“數字邏輯與數字系統”“計算機組成原理”“計算機系統結構”和“微機原理與接口技術”是計算機科學與技術專業本科生硬件一條線的必修課程。“數字邏輯與數字系統”是技術基礎課，講授邏輯部件級的分析與設計方法。“計算機組成原理”是專業基礎課，講授單處理機系統的組成和設計方法，偏重于處理機的整機概念。“計算機系統結構”屬于專業課，著重講授并行計算機系統的基本概念、結構、分析和設計方法。“微機原理與接口技術”同樣屬于專業課，主要講述微機的結構、組成，匯編語言的設計以及計算機各個部件的接口與應用。

本書是在編者多年講授“計算機原理”“計算機原理與系統結構”“計算機系統結構”和“微機原理與接口技術”等課程的教學材料基礎上精煉而成，以計算機認知方法論作指導，全面且有重點地介紹計算機的各個組成部分，以及各部分之間如何協同工作等內容。

全書共分8章。第1章計算機系統概論，介紹計算機的發展、特點、組成和計算機系統的構成；第2章數據的表示與運算，討論定點數、浮點數的機器碼表示和計算；第3章存儲系統，介紹主存和輔存的結構、存儲體系構成原理、存儲器的擴充以及高速緩沖存儲器和虛擬存儲器；第4章指令系統，討論指令的結構及指令格式優化、尋址技術和典型指令；第5章中央處理器，講述CPU的結構組織、控制器的結構、指令的執行過程和運算器的組織；第6章總線與接口，主要論述連接計算機各個主要功能部件所需的總線與接口；第7章外圍設備，主要介紹常見的輸入設備、輸出設備和存儲設備；第8章I/O控制方式，重點介紹程序查詢方式、中斷方式和DMA方式的控制及接口組織。

本書由史士英、唐為方任主編，黃衛東、郝秉華、陳英軍、王維平、張志剛任副主編。

本書可作為“計算機組成原理”“計算機組成”“計算機原理與系統結構”課程或其他類似課程的教材，參考授課學時為72學時。

本書的編寫得到了大連理工大學夏尊銓教授、山東科技大學劉法勝教授、山東交通學院張廣淵教授、朱振方教授和吳昌平副教授的精心指導，上述各位專家提出了許多寶貴意見，在此謹表深深的謝意。中國水利水電出版社的同志們對本書的出版也做了大量的工作，在此對他們表示衷心的感謝！

雖然編者在成書之前對書稿進行了多次修改和校正，但由于編者水平有限，疏忽之處在所難免，懇請專家和讀者批評指正。

編 者

2020年4月

目 錄
前言

第1章 計算機系統概論 1
1.1 計算機的發展歷程 1
1.1.1 世界上第一臺計算機（ENIAC） 1
1.1.2 計算機的四代發展史 2
1.1.3 中國計算機的發展狀況 3
1.2 計算機的分類、特點、應用領域與
發展趨勢 4
1.2.1 計算機的分類 4
1.2.2 計算機的特點 6
1.2.3 計算機的應用領域 6
1.2.4 計算機的發展趨勢 8
1.3 計算機硬件系統 8
1.3.1 馮•諾依曼思想 8
1.3.2 計算機硬件系統的組成 9
1.3.3 微型計算機的發展 12
1.4　計算機軟件系統 13
1.4.1　計算機軟件系統的組成與分類 13
1.4.2　計算機軟件系統的發展演變 13
1.4.3　計算機軟件系統組成的層次結構 14
1.5　計算機系統的工作過程 15
1.5.1　計算機的工作過程 15
1.5.2　計算機的工作過程示例 16
1.6　計算機的性能指標 16
本章小結 17
習題1 17
第2章　數據的表示與運算 19
2.1　數制與編碼 20
2.1.1　數制及數制轉換 20
2.1.2　無符號數和帶符號數 24
2.1.3　真值和機器數 24
2.1.4　定點數與浮點數 28
2.1.5　十進制數的二進制編碼表示
—BCD碼 30
2.1.6　字符與字符串的表示方法 31
2.1.7　漢字的表示方法 32
2.1.8　二進制信息的計量單位 34
2.1.9　數據校驗碼 35
2.1.10　其他媒體信息 36
2.2　定點加法、減法運算 38
2.2.1　原碼加/減運算 38
2.2.2　補碼加/減運算 39
2.2.3　基本的二進制加法器 42
2.2.4　十進制加法器 42
2.3　定點乘除運算 44
2.3.1　移位運算 44
2.3.2　原碼一位乘法 44
2.3.3　補碼一位乘法 45
2.3.4　原碼除法 47
2.4　定點運算器的組成 48
2.4.1　邏輯運算 48
2.4.2　半加器與全加器 50
2.4.3　串行加法器和并行加法器 51
2.4.4　多功能算術/邏輯運算單元（ALU） 52
2.4.5　定點運算器的基本結構 54
2.5　浮點表示、浮點運算 56
2.5.1 IEEE754 56
2.5.2　浮點加法、減法運算 57
2.5.3　浮點乘法、除法運算 59
2.6 浮點運算器 60
2.6.1 浮點運算器的結構 60
2.6.2　浮點運算器實例 60
本章小結 63
習題2 63
第3章 存儲系統 65
3.1 存儲器系統概述 65
3.1.1 存儲器分類 65
3.1.2　主存儲器的主要技術指標 67
3.1.3　三級存儲體系結構 67
3.1.4　主存儲器的基本結構 68
3.2　隨機存取存儲器 70
3.2.1　基本存儲單元 70
3.2.2 半導體RAM芯片 72
3.2.3 動態RAM的刷新 74
3.3 半導體只讀存儲器 76
3.4 存儲器的擴充 77
3.4.1 主存儲器與CPU的連接 77
3.4.2 位擴展 78
3.4.3 字擴展 79
3.4.4 字和位同時擴展 80
3.5 高速存儲器 80
3.5.1 雙端口存儲器 81
3.5.2 多模塊存儲器 81
3.6 高速緩沖存儲器（Cache） 84
3.6.1 Cache的基本原理 84
3.6.2 地址映射 86
3.6.3 替換算法 88
3.6.4 Cache的寫策略 88
3.7 虛擬存儲器 89
3.7.1 虛擬存儲器的基本概念 89
3.7.2 頁式虛擬存儲器 89
3.7.3 段式虛擬存儲器 91
3.7.4 段頁式虛擬存儲器 92
本章小結 93
習題3 94
第4章 指令系統 95
4.1 指令系統的基本概念 95
4.1.1 指令系統的發展 95
4.1.2 對指令系統性能的要求 96
4.2 指令格式 97
4.2.1 操作碼 97
4.2.2 地址碼 97
4.2.3 指令字長度 98
4.2.4 指令助記符 99
4.3 指令的尋址方式 99
4.4 操作數尋址方式 100
4.5 指令格式的設計 103
4.5.1 操作碼優化法
——霍夫曼（Huffman）編碼 103
4.5.2 地址碼優化設計 104
4.6 RISC與CISC 105
4.7 指令系統舉例 106
4.7.1 IBM 370系列機指令格式 106
4.7.2 PDP-11指令格式 107
4.7.3 Pentium指令系統 108
4.7.4 PowerPC指令系統 110
本章小結 112
習題4 112
第5章 中央處理器 114
5.1 CPU的功能和組成 114
5.1.1 CPU的功能 114
5.1.2 CPU的基本組成 115
5.1.3 CPU內的主要寄存器 115
5.1.4 操作控制器與時序產生器 117
5.2 指令周期 118
5.3 指令的執行過程 119
5.3.1 CLA指令的執行過程 119
5.3.2 ADD指令的執行過程 121
5.3.3 STA指令的執行過程 122
5.3.4 NOP指令和JMP指令的執行過程 124
5.3.5 指令的執行過程總結 126
5.4 數據通路的功能和基本結構 127
5.5 硬布線控制器的工作原理 128
5.5.1 時序信號的作用和體制 131
5.5.2 時序信號產生器 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周期與微指令周期的關系 141
5.6.4 微指令的編碼方式 141
5.6.5 微地址的形成方法 143
5.6.6 微指令格式 145
5.7 指令流水線 146
5.7.1 指令流水線的基本概念 146
5.7.2 指令流水線的表示方法及性能指標 147
5.7.3 超標量和靜態、動態流水線的基本
概念 149
5.8 多核處理器的基本概念 151
本章小結 152
習題5 153
第6章 總線與接口 157
6.1 總線概述 157
6.1.1 總線的基本概念 157
6.1.2 總線的特性 158
6.1.3 總線分類 158
6.1.4 總線的連接方式 160
6.1.5 總線的組成及性能指標 162
6.2 總線的仲裁 163
6.2.1 集中仲裁方式 163
6.2.2 分布仲裁方式 166
6.3 總線的定時 166
6.3.1 同步定時方式 166
6.3.2 異步定時方式 167
6.3.3 同步和異步的性能比較 168
6.4 總線數據傳送模式 169
6.5 總線標準 169
6.5.1 ISA總線 169
6.5.2 PCI總線 170
6.5.3 AGP總線 170
6.5.4 其他總線 171
6.6 總線接口單元 172
6.6.1 I/O接口的功能和基本結構 173
6.6.2 I/O端口及其編址 174
6.6.3 I/O地址空間及其編碼 174
6.7 接口類型 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
本章小結 177
習題6 178
第7章 外圍設備 179
7.1 外圍設備概述 179
7.1.1 外圍設備的一般功能 179
7.1.2 外圍設備的分類 180
7.2 輸入設備 182
7.2.1 鍵盤 182
7.2.2 鼠標 184
7.2.3 掃描儀 186
7.3 輸出設備 187
7.3.1 顯示器 188
7.3.2 打印機 193
7.3.3 繪圖儀 198
7.4 外存儲器 198
7.4.1 磁盤存儲器 199
7.4.2 光盤存儲器 209
7.4.3 磁帶存儲器 211
7.4.4 磁盤陣列 212
本章小結 215
習題7 215
第8章 I/O控制方式 216
8.1 I/O系統概述 216
8.1.1 I/O系統的基本概念 216
8.1.2 I/O系統的發展 217
8.1.3 I/O系統的原理 219
8.1.4 I/O系統的組成 220
8.1.5 主機與外設的連接 221
8.2 無條件傳送 225
8.3 程序查詢方式 226
8.4 程序中斷方式 227
8.5 DMA方式 235
8.6 通道方式 238
8.7 I/O處理機（IOP）方式 241
本章小結 243
習題7 243
參考文獻 245
附錄A 2020年計算機學科專業基礎綜合
考試大綱 247
附錄B 2020年中國科學院大學碩士研究生
入學考試《計算機學科綜合（專業）》
考試大綱 259
附錄C 美國標準信息交換碼（ASCII）字符表 261
附錄D 74181邏輯電路 262
附錄E 74182邏輯電路 263
附錄F 常用存儲芯片與譯碼器 264
附錄G 南橋與北橋 269

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