全書是在編者多年來教學材料的基礎上精煉而成，有較強的可讀性、科學性、系統性和實用性。

以計算機認知方法論作指導，全面而有重點地介紹計算機的各個組成部分，以及各個部分之間是如何協同工作的。

書中備有大量專門設計的圖表和精選的例子，并附加了近年來部分重點大學碩士研究生的入學試題及參考答案，方便廣大讀者使用。

“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。第一門課是技術基礎課，講授邏輯部件級的分析與設計方法。第二門課是專業基礎課，講授單處理機系統的組成分析和設計方法，偏重于處理機的整機概念。第三門課屬于專業課，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。第四門課同樣屬于專業課，主要講述為微機的結構、組成、匯編語言的設計以及計算機各個部件的接口與應用。

本書是在編者多年來講授“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，以及各個部分之間是如何協同工作等問題，且特別注重可讀性、科學性、系統性和實用性。書中備有大量專門設計的圖表以及精選的例子，并附加了近年來部分重點大學碩士研究生的入學試題及參考答案，以方便廣大讀者使用。

全書共分8章。第1章計算機系統概論，介紹計算機發展、特點、計算機的組成和計算機系統的構成；第2章計算機中數據的表示與運算，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；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之間所需的總線與接口；第7章輸入/輸出（I/O）系統，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；第8章實驗指導，通過具體的實踐操作加深對理論知識的理解與掌握。

本書由唐為方任主編，解洪勝、李秀芳、郝秉華、李侃任副主編。全書由山東交通學院史士英教授主審。章節編者具體分工為：第1、3章由生慧（山東中醫藥大學）編寫，第2章由李侃（山東輕工業學院）、高悟實（山東輕工業學院）共同編寫，第4章由倪燃（山東交通學院）、唐為方（山東輕工業學院）共同編寫，第5章由郝秉華（內蒙古財經大學）編寫，第6章由解洪勝（山東女子學院）、唐為方共同編寫，第7章由李秀芳（山東輕工業學院）編寫，第8章及課程的習題和附錄由唐為方編寫。

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”課程或其他類似名稱課程的教材，參考授課學時為72學時。本書也可供高等教育自學考試、計算機軟件專業技術資格和水平考試輔導班作硬件應試輔導教材，以及供從事計算機系統的應用、開發和維護維修的工程技術人員參考。

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、山東交通學院肖海榮教授和吳昌平副教授、山東輕工業學院耿玉水和郭愛章教授、內蒙古財經大學王彪教授的精心指導，并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雷順加等同志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

2012年10月

前言

第1章 計算機系統概論 1
1.1 計算機的發展歷程 1
1.2 計算機的分類和應用 2
1.2.1 計算機的分類 2
1.2.2 計算機的應用領域 3
1.3 計算機硬件系統 4
1.4 計算機軟件系統 7
1.4.1 計算機軟件系統的組成與分類 7
1.4.2 計算機軟件系統的發展演變 8
1.4.3 計算機軟件系統組成的層次結構 9
1.5 計算機系統的工作過程 10
1.5.1 計算機處理問題的步驟 10
1.5.2 計算機的工作過程 11
1.6 計算機的性能指標 11
本章小結 12
習題1 12
第2章 數據的表示與運算 13
2.1 數制與編碼 14
2.1.1 數制及數制轉換 14
2.1.2 無符號數和帶符號數 18
2.1.3 定點數與浮點數 18
2.1.4 真值和機器數 20
2.1.5 BCD碼 22
2.1.6 字符與字符串的表示方法 23
2.1.7 漢字的表示方法 25
2.1.8 數據校驗碼 26
2.2 定點加法、減法運算 27
2.2.1 原碼加/減運算 27
2.2.2 補碼加/減運算 28
2.2.3 基本的二進制加法器 31
2.2.4 十進制加法器 31
2.3 定點乘除運算 33
2.3.1 移位運算 33
2.3.2 原碼一位乘法 33
2.3.3 補碼一位乘法 34
2.3.4 原碼除法 36
2.4 定點運算器的組成 37
2.4.1 邏輯運算 37
2.4.2 半加器與全加器 39
2.4.3 串行加法器和并行加法器 40
2.4.4 多功能算術/邏輯運算單元（ALU） 41
2.4.5 定點運算器的基本結構 43
2.5 浮點表示、浮點運算 45
2.5.1 IEEE754 45
2.5.2 浮點加法、減法運算 46
2.5.3 浮點乘法、除法運算 48
2.6 浮點運算器 49
2.6.1 浮點運算器的結構 49
2.6.2 浮點運算器實例 49
本章小結 52
習題2 52
第3章 存儲系統 54
3.1 存儲器系統概述 54
3.1.1 存儲器分類 54
3.1.2 三級存儲體系結構 56
3.1.3 主存儲器的基本結構 57
3.1.4 主存儲器的主要技術指標 59
3.2 隨機存取存儲器 59
3.2.1 SRAM 59
3.2.2 動態RAM的刷新 61
3.3 半導體只讀存儲器 63
3.4 存儲器的擴充 64
3.4.1 主存儲器與CPU的連接 64
3.4.2 位擴展 65
3.4.3 字擴展 66
3.4.4 字和位同時擴展 67
3.5 高速存儲器 68
3.5.1 雙端口存儲器 68
3.5.2 多模塊存儲器 69
3.6 高速緩沖存儲器（Cache） 71
3.6.1 Cache的基本原理 71
3.6.2 地址映射 73
3.6.3 替換算法 75
3.6.4 Cache的寫策略 76
3.7 虛擬存儲器 76
3.7.1 虛擬存儲器的基本概念 76
3.7.2 頁式虛擬存儲器 77
3.7.3 段式虛擬存儲器 79
3.7.4 段頁式虛擬存儲器 80
本章小結 80
習題3 81
第4章 指令系統 82
4.1 指令系統的基本概念 82
4.1.1 指令系統的發展 82
4.1.2 對指令系統性能的要求 83
4.2 指令格式 84
4.2.1 操作碼 84
4.2.2 地址碼 84
4.2.3 指令字長度 85
4.2.4 指令助記符 86
4.3 指令的尋址方式 86
4.4 操作數尋址方式 87
4.5 80X86操作數的基本尋址方式舉例 90
4.6 指令格式的設計 91
4.6.1 操作碼優化法——霍夫曼
（Huffman）編碼 91
4.6.2 地址碼優化設計 92
4.7 RISC與CISC 93
4.8 指令系統舉例 94
4.8.1 IBM 370系列機指令格式 94
4.8.2 PDP-11指令格式 95
4.8.3 Pentium指令系統 96
4.8.4 Power PC指令系統 97
本章小結 99
習題4 100
第5章 中央處理器 102
5.1 CPU的功能和組成 102
5.1.1 CPU的功能 102
5.1.2 CPU的基本組成 103
5.1.3 CPU的主要寄存器 103
5.1.4 操作控制器與時序產生器 105
5.2 指令周期 105
5.3 指令的執行過程 106
5.3.1 CLA指令的執行過程 107
5.3.2 ADD指令的執行過程 108
5.3.3 STA指令的執行過程 110
5.3.4 NOP指令和JMP指令的執行過程 112
5.3.5 指令的執行過程總結 113
5.4 數據通路的功能和基本結構 114
5.5 硬布線控制器的工作原理 116
5.5.1 時序信號的作用和體制 119
5.5.2 時序信號產生器 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周期與微指令周期的關系 128
5.6.4 微指令的編碼方式 129
5.6.5 微地址的形成方法 131
5.6.6 微指令格式 132
5.7 指令流水線 133
5.7.1 指令流水線的基本概念 133
5.7.2 指令流水線的表示方法及性能指標 135
5.7.3 超標量和靜態、動態流水線的基本
概念 137
5.8 多核處理器的基本概念 139
本章小結 140
習題5 141
第6章 總線與接口 145
6.1 總線概述 145
6.1.1 總線的基本概念 145
6.1.2 總線分類 146
6.1.3 總線的連接方式 146
6.1.4 總線的組成及性能指標 149
6.2 總線接口 149
6.2.1 I/O接口的功能和基本結構 150
6.2.2 I/O端口及其編址 150
6.2.3 I/O 地址空間及其編碼 151
6.3 總線的仲裁 151
6.3.1 集中仲裁方式 151
6.3.2 分布仲裁方式 154
6.4 總線的定時 154
6.4.1 同步定時方式 154
6.4.2 異步定時方式 155
6.5 總線數據傳送模式 155
6.6 總線標準 155
6.6.1 ISA總線 155
6.6.2 PCI總線 156
6.6.3 AGP總線 156
6.6.4 其他總線 157
本章小結 157
習題6 158
第7章 輸入輸出（I/O）系統 159
7.1 I/O系統概述 159
7.1.1 I/O系統的基本概念 159
7.1.2 I/O系統的發展 160
7.1.3 I/O系統的原理 162
7.1.4 I/O系統的組成 163
7.1.5 主機和外設的連接 165
7.2 外圍設備概述 168
7.2.1 外圍設備的一般功能 168
7.2.2 外圍設備的分類 169
7.3 輸入設備 171
7.3.1 鍵盤 172
7.3.2 鼠標 173
7.3.3 掃描儀 175
7.4 輸出設備 176
7.4.1 顯示器 177
7.4.2 打印機 182
7.4.3 繪圖儀 187
7.5 外存儲器 187
7.5.1 磁盤存儲器 188
7.5.2 光盤存儲器 199
7.5.3 磁帶存儲器 200
7.5.4 磁盤陣列 201
7.6 I/O控制方式 204
7.6.1 無條件傳送 204
7.6.2 程序查詢方式 205
7.6.3 程序中斷方式 207
7.6.4 DMA方式 214
7.6.5 通道方式 218
7.6.6 I/O處理機（IOP）方式 222
本章小結 223
習題7 223
第8章 實驗指導 225
8.1 JYS-Ⅲ型計算機組成實驗儀 225
8.2 實驗一 寄存器與數據通路實驗 228
8.3 實驗二 運算器的組成實驗 229
8.4 實驗三 半導體存儲器的組成實驗 231
8.5 實驗四 寄存器的控制實驗 232
8.6 實驗五 運算器與存儲器組成實驗 234
附錄1 2013年碩士研究生入學考試計算機
學科考試大綱 236
附錄2 2009～2012年部分高校計算機組成
原理考研試題與參考答案 240
附錄3 美國標準信息交換碼（ASCII）字符表 254
附錄4 74181邏輯電路 255
附錄5 74182邏輯電路 256
附錄6 常用存儲芯片與譯碼器 257
附錄7 南橋與北橋 262
參考文獻 264

1. 計算機組成原理 [主編 史士英 唐為方]
2. 計算機組成原理 [陳念 計博婧 章哲慶]
3. 汽車構造（下冊） [主編 王林超 徐剛]
4. 計算機組成原理實驗教程 [張雯雰]
5. 成人本科學士學位英語統一考試備考指南 [主編 劉新華 副主編 陳永生]
6. 深化教學改革 提升育人質量——江蘇省高等教育教學改革課題研究成果（高職卷） [主編 丁曉昌]
7. 深化教學改革 提升育人質量——江蘇省高等教育教學改革課題研究成果（本科卷） [主編 丁曉昌]
8. 微型計算機組成原理與設計方法研究 [劉峰 陳炯 邵澤云]
9. 大學計算機基礎上機實踐教程（第二版） [何振林 胡綠慧]
10. 計算機組成原理 [主編 馬輝 王丁磊]