计算机组成原理及应用

本书在参考和借鉴国内外相关优秀教材的基础上，结合主流微型计算机技术的发展趋势，系统地介绍计算机各功能子系统的逻辑组成结构和工作原理，主要内容包括计算机系统引论、计算机中数据信息的表示和运算、存储系统、指令系统、中央处理单元、总线、输入/输出系统。本书在内容的组织上力求概念清楚准确、语言通俗易懂、实例深入浅出。本书通过具体的实例以及大量典型的思考题和习题来加深读者对理论知识的理解，并给出了部分思考题和习题的参考答案，可供读者检验学习效果。

丁男，1978年生，博士。大连理工大学计算机科学与技术学院副教授、博士研究生导师，大连理工大学信息技术实验中心副主任，纽约大学计算机学院多媒体与网络技术实验室访问学者。担任国家自然科学基金项目评审专家、中国计算机学会嵌入式系统专委会委员、中国计算机学会CCF YOCSEF 大连分会委员。主要研究方向：物联网、智能嵌入式系统、边缘计算等。发表SCI/EI论文40余篇。近五年主持国家自然基金面上项目2项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金联合项目等多项。主编和参编多部高等学校计算机专业教材。多次获得省部级自然科学著作成果奖。

第1章　计算机系统引论 1
1．1 计算机概述 1
1．1．1 计算机发展历程和发展趋势 1
1．1．2 计算机的分类及应用领域 3
1．1．3 计算机的特点 6
1．2 计算机系统组成部分与层次结构 7
1．2．1 计算机系统的组成部分 8
1．2．2 计算机系统的层次结构 11
1．3 计算机的工作过程 13
1．4 计算机的主要性能指标 14
思考题和习题1 17
第2章　计算机中数据信息的表示和运算 21
2．1 数制与编码 21
2．1．1 进位计数制及其转换 21
2．1．2 数值数据的编码与表示 24
2．1．3 非数值数据的编码与表示 28
2．1．4 数据的宽度与存储 32
2．1．5 数据校验码的编码与译码 34
2．2 定点数的表示和运算 41
2．2．1 定点数的表示 41
2．2．2 定点数的运算 42
2．3 浮点数的表示和运算 53
2．3．1 浮点数的表示 53
2．3．2 浮点数的运算 57
2．4 运算部件的组成 59
2．4．1 定点数运算部件 60
2．4．2 浮点数运算部件 61
思考题和习题2 63

第3章 存储系统 69
3．1 存储系统概述 69
3．1．1 存储器的性能指标 69
3．1．2 存储器的分类 70
3．1．3 存储系统的层次化结构 71
3．2 主存储器 72
3．2．1 主存储器概述 72
3．2．2 半导体随机存取存储器 73
3．2．3 半导体只读存储器和Flash存储器 77
3．2．4 主存与CPU的连接及主存容量的扩展方式 78
3．2．5 Pentium计算机的主存系统组成 84
3．3 高速缓冲存储器 85
3．3．1 Cache简介 85
3．3．2 Cache的地址映像方式 88
3．3．3 Cache的读/写策略 95
3．3．4 Cache的替换算法 96
3．3．5 多层次Cache 97
3．4 存储器性能的改进技术 98
3．4．1 分体存储体系结构（哈佛体系结构） 98
3．4．2 双端口存储器 99
3．4．3 多模块交叉存储器 99
3．4．4 相联存储器 101
3．5 虚拟存储系统 102
3．5．1 虚拟存储器简介 103
3．5．2 虚拟存储器的管理方式与存储保护 103
3．5．3 虚拟存储器的工作过程 107
3．6 辅助存储器 108
3．6．1 辅助存储器简介 109
3．6．2 磁表面存储器 110
3．6．3 光盘存储器 114
3．6．4 U盘和固态硬盘 115
思考题和习题3 116
第4章 指令系统 125
4．1 指令系统概述 125
4．1．1 指令与指令系统 125
4．1．2 指令系统的性能要求 126
4．2 指令格式 126
4．2．1 指令格式简介 126
4．2．2 地址码的格式 127
4．2．3 操作码的格式 129
4．3 寻址方式 130
4．3．1 指令寻址方式 131
4．3．2 操作数寻址方式 131
4．4 指令的功能与类型 138
4．4．1 数据传输类指令 138
4．4．2 算术/逻辑运算类指令 138
4．4．3 程序控制类指令 139
4．4．4 输入/输出类指令 139
4．4．5 其他指令 139
4．5 指令格式示例 139
4．6 指令系统的发展 141
4．6．1 复杂指令集计算机 142
4．6．2 精简指令集计算机 142
4．6．3 超长指令字和显示并行指令代码 144
思考题和习题4 144
第5章 中央处理单元 151
5．1 CPU的功能与结构 151
5．1．1 CPU的功能和性能指标 151
5．1．2 CPU的组成结构 152
5．1．3 时序系统和时序控制方式 155
5．2 指令的执行过程 156
5．2．1 指令执行简介 157
5．2．2 指令具体执行过程 158
5．3 控制器的组成和实现方式 161
5．3．1 控制器概述 161
5．3．2 微程序控制器 162
5．3．3 硬连线控制器 171
5．4 指令流水线技术 173
5．4．1 并行性的基本概念 173
5．4．2 指令流水线简介 174
5．4．3 流水线基本工作原理 175
5．4．4 流水线中的相关问题 176
5．4．5 流水线的性能分析 180
5．5 处理器中的新技术 182
5．5．1 超标量流水线技术 182
5．5．2 并行处理技术 182
5．5．3 双核与多核技术 183
思考题和习题5 184
第6章　总线 193
6．1 总线简介 193
6．1．1 概述 193
6．1．2 系统总线的结构 195
6．1．3 总线的性能指标 196
6．1．4 典型的总线标准 197
6．1．5 总线结构实例 201
6．2 总线的应用 202
6．2．1 总线的操作 202
6．2．2 总线的信息传输方式 203
6．2．3 总线的定时控制方式 204
6．3 总线仲裁 205
6．3．1 总线仲裁的意义 205
6．3．2 总线的仲裁方式 205
思考题和习题6 208
第7章　输入/输出系统 213
7．1 输入/输出系统简介 213
7．2 外部设备 214
7．2．1 外部设备的作用、分类和特点 214
7．2．2 常用的输入设备 216
7．2．3 常用的输出设备 217
7．2．4 其他输入/输出设备 221
7．3 I/O接口 223
7．3．1 I/O接口的基本功能 223
7．3．2 I/O接口的分类与基本组成 224
7．3．3 I/O接口的编址方式 226
7．4 输入/输出信息传输控制方式 227
7．4．1 程序直接传输方式 227
7．4．2 程序中断传输方式 227
7．4．3 直接存储器访问方式 234
7．4．4 I/O通道控制方式和外围处理机方式 238
思考题和习题7 240
参考文献 246

自1946年第一台现代电子计算机诞生以来，经过70多年的发展，应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展，形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步。目前，计算机已经遍及学校和企事业单位，进入了寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具。

我国的高等学校普遍开设了计算机专业，“计算机组成原理”是计算机专业的核心课程之一，该课程主要讲授计算机硬件的组成以及各组成部件的工作原理。与计算机专业密切相关的专业，如自动化专业、电子信息工程专业、网络工程、物联网工程、信息安全专业，也纷纷开设了“计算机组成原理”课程。

本书是根据高等学校计算机科学与技术专业核心专业基础课程“计算机组成原理”的知识体系，以及教育部考试中心颁发的“全国计算机学科专业基础综合考试大纲”要求来编写的。本书结合主流的微型计算机技术，详细介绍计算机各功能子系统的逻辑组成结构和工作原理。全书共7章，具体如下：

第1章是计算机系统引论。本章主要介绍计算机的发展历程、分类及应用，计算机组成与层次结构，计算机的工作过程，以及计算机的性能指标等。

第2章是计算机中数据信息的表示和运算。本章主要介绍数制与编码、定点数的表示与运算、浮点数的表示与运算、运算部件的组成等。

第3章存储系统。本章在介绍存储器的性能、分类以及存储系统层次结构的基础上，详细介绍了主存储器、高速缓冲存储器、存储器性能的改进技术、虚拟存储器、辅助存储器等。

第4章是指令系统。指令系统是计算机硬件的语言系统，指令格式与功能不仅会直接影响机器的硬件结构，也会直接影响系统软件。本章在简要介绍指令系统的基础上，详细介绍了指令格式、寻址方式、指令的功能与类型，给出了指令格式示例以及简要介绍了指令系统的发展。

第5章是中央处理单元。中央处理单元也称为中央处理器，简称CPU，是计算机的核心部件之一。本章的内容是全书的重点和难点，主要包括CPU的功能与基本结构、指令的执行过程、控制器的组成和实现方式、指令流水线技术、处理器中的新技术等。

第6章是总线。总线（Bus）是CPU、内存、输入/输出设备之间传输信息的公用通道，可分为数据总线、地址总线和控制总线。本章在简要介绍总线基本知识的基础上，详细介绍了总线信息接口和总线仲裁。

第7章是输入/输出系统。输入/输出（I/O）系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统，是计算机系统的重要组成部分。本章在简要介绍I/O系统和外部设备（外设）的基础上，详细介绍了输入/输出接口以及输入/输出信息传输控制方式。

近年来，计算机组成与系统结构发生了较大的变化，一些技术有了较大的发展。为了反映技术的进步，拓宽计算机领域知识的覆盖面，并更加合理地构建计算机组成的知识框架，本书适当增加了一些内容，例如，在中央处理单元中增加了并行处理技术和多核技术，在输入/输出系统中增加了液晶显示器（LCD）和3D打印机等。

本书的特点是：知识结构合理，内容全面，深度适宜；内容取材新颖，与技术发展保持同步；注重实践能力的培养以及学生的计算思维和创新意识的提高；精选例题和习题，形式多样，实用性强。

本书可作为高等学校计算机科学与技术、软件工程、网络工程、物联网工程、信息技术等相关专业的“计算机组成原理”课程的配套教材，也可作为相关专业研究生入学考试、计算机领域工程技术人员的参考用书。

本书在编写过程中参考了国内外相关的优秀教材，得到了大连理工大学教务处、电子工业出版社的支持。在此，谨向书后所列参考文献的作者以及给予我们支持和帮助的同行表示诚挚的谢意。

由于作者经验和水平有限，书中难免会出现疏漏或不当之处，敬请广大读者批评指正，作者的E-mail为dingnan@dlut.edu.cn。

作 者

2020年8月