计算机组成原理

“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。“数字逻辑与数字系统”是技术基础课，讲授逻辑部件级的分析与设计方法。“计算机组成原理”是专业基础课，讲授单处理机系统的组成和设计方法，偏重于处理机的整机概念。“计算机系统结构”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。“微机原理与接口技术”同样属于专业课，主要讲述微机的结构、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”等课程的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，以及各部分之间如何协同工作等内容。

全书共分8章。第1章计算机系统概论，介绍计算机的发展、特点、组成和计算机系统的构成；第2章数据的表示与运算，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器；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所需的总线与接口；第7章外围设备，主要介绍常见的输入设备、输出设备和存储设备；第8章I/O控制方式，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。

本书由史士英、唐为方任主编，黄卫东、郝秉华、陈英军、王维平、张志刚任副主编。

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”课程或其他类似课程的教材，参考授课学时为72学时。

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、山东交通学院张广渊教授、朱振方教授和吴昌平副教授的精心指导，上述各位专家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同志们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

2020年4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
1.1.1 世界上第一台计算机（ENIAC） 1
1.1.2 计算机的四代发展史 2
1.1.3 中国计算机的发展状况 3
1.2 计算机的分类、特点、应用领域与
发展趋势 4
1.2.1 计算机的分类 4
1.2.2 计算机的特点 6
1.2.3 计算机的应用领域 6
1.2.4 计算机的发展趋势 8
1.3 计算机硬件系统 8
1.3.1 冯•诺依曼思想 8
1.3.2 计算机硬件系统的组成 9
1.3.3 微型计算机的发展 12
1.4　计算机软件系统 13
1.4.1　计算机软件系统的组成与分类 13
1.4.2　计算机软件系统的发展演变 13
1.4.3　计算机软件系统组成的层次结构 14
1.5　计算机系统的工作过程 15
1.5.1　计算机的工作过程 15
1.5.2　计算机的工作过程示例 16
1.6　计算机的性能指标 16
本章小结 17
习题1 17
第2章　数据的表示与运算 19
2.1　数制与编码 20
2.1.1　数制及数制转换 20
2.1.2　无符号数和带符号数 24
2.1.3　真值和机器数 24
2.1.4　定点数与浮点数 28
2.1.5　十进制数的二进制编码表示
—BCD码 30
2.1.6　字符与字符串的表示方法 31
2.1.7　汉字的表示方法 32
2.1.8　二进制信息的计量单位 34
2.1.9　数据校验码 35
2.1.10　其他媒体信息 36
2.2　定点加法、减法运算 38
2.2.1　原码加/减运算 38
2.2.2　补码加/减运算 39
2.2.3　基本的二进制加法器 42
2.2.4　十进制加法器 42
2.3　定点乘除运算 44
2.3.1　移位运算 44
2.3.2　原码一位乘法 44
2.3.3　补码一位乘法 45
2.3.4　原码除法 47
2.4　定点运算器的组成 48
2.4.1　逻辑运算 48
2.4.2　半加器与全加器 50
2.4.3　串行加法器和并行加法器 51
2.4.4　多功能算术/逻辑运算单元（ALU） 52
2.4.5　定点运算器的基本结构 54
2.5　浮点表示、浮点运算 56
2.5.1 IEEE754 56
2.5.2　浮点加法、减法运算 57
2.5.3　浮点乘法、除法运算 59
2.6 浮点运算器 60
2.6.1 浮点运算器的结构 60
2.6.2　浮点运算器实例 60
本章小结 63
习题2 63
第3章 存储系统 65
3.1 存储器系统概述 65
3.1.1 存储器分类 65
3.1.2　主存储器的主要技术指标 67
3.1.3　三级存储体系结构 67
3.1.4　主存储器的基本结构 68
3.2　随机存取存储器 70
3.2.1　基本存储单元 70
3.2.2 半导体RAM芯片 72
3.2.3 动态RAM的刷新 74
3.3 半导体只读存储器 76
3.4 存储器的扩充 77
3.4.1 主存储器与CPU的连接 77
3.4.2 位扩展 78
3.4.3 字扩展 79
3.4.4 字和位同时扩展 80
3.5 高速存储器 80
3.5.1 双端口存储器 81
3.5.2 多模块存储器 81
3.6 高速缓冲存储器（Cache） 84
3.6.1 Cache的基本原理 84
3.6.2 地址映射 86
3.6.3 替换算法 88
3.6.4 Cache的写策略 88
3.7 虚拟存储器 89
3.7.1 虚拟存储器的基本概念 89
3.7.2 页式虚拟存储器 89
3.7.3 段式虚拟存储器 91
3.7.4 段页式虚拟存储器 92
本章小结 93
习题3 94
第4章 指令系统 95
4.1 指令系统的基本概念 95
4.1.1 指令系统的发展 95
4.1.2 对指令系统性能的要求 96
4.2 指令格式 97
4.2.1 操作码 97
4.2.2 地址码 97
4.2.3 指令字长度 98
4.2.4 指令助记符 99
4.3 指令的寻址方式 99
4.4 操作数寻址方式 100
4.5 指令格式的设计 103
4.5.1 操作码优化法
——霍夫曼（Huffman）编码 103
4.5.2 地址码优化设计 104
4.6 RISC与CISC 105
4.7 指令系统举例 106
4.7.1 IBM 370系列机指令格式 106
4.7.2 PDP-11指令格式 107
4.7.3 Pentium指令系统 108
4.7.4 PowerPC指令系统 110
本章小结 112
习题4 112
第5章 中央处理器 114
5.1 CPU的功能和组成 114
5.1.1 CPU的功能 114
5.1.2 CPU的基本组成 115
5.1.3 CPU内的主要寄存器 115
5.1.4 操作控制器与时序产生器 117
5.2 指令周期 118
5.3 指令的执行过程 119
5.3.1 CLA指令的执行过程 119
5.3.2 ADD指令的执行过程 121
5.3.3 STA指令的执行过程 122
5.3.4 NOP指令和JMP指令的执行过程 124
5.3.5 指令的执行过程总结 126
5.4 数据通路的功能和基本结构 127
5.5 硬布线控制器的工作原理 128
5.5.1 时序信号的作用和体制 131
5.5.2 时序信号产生器 132
5.5.3 控制方式 133
5.6 微程序控制器的工作原理 135
5.6.1 微命令和微操作 136
5.6.2 微指令和微程序 137
5.6.3 CPU周期与微指令周期的关系 141
5.6.4 微指令的编码方式 141
5.6.5 微地址的形成方法 143
5.6.6 微指令格式 145
5.7 指令流水线 146
5.7.1 指令流水线的基本概念 146
5.7.2 指令流水线的表示方法及性能指标 147
5.7.3 超标量和静态、动态流水线的基本
概念 149
5.8 多核处理器的基本概念 151
本章小结 152
习题5 153
第6章 总线与接口 157
6.1 总线概述 157
6.1.1 总线的基本概念 157
6.1.2 总线的特性 158
6.1.3 总线分类 158
6.1.4 总线的连接方式 160
6.1.5 总线的组成及性能指标 162
6.2 总线的仲裁 163
6.2.1 集中仲裁方式 163
6.2.2 分布仲裁方式 166
6.3 总线的定时 166
6.3.1 同步定时方式 166
6.3.2 异步定时方式 167
6.3.3 同步和异步的性能比较 168
6.4 总线数据传送模式 169
6.5 总线标准 169
6.5.1 ISA总线 169
6.5.2 PCI总线 170
6.5.3 AGP总线 170
6.5.4 其他总线 171
6.6 总线接口单元 172
6.6.1 I/O接口的功能和基本结构 173
6.6.2 I/O端口及其编址 174
6.6.3 I/O地址空间及其编码 174
6.7 接口类型 174
6.7.1 串行接口 175
6.7.2 并行接口 175
6.7.3 典型接口 176
本章小结 177
习题6 178
第7章 外围设备 179
7.1 外围设备概述 179
7.1.1 外围设备的一般功能 179
7.1.2 外围设备的分类 180
7.2 输入设备 182
7.2.1 键盘 182
7.2.2 鼠标 184
7.2.3 扫描仪 186
7.3 输出设备 187
7.3.1 显示器 188
7.3.2 打印机 193
7.3.3 绘图仪 198
7.4 外存储器 198
7.4.1 磁盘存储器 199
7.4.2 光盘存储器 209
7.4.3 磁带存储器 211
7.4.4 磁盘阵列 212
本章小结 215
习题7 215
第8章 I/O控制方式 216
8.1 I/O系统概述 216
8.1.1 I/O系统的基本概念 216
8.1.2 I/O系统的发展 217
8.1.3 I/O系统的原理 219
8.1.4 I/O系统的组成 220
8.1.5 主机与外设的连接 221
8.2 无条件传送 225
8.3 程序查询方式 226
8.4 程序中断方式 227
8.5 DMA方式 235
8.6 通道方式 238
8.7 I/O处理机（IOP）方式 241
本章小结 243
习题7 243
参考文献 245
附录A 2020年计算机学科专业基础综合
考试大纲 247
附录B 2020年中国科学院大学硕士研究生
入学考试《计算机学科综合（专业）》
考试大纲 259
附录C 美国标准信息交换码（ASCII）字符表 261
附录D 74181逻辑电路 262
附录E 74182逻辑电路 263
附录F 常用存储芯片与译码器 264
附录G 南桥与北桥 269

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