系统组成的层次结构 9
1.5 计算机系统的工作过程 10
1.5.1 计算机处理问题的步骤 10
1.5.2 计算机的工作过程 11
1.6 计算机的性能指标 11
本章小结 12
习题1 12
第2章 数据的表示与运算 13
2.1 数制与编码 14
2.1.1 数制及数制转换 14
2.1.2 无符号数和带符号数 18
2.1.3 定点数与浮点数 18
2.1.4 真值和机器数 20
2.1.5 BCD码 22
2.1.6 字符与字符串的表示方法 23
2.1.7 汉字的表示方法 25
2.1.8 数据校验码 26
2.2 定点加法、减法运算 27
2.2.1 原码加/减运算 27
2.2.2 补码加/减运算 28
2.2.3 基本的二进制加法器 31
2.2.4 十进制加法器 31
2.3 定点乘除运算 33
2.3.1 移位运算 33
2.3.2 原码一位乘法 33
2.3.3 补码一位乘法 34
2.3.4 原码除法 36
2.4 定点运算器的组成 37
2.4.1 逻辑运算 37
2.4.2 半加器与全加器 39
2.4.3 串行加法器和并行加法器 40
2.4.4 多功能算术/逻辑运算单元（ALU） 41
2.4.5 定点运算器的基本结构 43
2.5 浮点表示、浮点运算 45
2.5.1 IEEE754 45
2.5.2 浮点加法、减法运算 46
2.5.3 浮点乘法、除法运算 48
2.6 浮点运算器 49
2.6.1 浮点运算器的结构 49
2.6.2 浮点运算器实例 49
本章小结 52
习题2 52
第3章 存储系统 54
3.1 存储器系统概述 54
3.1.1 存储器分类 54
3.1.2 三级存储体系结构 56
3.1.3 主存储器的基本结构 57
3.1.4 主存储器的主要技术指标 59
3.2 随机存取存储器 59
3.2.1 SRAM 59
3.2.2 动态RAM的刷新 61
3.3 半导体只读存储器 63
3.4 存储器的扩充 64
3.4.1 主存储器与CPU的连接 64
3.4.2 位扩展 65
3.4.3 字扩展 66
3.4.4 字和位同时扩展 67
3.5 高速存储器 68
3.5.1 双端口存储器 68
3.5.2 多模块存储器 69
3.6 高速缓冲存储器（Cache） 71
3.6.1 Cache的基本原理 71
3.6.2 地址映射 73
3.6.3 替换算法 75
3.6.4 Cache的写策略 76
3.7 虚拟存储器 76
3.7.1 虚拟存储器的基本概念 76
3.7.2 页式虚拟存储器 77
3.7.3 段式虚拟存储器 79
3.7.4 段页式虚拟存储器 80
本章小结 80
习题3 81
第4章 指令系统 82
4.1 指令系统的基本概念 82
4.1.1 指令系统的发展 82
4.1.2 对指令系统性能的要求 83
4.2 指令格式 84
4.2.1 操作码 84
4.2.2 地址码 84
4.2.3 指令字长度 85
4.2.4 指令助记符 86
4.3 指令的寻址方式 86
4.4 操作数寻址方式 87
4.5 80X86操作数的基本寻址方式举例 90
4.6 指令格式的设计 91
4.6.1 操作码优化法——霍夫曼
（Huffman）编码 91
4.6.2 地址码优化设计 92
4.7 RISC与CISC 93
4.8 指令系统举例 94
4.8.1 IBM 370系列机指令格式 94
4.8.2 PDP-11指令格式 95
4.8.3 Pentium指令系统 96
4.8.4 Power PC指令系统 97
本章小结 99
习题4 100
第5章 中央处理器 102
5.1 CPU的功能和组成 102
5.1.1 CPU的功能 102
5.1.2 CPU的基本组成 103
5.1.3 CPU的主要寄存器 103
5.1.4 操作控制器与时序产生器 105
5.2 指令周期 105
5.3 指令的执行过程 106
5.3.1 CLA指令的执行过程 107
5.3.2 ADD指令的执行过程 108
5.3.3 STA指令的执行过程 110
5.3.4 NOP指令和JMP指令的执行过程 112
5.3.5 指令的执行过程总结 113
5.4 数据通路的功能和基本结构 114
5.5 硬布线控制器的工作原理 116
5.5.1 时序信号的作用和体制 119
5.5.2 时序信号产生器 119
5.5.3 控制方式 120
5.6 微程序控制器的工作原理 122
5.6.1 微命令和微操作 124
5.6.2 微指令和微程序 125
5.6.3 CPU周期与微指令周期的关系 128
5.6.4 微指令的编码方式 129
5.6.5 微地址的形成方法 131
5.6.6 微指令格式 132
5.7 指令流水线 133
5.7.1 指令流水线的基本概念 133
5.7.2 指令流水线的表示方法及性能指标 135
5.7.3 超标量和静态、动态流水线的基本
概念 137
5.8 多核处理器的基本概念 139
本章小结 140
习题5 141
第6章 总线与接口 145
6.1 总线概述 145
6.1.1 总线的基本概念 145
6.1.2 总线分类 146
6.1.3 总线的连接方式 146
6.1.4 总线的组成及性能指标 149
6.2 总线接口 149
6.2.1 I/O接口的功能和基本结构 150
6.2.2 I/O端口及其编址 150
6.2.3 I/O 地址空间及其编码 151
6.3 总线的仲裁 151
6.3.1 集中仲裁方式 151
6.3.2 分布仲裁方式 154
6.4 总线的定时 154
6.4.1 同步定时方式 154
6.4.2 异步定时方式 155
6.5 总线数据传送模式 155
6.6 总线标准 155
6.6.1 ISA总线 155
6.6.2 PCI总线 156
6.6.3 AGP总线 156
6.6.4 其他总线 157
本章小结 157
习题6 158
第7章 输入输出（I/O）系统 159
7.1 I/O系统概述 159
7.1.1 I/O系统的基本概念 159
7.1.2 I/O系统的发展 160
7.1.3 I/O系统的原理 162
7.1.4 I/O系统的组成 163
7.1.5 主机和外设的连接 165
7.2 外围设备概述 168
7.2.1 外围设备的一般功能 168
7.2.2 外围设备的分类 169
7.3 输入设备 171
7.3.1 键盘 172
7.3.2 鼠标 173
7.3.3 扫描仪 175
7.4 输出设备 176
7.4.1 显示器 177
7.4.2 打印机 182
7.4.3 绘图仪 187
7.5 外存储器 187
7.5.1 磁盘存储器 188
7.5.2 光盘存储器 199
7.5.3 磁带存储器 200
7.5.4 磁盘阵列 201
7.6 I/O控制方式 204
7.6.1 无条件传送 204
7.6.2 程序查询方式 205
7.6.3 程序中断方式 207
7.6.4 DMA方式 214
7.6.5 通道方式 218
7.6.6 I/O处理机（IOP）方式 222
本章小结 223
习题7 223
第8章 实验指导 225
8.1 JYS-Ⅲ型计算机组成实验仪 225
8.2 实验一 寄存器与数据通路实验 228
8.3 实验二 运算器的组成实验 229
8.4 实验三 半导体存储器的组成实验 231
8.5 实验四 寄存器的控制实验 232
8.6 实验五 运算器与存储器组成实验 234
附录1 2013年硕士研究生入学考试计算机
学科考试大纲 236
附录2 2009～2012年部分高校计算机组成
原理考研试题与参考答案 240
附录3 美国标准信息交换码（ASCII）字符表 254
附录4 74181逻辑电路 255
附录5 74182逻辑电路 256
附录6 常用存储芯片与译码器 257
附录7 南桥与北桥 262
参考文献 264

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. 汽车构造（下册） [主编 王林超 徐刚]
4. 计算机组成原理实验教程 [张雯雰]
5. 成人本科学士学位英语统一考试备考指南 [主编 刘新华 副主编 陈永生]
6. 深化教学改革 提升育人质量——江苏省高等教育教学改革课题研究成果（高职卷） [主编 丁晓昌]
7. 深化教学改革 提升育人质量——江苏省高等教育教学改革课题研究成果（本科卷） [主编 丁晓昌]
8. 微型计算机组成原理与设计方法研究 [刘峰 陈炯 邵泽云]
9. 大学计算机基础上机实践教程（第二版） [何振林 胡绿慧]
10. 计算机组成原理 [主编 马辉 王丁磊]