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)性和實用性。

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

書中備有大量專門設(shè)計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)”、“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是計算機(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，講授邏輯部件級的分析與設(shè)計方法。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，著重講授并行計算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計方法。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)計以及計算機(jī)各個部件的接口與應(yīng)用。

本書是在編者多年來講授“計算機(jī)原理”、“計算機(jī)原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“計算機(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，以計算機(jī)認(rèn)知方法論作指導(dǎo)，全面且有重點(diǎn)地介紹計算機(jī)的各個組成部分，以及各個部分之間是如何協(xié)同工作等問題，且特別注重可讀性、科學(xué)性、系統(tǒng)性和實用性。書中備有大量專門設(shè)計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章計算機(jī)系統(tǒng)概論，介紹計算機(jī)發(fā)展、特點(diǎn)、計算機(jī)的組成和計算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成；第2章計算機(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(kuò)充以及高速緩沖存儲器和虛擬存儲；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，主要論述連接計算機(jī)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(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章實驗指導(dǎo)，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(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“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)組成”、“計算機(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)時為72學(xué)時。本書也可供高等教育自學(xué)考試、計算機(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(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

2012年10月

前言

第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概論 1
1.1 計算機(jī)的發(fā)展歷程 1
1.2 計算機(jī)的分類和應(yīng)用 2
1.2.1 計算機(jī)的分類 2
1.2.2 計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 3
1.3 計算機(jī)硬件系統(tǒng) 4
1.4 計算機(jī)軟件系統(tǒng) 7
1.4.1 計算機(jī)軟件系統(tǒng)的組成與分類 7
1.4.2 計算機(jī)軟件系統(tǒng)的發(fā)展演變 8
1.4.3 計算機(jī)軟件系統(tǒng)組成的層次結(jié)構(gòu) 9
1.5 計算機(jī)系統(tǒng)的工作過程 10
1.5.1 計算機(jī)處理問題的步驟 10
1.5.2 計算機(jī)的工作過程 11
1.6 計算機(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 無符號數(shù)和帶符號數(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)算器實例 49
本章小結(jié) 52
習(xí)題2 52
第3章 存儲系統(tǒng) 54
3.1 存儲器系統(tǒng)概述 54
3.1.1 存儲器分類 54
3.1.2 三級存儲體系結(jié)構(gòu) 56
3.1.3 主存儲器的基本結(jié)構(gòu) 57
3.1.4 主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) 59
3.2 隨機(jī)存取存儲器 59
3.2.1 SRAM 59
3.2.2 動態(tài)RAM的刷新 61
3.3 半導(dǎo)體只讀存儲器 63
3.4 存儲器的擴(kuò)充 64
3.4.1 主存儲器與CPU的連接 64
3.4.2 位擴(kuò)展 65
3.4.3 字?jǐn)U展 66
3.4.4 字和位同時擴(kuò)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(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 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 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 時序信號的作用和體制 119
5.5.2 時序信號產(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 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(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(jī)（IOP）方式 222
本章小結(jié) 223
習(xí)題7 223
第8章 實驗指導(dǎo) 225
8.1 JYS-Ⅲ型計算機(jī)組成實驗儀 225
8.2 實驗一 寄存器與數(shù)據(jù)通路實驗 228
8.3 實驗二 運(yùn)算器的組成實驗 229
8.4 實驗三 半導(dǎo)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(yùn)算器與存儲器組成實驗 234
附錄1 2013年碩士研究生入學(xué)考試計算機(jī)
學(xué)科考試大綱 236
附錄2 2009～2012年部分高校計算機(jī)組成
原理考研試題與參考答案 240
附錄3 美國標(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. 高等教育多維評價體系構(gòu)建與高質(zhì)量發(fā)展研究 [張妍 著]
2. 計算機(jī)組成原理 [主編 史士英 唐為方]
3. 計算機(jī)組成原理 [陳念 計博婧 章哲慶]
4. 汽車構(gòu)造（下冊） [主編 王林超 徐剛]
5. 計算機(jī)組成原理實驗教程 [張雯雰]
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. 微型計算機(jī)組成原理與設(shè)計方法研究 [劉峰 陳炯 邵澤云]
10. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)上機(jī)實踐教程（第二版） [何振林 胡綠慧]
11. 計算機(jī)組成原理 [主編 馬輝 王丁磊]