計(jì)算機(jī)組成原理

全書是在編者多年來教學(xué)材料的基礎(chǔ)上精煉而成，有較強(qiáng)的可讀性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性。

以計(jì)算機(jī)認(rèn)知方法論作指導(dǎo)，全面而有重點(diǎn)地介紹計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，以及各個(gè)部分之間是如何協(xié)同工作的。

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

“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生硬件一條線的必修課程。第一門課是技術(shù)基礎(chǔ)課，講授邏輯部件級(jí)的分析與設(shè)計(jì)方法。第二門課是專業(yè)基礎(chǔ)課，講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組成分析和設(shè)計(jì)方法，偏重于處理機(jī)的整機(jī)概念。第三門課屬于專業(yè)課，著重講授并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計(jì)方法。第四門課同樣屬于專業(yè)課，主要講述為微機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成、匯編語言的設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的接口與應(yīng)用。

本書是在編者多年來講授“計(jì)算機(jī)原理”、“計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”等課程教學(xué)材料基礎(chǔ)上精煉而成，以計(jì)算機(jī)認(rèn)知方法論作指導(dǎo)，全面且有重點(diǎn)地介紹計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，以及各個(gè)部分之間是如何協(xié)同工作等問題，且特別注重可讀性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性。書中備有大量專門設(shè)計(jì)的圖表以及精選的例子，并附加了近年來部分重點(diǎn)大學(xué)碩士研究生的入學(xué)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論，介紹計(jì)算機(jī)發(fā)展、特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)的組成和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成；第2章計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算，討論定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)器碼表示和計(jì)算；第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)，介紹主存和輔存的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)體系構(gòu)成原理、存儲(chǔ)器的擴(kuò)充以及高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)；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(yùn)算器的組織；第6章總線與接口，主要論述連接計(jì)算機(jī)各個(gè)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(tǒng)，重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，通過具體的實(shí)踐操作加深對(duì)理論知識(shí)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(xué)院史士英教授主審。章節(jié)編者具體分工為：第1、3章由生慧（山東中醫(yī)藥大學(xué)）編寫，第2章由李侃（山東輕工業(yè)學(xué)院）、高悟?qū)崳ㄉ綎|輕工業(yè)學(xué)院）共同編寫，第4章由倪燃（山東交通學(xué)院）、唐為方（山東輕工業(yè)學(xué)院）共同編寫，第5章由郝秉華（內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)）編寫，第6章由解洪勝（山東女子學(xué)院）、唐為方共同編寫，第7章由李秀芳（山東輕工業(yè)學(xué)院）編寫，第8章及課程的習(xí)題和附錄由唐為方編寫。

本書可作為“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)組成”、“計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程或其他類似名稱課程的教材，參考授課學(xué)時(shí)為72學(xué)時(shí)。本書也可供高等教育自學(xué)考試、計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)技術(shù)資格和水平考試輔導(dǎo)班作硬件應(yīng)試輔導(dǎo)教材，以及供從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用、開發(fā)和維護(hù)維修的工程技術(shù)人員參考。

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)院肖海榮教授和吳昌平副教授、山東輕工業(yè)學(xué)院耿玉水和郭愛章教授、內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)王彪教授的精心指導(dǎo)，并提出了許多寶貴意見，在此謹(jǐn)表深深的謝意。中國(guó)水利水電出版社的雷順加等同志對(duì)本書的出版也做了大量的工作，在此對(duì)他們表示衷心的感謝！

雖然編者在成書之前對(duì)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(qǐng)專家和讀者批評(píng)指正。

編 者

2012年10月

前言

第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 1
1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程 1
1.2 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用 2
1.2.1 計(jì)算機(jī)的分類 2
1.2.2 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 3
1.3 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 4
1.4 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) 7
1.4.1 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的組成與分類 7
1.4.2 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的發(fā)展演變 8
1.4.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成的層次結(jié)構(gòu) 9
1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程 10
1.5.1 計(jì)算機(jī)處理問題的步驟 10
1.5.2 計(jì)算機(jī)的工作過程 11
1.6 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) 11
本章小結(jié) 12
習(xí)題1 12
第2章 數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算 13
2.1 數(shù)制與編碼 14
2.1.1 數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換 14
2.1.2 無符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)數(shù) 18
2.1.3 定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù) 18
2.1.4 真值和機(jī)器數(shù) 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(shù)據(jù)校驗(yàn)碼 26
2.2 定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 27
2.2.1 原碼加/減運(yùn)算 27
2.2.2 補(bǔ)碼加/減運(yùn)算 28
2.2.3 基本的二進(jìn)制加法器 31
2.2.4 十進(jìn)制加法器 31
2.3 定點(diǎn)乘除運(yùn)算 33
2.3.1 移位運(yùn)算 33
2.3.2 原碼一位乘法 33
2.3.3 補(bǔ)碼一位乘法 34
2.3.4 原碼除法 36
2.4 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成 37
2.4.1 邏輯運(yùn)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(shù)/邏輯運(yùn)算單元（ALU） 41
2.4.5 定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu) 43
2.5 浮點(diǎn)表示、浮點(diǎn)運(yùn)算 45
2.5.1 IEEE754 45
2.5.2 浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 46
2.5.3 浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算 48
2.6 浮點(diǎn)運(yùn)算器 49
2.6.1 浮點(diǎn)運(yùn)算器的結(jié)構(gòu) 49
2.6.2 浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)例 49
本章小結(jié) 52
習(xí)題2 52
第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 54
3.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述 54
3.1.1 存儲(chǔ)器分類 54
3.1.2 三級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu) 56
3.1.3 主存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) 57
3.1.4 主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo) 59
3.2 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 59
3.2.1 SRAM 59
3.2.2 動(dòng)態(tài)RAM的刷新 61
3.3 半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器 63
3.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)充 64
3.4.1 主存儲(chǔ)器與CPU的連接 64
3.4.2 位擴(kuò)展 65
3.4.3 字?jǐn)U展 66
3.4.4 字和位同時(shí)擴(kuò)展 67
3.5 高速存儲(chǔ)器 68
3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器 68
3.5.2 多模塊存儲(chǔ)器 69
3.6 高速緩沖存儲(chǔ)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(chǔ)器 76
3.7.1 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念 76
3.7.2 頁式虛擬存儲(chǔ)器 77
3.7.3 段式虛擬存儲(chǔ)器 79
3.7.4 段頁式虛擬存儲(chǔ)器 80
本章小結(jié) 80
習(xí)題3 81
第4章 指令系統(tǒng) 82
4.1 指令系統(tǒng)的基本概念 82
4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 82
4.1.2 對(duì)指令系統(tǒng)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(zhǎng)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(shù)尋址方式 87
4.5 80X86操作數(shù)的基本尋址方式舉例 90
4.6 指令格式的設(shè)計(jì) 91
4.6.1 操作碼優(yōu)化法——霍夫曼
（Huffman）編碼 91
4.6.2 地址碼優(yōu)化設(shè)計(jì) 92
4.7 RISC與CISC 93
4.8 指令系統(tǒng)舉例 94
4.8.1 IBM 370系列機(jī)指令格式 94
4.8.2 PDP-11指令格式 95
4.8.3 Pentium指令系統(tǒng) 96
4.8.4 Power PC指令系統(tǒng) 97
本章小結(jié) 99
習(xí)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(shí)序產(chǎn)生器 105
5.2 指令周期 105
5.3 指令的執(zhí)行過程 106
5.3.1 CLA指令的執(zhí)行過程 107
5.3.2 ADD指令的執(zhí)行過程 108
5.3.3 STA指令的執(zhí)行過程 110
5.3.4 NOP指令和JMP指令的執(zhí)行過程 112
5.3.5 指令的執(zhí)行過程總結(jié) 113
5.4 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu) 114
5.5 硬布線控制器的工作原理 116
5.5.1 時(shí)序信號(hào)的作用和體制 119
5.5.2 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)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(guān)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(biāo) 135
5.7.3 超標(biāo)量和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)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(jié) 140
習(xí)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(biāo) 149
6.2 總線接口 149
6.2.1 I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu) 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(shí) 154
6.4.1 同步定時(shí)方式 154
6.4.2 異步定時(shí)方式 155
6.5 總線數(shù)據(jù)傳送模式 155
6.6 總線標(biāo)準(zhǔn) 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(jié) 157
習(xí)題6 158
第7章 輸入輸出（I/O）系統(tǒng) 159
7.1 I/O系統(tǒng)概述 159
7.1.1 I/O系統(tǒng)的基本概念 159
7.1.2 I/O系統(tǒng)的發(fā)展 160
7.1.3 I/O系統(tǒng)的原理 162
7.1.4 I/O系統(tǒng)的組成 163
7.1.5 主機(jī)和外設(shè)的連接 165
7.2 外圍設(shè)備概述 168
7.2.1 外圍設(shè)備的一般功能 168
7.2.2 外圍設(shè)備的分類 169
7.3 輸入設(shè)備 171
7.3.1 鍵盤 172
7.3.2 鼠標(biāo) 173
7.3.3 掃描儀 175
7.4 輸出設(shè)備 176
7.4.1 顯示器 177
7.4.2 打印機(jī) 182
7.4.3 繪圖儀 187
7.5 外存儲(chǔ)器 187
7.5.1 磁盤存儲(chǔ)器 188
7.5.2 光盤存儲(chǔ)器 199
7.5.3 磁帶存儲(chǔ)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(jī)（IOP）方式 222
本章小結(jié) 223
習(xí)題7 223
第8章 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 225
8.1 JYS-Ⅲ型計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)儀 225
8.2 實(shí)驗(yàn)一 寄存器與數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn) 228
8.3 實(shí)驗(yàn)二 運(yùn)算器的組成實(shí)驗(yàn) 229
8.4 實(shí)驗(yàn)三 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的組成實(shí)驗(yàn) 231
8.5 實(shí)驗(yàn)四 寄存器的控制實(shí)驗(yàn) 232
8.6 實(shí)驗(yàn)五 運(yùn)算器與存儲(chǔ)器組成實(shí)驗(yàn) 234
附錄1 2013年碩士研究生入學(xué)考試計(jì)算機(jī)
學(xué)科考試大綱 236
附錄2 2009～2012年部分高校計(jì)算機(jī)組成
原理考研試題與參考答案 240
附錄3 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)芯片與譯碼器 257
附錄7 南橋與北橋 262
參考文獻(xiàn) 264

1. 高等教育多維評(píng)價(jià)體系構(gòu)建與高質(zhì)量發(fā)展研究 [張妍 著]
2. 計(jì)算機(jī)組成原理 [主編 史士英 唐為方]
3. 計(jì)算機(jī)組成原理 [陳念 計(jì)博婧 章哲慶]
4. 汽車構(gòu)造（下冊(cè)） [主編 王林超 徐剛]
5. 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教程 [張?chǎng)╇僝
6. 成人本科學(xué)士學(xué)位英語統(tǒng)一考試備考指南 [主編 劉新華 副主編 陳永生]
7. 深化教學(xué)改革 提升育人質(zhì)量——江蘇省高等教育教學(xué)改革課題研究成果（高職卷） [主編 丁曉昌]
8. 深化教學(xué)改革 提升育人質(zhì)量——江蘇省高等教育教學(xué)改革課題研究成果（本科卷） [主編 丁曉昌]
9. 微型計(jì)算機(jī)組成原理與設(shè)計(jì)方法研究 [劉峰 陳炯 邵澤云]
10. 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上機(jī)實(shí)踐教程（第二版） [何振林 胡綠慧]
11. 計(jì)算機(jī)組成原理 [主編 馬輝 王丁磊]