本书系统地介绍了冯•诺依曼模型单处理器计算机系统中各部件的组成结构和工作原理。全书共分7章，内容包括：计算机系统概述、数据的表示与运算、存储系统、指令系统、中央处理器、总线及I/O系统，涵盖了全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术联考大纲的全部内容。本书突出整机概念，注重知识点融合，强调部件工作原理与硬件组织相结合，通过性能分析与优化设计来加深对基本原理的理解与掌握。

前 言 随着计算机应用的不断普及，各高等学校大多设置了计算机相关专业，而电类专业更是大多开设了计算机硬件课程。“计算机组成原理”是一门很重要的计算机硬件基础课程，对深入了解和掌握计算机系统相关技术至关重要。“计算机组成原理”作为全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术联考课程，可见其重要性。 目前，国内“计算机组成原理”的教材很多，在使用过程中，普遍感到内容不够新颖，知识点融合不够，讲法五花八门，有些教材甚至连概念都存在问题。为了适应计算机科学与技术专业的教学需要，同时为参加全国硕士研究生计算机专业统考的考生提供一本好的参考教材，笔者根据多年的教学实践，结合全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术联考大纲的要求，编写了本书。 全书共分7章，系统介绍了冯•诺依曼模型单处理器计算机系统的组成结构及工作原理。第1章为计算机系统概论，简要介绍了冯•诺依曼模型计算机系统的基本组成及其性能指标。第2章为数据的表示与运算，主要分析了各种数据在计算机中的表示方法，及相应运算在计算机中的实现方法。第3章为存储系统，分别讨论了层次结构存储系统中主存及Cache的组成原理及优化方法，介绍了虚拟存储器的组成工作过程。第4章为指令系统，重点介绍了指令功能与格式的约定方式，以及数据存放及寻址方式。第5章为中央处理器，在分析CPU功能的实现需求基础上，讨论了控制器满足这些实现需求的组织与设计方法，并介绍了流水线的工作原理。第6章为总线，重点介绍了总线的传输与控制原理及总线结构。第7章为输入/输出系统，在介绍I/O设备组成原理及与主机连接方法的基础上，重点讨论了几种传送控制方式的原理，分析了相关软、硬件的组织方法。 本书具有如下特点： （1）突出计算机组成的一般原理，采用自顶而下的方法，强调系统性，注意知识点融合，容易形成计算机的整机概念。 （2）强调计算机工作原理与硬件组织方法的相互结合，使抽象原理实物化，有利于对基本原理的理解，有利于知识点融合。 （3）重视部件组成的性能分析及优化，大量的量化分析可加深对基本原理的掌握，典型的优化设计更便于增加对计算机最新技术的了解，进一步增加学习兴趣。 （4）本书内容涵盖了全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术联考大纲的全部内容，是一本理想的考研参考教材。 本书在编写过程中力求语言通俗易懂，文字简洁明了，便于读者自学。东南大学计算机科学与工程学院的杨全胜、王晓蔚副教授对本书的编写提出了许多宝贵意见，在此表示诚挚的谢意。 作者从事“计算机组成原理”、“微机原理与接口技术”、“计算机系统结构”课程教学工作多年，在本书编写过程中尽可能进行了一些探索，力求从计算机系统的角度，关联本课程与相关课程的相关概念和原理，反映计算机硬件的新技术。由于编写时间紧迫及水平有限，书中难免有疏漏和欠缺之处，敬请广大读者和同行专家批评指正。 作 者 2009年11月

目 录 第1章 计算机系统概论 1 1.1 计算机系统简介 1 1.1.1 计算机系统的软、硬件 1 1.1.2 计算机系统的层次结构 2 1.1.3 计算机结构与组成 4 1.2 计算机系统基本组成 5 1.2.1 冯•诺依曼模型计算机 5 1.2.2 计算机硬件的基本组成 7 1.2.3 计算机软件的基本组成 11 1.2.4 计算机系统的工作过程 12 1.3 计算机系统的性能指标 16 1.3.1 计算机系统的性能指标 16 1.3.2 计算机硬件的性能设计 19 1.4 计算机系统发展历程 20 习题1 22 第2章 数据的表示与运算 24 2.1 数据的编码 24 2.1.1 数制及其转换 24 2.1.2 机器数及其编码 26 2.1.3 十进制数编码 30 2.1.4 字符编码 31 2.1.5 数据校验码 32 2.2 数据的表示 38 2.2.1 数值数据的表示方法 38 2.2.2 数值数据的定点表示 39 2.2.3 数值数据的浮点表示 40 2.2.4 非数值数据的表示 43 2.3 定点数的运算 46 2.3.1 移位运算 46 2.3.2 加减法运算 48 2.3.3 乘法运算 51 2.3.4 除法运算 60 2.4 浮点数的运算 68 2.4.1 浮点加减法运算 68 2.4.2 浮点乘除法运算 71 2.5 算术逻辑单元ALU 72 2.5.1 加法器组成 72 2.5.2 ALU的功能与组成 76 2.5.3 运算器组织 78 习题2 79 第3章 存储系统 83 3.1 存储系统概述 83 3.1.1 存储器分类 83 3.1.2 存储器主要性能指标 85 3.1.3 层次结构存储系统 85 3.2 半导体存储器基础 87 3.2.1 静态存储器（SRAM） 87 3.2.2 动态存储器（DRAM） 92 3.2.3 只读存储器（ROM） 101 3.3 主存储器 105 3.3.1 主存储器的基本组成 105 3.3.2 主存储器的逻辑设计 106 3.3.3 主存储器与CPU的连接 112 3.3.4 提高访存速度的措施 116 3.4 高速缓冲存储器 122 3.4.1 Cache的基本原理 122 3.4.2 Cache的相关技术 127 3.4.3 Cache的改进 134 3.5 虚拟存储器 137 3.5.1 虚拟存储器的概念 137 3.5.2 虚拟存储器的存储管理 139 3.5.3 虚拟存储器的工作过程 142 习题3 144 第4章 指令系统 146 4.1 指令系统组成 146 4.1.1 指令功能 146 4.1.2 指令格式 149 4.2 数据存放与寻址方式 151 4.2.1 操作数的存放方式 151 4.2.2 寻址方式 154 4.3 指令格式举例 159 4.3.1 Pentium指令系统 160 4.3.2 Power PC指令系统 162 4.4 指令系统发展 163 习题4 165 第5章 中央处理器 167 5.1 CPU的结构与工作原理 167 5.1.1 CPU的功能与结构 167 5.1.2 CPU的工作流程 169 5.1.3 指令执行过程 170 5.1.4 数据通路组织 177 5.2 控制器的组成与工作原理 182 5.2.1 控制器的基本结构 183 5.2.2 时序系统组成 183 5.2.3 微操作控制信号的时序控制方式 187 5.2.4 微操作控制信号的形成 189 5.3 硬布线控制器 193 5.4 微程序控制器 198 5.4.1 微程序控制思想 198 5.4.2 微程序控制器的组成原理 199 5.4.3 微指令格式及编码方式 201 5.4.4 微指令地址形成方式 204 5.4.5 微程序控制器设计 207 5.4.6 其他微程序设计方法 209 5.5 CPU举例 210 5.6 指令流水技术 212 5.6.1 指令流水线基本原理 213 5.6.2 指令流水线的相关及处理 215 5.6.3 高性能指令流水线 220 习题5 221 第6章 总线 225 6.1 总线概述 225 6.1.1 总线的分类 225 6.1.2 总线的特性 226 6.1.3 总线的性能指标 227 6.2 总线传输与控制 228 6.2.1 总线操作 228 6.2.2 总线仲裁 229 6.2.3 总线定时 232 6.2.4 总线标准 235 6.3 总线互联结构 236 6.3.1 总线互联的结构 236 6.3.2 总线互联的实现 239 习题6 240 第7章 输入/输出系统 241 7.1 I/O系统概述 241 7.1.1 I/O系统基本组成 241 7.1.2 I/O设备与主机的联系方式 242 7.1.3 I/O设备与主机的传送控制方式 244 7.2 外部设备 247 7.2.1 输入设备 248 7.2.2 输出设备 249 7.2.3 存储设备 254 7.3 I/O接口 265 7.3.1 I/O接口的功能 265 7.3.2 I/O接口的组成 266 7.4 程序查询方式 268 7.4.1 程序查询方式的流程 268 7.4.2 程序查询方式的接口组织 269 7.4.3 无条件传送方式 270 7.5 程序中断方式 271 7.5.1 中断基本概念 271 7.5.2 I/O中断的过程 274 7.5.3 I/O中断的组织 278 7.6 DMA方式 283 7.6.1 DMA的传送方式 284 7.6.2 DMA接口的基本组成 285 7.6.3 DMA的数据传送过程 286 7.6.4 DMA的组织 288 7.7 通道方式 290 7.7.1 通道的基本组成 291 7.7.2 通道的工作过程 292 7.7.3 通道的种类 293 习题7 294 参考文献 296

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