“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”“計算機組成原理”“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機原理與接口技術(shù)”是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生硬件一條線的必修課程。“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”是技術(shù)基礎(chǔ)課，講授邏輯部件級的分析與設(shè)計方法。“計算機組成原理”是專業(yè)基礎(chǔ)課，講授單處理機系統(tǒng)的組成和設(shè)計方法，偏重于處理機的整機概念。“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”屬于專業(yè)課，著重講授并行計算機系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計方法。“微機原理與接口技術(shù)”同樣屬于專業(yè)課，主要講述微機的結(jié)構(gòu)、組成，匯編語言的設(shè)計以及計算機各個部件的接口與應(yīng)用。

本書是在編者多年講授“計算機原理”“計算機原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機原理與接口技術(shù)”等課程的教學(xué)材料基礎(chǔ)上精煉而成，以計算機認(rèn)知方法論作指導(dǎo)，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(xié)同工作等內(nèi)容。

全書共分8章。第1章計算機系統(tǒng)概論，介紹計算機的發(fā)展、特點、組成和計算機系統(tǒng)的構(gòu)成；第2章數(shù)據(jù)的表示與運算，討論定點數(shù)、浮點數(shù)的機器碼表示和計算；第3章存儲系統(tǒng)，介紹主存和輔存的結(jié)構(gòu)、存儲體系構(gòu)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(tǒng)，討論指令的結(jié)構(gòu)及指令格式優(yōu)化、尋址技術(shù)和典型指令；第5章中央處理器，講述CPU的結(jié)構(gòu)組織、控制器的結(jié)構(gòu)、指令的執(zhí)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(shè)備，主要介紹常見的輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲設(shè)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(wèi)東、郝秉華、陳英軍、王維平、張志剛?cè)胃敝骶帯?/p>

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(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程或其他類似課程的教材，參考授課學(xué)時為72學(xué)時。

本書的編寫得到了大連理工大學(xué)夏尊銓教授、山東科技大學(xué)劉法勝教授、山東交通學(xué)院張廣淵教授、朱振方教授和吳昌平副教授的精心指導(dǎo)，上述各位專家提出了許多寶貴意見，在此謹(jǐn)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(jìn)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

前言

第1章 計算機系統(tǒng)概論 1
1.1 計算機的發(fā)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(fā)展史 2
1.1.3 中國計算機的發(fā)展?fàn)顩r 3
1.2 計算機的分類、特點、應(yīng)用領(lǐng)域與
發(fā)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(yīng)用領(lǐng)域 6
1.2.4 計算機的發(fā)展趨勢 8
1.3 計算機硬件系統(tǒng) 8
1.3.1 馮•諾依曼思想 8
1.3.2 計算機硬件系統(tǒng)的組成 9
1.3.3 微型計算機的發(fā)展 12
1.4　計算機軟件系統(tǒng) 13
1.4.1　計算機軟件系統(tǒng)的組成與分類 13
1.4.2　計算機軟件系統(tǒng)的發(fā)展演變 13
1.4.3　計算機軟件系統(tǒng)組成的層次結(jié)構(gòu) 14
1.5　計算機系統(tǒng)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(biāo) 16
本章小結(jié) 17
習(xí)題1 17
第2章　數(shù)據(jù)的表示與運算 19
2.1　數(shù)制與編碼 20
2.1.1　數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換 20
2.1.2　無符號數(shù)和帶符號數(shù) 24
2.1.3　真值和機器數(shù) 24
2.1.4　定點數(shù)與浮點數(shù) 28
2.1.5　十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)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(jìn)制信息的計量單位 34
2.1.9　數(shù)據(jù)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(jìn)制加法器 42
2.2.4　十進(jìn)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(shù)/邏輯運算單元（ALU） 52
2.4.5　定點運算器的基本結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 60
2.6.2　浮點運算器實例 60
本章小結(jié) 63
習(xí)題2 63
第3章 存儲系統(tǒng) 65
3.1 存儲器系統(tǒng)概述 65
3.1.1 存儲器分類 65
3.1.2　主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) 67
3.1.3　三級存儲體系結(jié)構(gòu) 67
3.1.4　主存儲器的基本結(jié)構(gòu) 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(dǎo)體RAM芯片 72
3.2.3 動態(tài)RAM的刷新 74
3.3 半導(dǎo)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?jǐn)U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(jié) 93
習(xí)題3 94
第4章 指令系統(tǒng) 95
4.1 指令系統(tǒng)的基本概念 95
4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 95
4.1.2 對指令系統(tǒng)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(shù)尋址方式 100
4.5 指令格式的設(shè)計 103
4.5.1 操作碼優(yōu)化法
——霍夫曼（Huffman）編碼 103
4.5.2 地址碼優(yōu)化設(shè)計 104
4.6 RISC與CISC 105
4.7 指令系統(tǒng)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(tǒng) 108
4.7.4 PowerPC指令系統(tǒng) 110
本章小結(jié) 112
習(xí)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(nèi)的主要寄存器 115
5.1.4 操作控制器與時序產(chǎn)生器 117
5.2 指令周期 118
5.3 指令的執(zhí)行過程 119
5.3.1 CLA指令的執(zhí)行過程 119
5.3.2 ADD指令的執(zhí)行過程 121
5.3.3 STA指令的執(zhí)行過程 122
5.3.4 NOP指令和JMP指令的執(zhí)行過程 124
5.3.5 指令的執(zhí)行過程總結(jié) 126
5.4 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu) 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(chǎn)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(guān)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(biāo) 147
5.7.3 超標(biāo)量和靜態(tài)、動態(tài)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(jié) 152
習(xí)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(biāo) 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(shù)據(jù)傳送模式 169
6.5 總線標(biāo)準(zhǔn) 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(jié)構(gòu) 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(jié) 177
習(xí)題6 178
第7章 外圍設(shè)備 179
7.1 外圍設(shè)備概述 179
7.1.1 外圍設(shè)備的一般功能 179
7.1.2 外圍設(shè)備的分類 180
7.2 輸入設(shè)備 182
7.2.1 鍵盤 182
7.2.2 鼠標(biāo) 184
7.2.3 掃描儀 186
7.3 輸出設(shè)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(jié) 215
習(xí)題7 215
第8章 I/O控制方式 216
8.1 I/O系統(tǒng)概述 216
8.1.1 I/O系統(tǒng)的基本概念 216
8.1.2 I/O系統(tǒng)的發(fā)展 217
8.1.3 I/O系統(tǒng)的原理 219
8.1.4 I/O系統(tǒng)的組成 220
8.1.5 主機與外設(shè)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(jié) 243
習(xí)題7 243
參考文獻(xiàn) 245
附錄A 2020年計算機學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合
考試大綱 247
附錄B 2020年中國科學(xué)院大學(xué)碩士研究生
入學(xué)考試《計算機學(xué)科綜合（專業(yè)）》
考試大綱 259
附錄C 美國標(biāo)準(zhǔn)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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