计算机组成原理（第4版）——面向实践能力培养

本书为“十二五”普通高等教育本科*规划教材。本书以当前主流微型计算机技术为背景，以建立系统级的整机概念为目的，深入介绍计算机各功能子系统的逻辑组成和工作机制。全书共7章。第1章概述计算机的基本概念、发展历程和系统的硬件、软件组织及计算机相关的性能指标；第2章介绍数据信息的表示、运算和校验方法；第3章介绍CPU子系统的工作原理、设计实例和多核等前沿技术；第4章介绍存储子系统的存储原理、主存设计和性能改进措施；第5章介绍I/O子系统，包括接口、总线以及中断、DMA和通道等I/O传输控制方式；第6章介绍显示器等常见输入/输出设备；第7章以一个硬件系统模型的设计作为全书总结。本书可作为高等院校计算机及相关专业“计算机组成原理”及相关课程的教材，也可作为从事计算机专业的工程技术人员的参考书。

纪禄平，男，电子科技大学副教授。目前主要的科研方向： 神经网络，如PCNN和CNN等； 图像处理与模式识别，如场景分析和人脸识别、指纹识别等。

目 录
第1章 概论 1
1.1 计算机的基本概念 1
1.1.1 信息的数字化表示 2
1.1.2 存储程序工作方式 5
1.1.3 计算机的分类 6
1.2 计算机的诞生和发展 8
1.2.1 冯·诺依曼体系 8
1.2.2 计算机发展历程 9
1.2.3 未来的发展趋势 12
1.3 计算机系统的组织 13
1.3.1 硬件系统 13
1.3.2 软件系统 18
1.3.3 硬件、软件系统层次结构 20
1.3.4 硬件、软件功能划分与逻辑等价 22
1.4 计算机的特点与性能指标 23
1.4.1 计算机的特点 23
1.4.2 计算机的主要性能指标 24
习题1 27
第2章 数据的表示、运算和校验 29
2.1 数值型数据的表示 29
2.1.1 进位计数制 29
2.1.2 带符号数的表示 35
2.1.3 定点数与浮点数 40
2.2 字符型数据的表示 46
2.3 运算方法 48
2.3.1 定点加减运算 48
2.3.2 溢出的判断与移位 50
2.3.3 定点乘法运算 54
2.3.4 定点除法运算 60
2.3.5 浮点四则运算 65
2.4 常用的数据校验方法 68
2.4.1 奇偶校验 68
2.4.2 海明校验 69
2.4.3 循环冗余校验 71
习题2 73
第3章 CPU子系统 76
3.1 CPU概述 77
3.1.1 CPU的硬件结构模型 77
3.1.2 基本功能与控制方式 83
3.1.3 外部连接与I/O控制任务 88
3.1.4 CPU设计步骤 89
3.1.5 CPU的发展历程 89
3.2 指令系统 92
3.2.1 CISC与RISC 92
3.2.2 指令格式 93
3.2.3 寻址方式 98
3.2.4 指令的功能和类型 114
3.3 运算部件与运算器 123
3.3.1 加法单元 123
3.3.2 加法器与进位逻辑 124
3.3.3 算术逻辑运算部件 126
3.3.4 运算器的组织 130
3.4 模型机CPU设计方法 132
3.4.1 模型机指令系统 132
3.4.2 基本部件与数据通路 136
3.4.3 指令流程与微命令 140
3.4.4 组合逻辑控制 154
3.4.5 微程序控制 165
3.5 MIPS32架构CPU设计实例 184
3.5.1 MIPS32指令架构 185
3.5.2 基本的组成部件 190
3.5.3 单周期模式 193
3.5.4 多周期模式 205
3.5.5 指令的时间特性 223
3.6 提升CPU性能的高新技术 228
3.6.1 流水线技术 228
3.6.2 SMT与超线程 232
3.6.3 多核技术 233
3.7 经典处理器介绍 236
3.7.1 Intel 8086/8088 CPU 237
3.7.2 Intel 80386/80486 CPU 240
3.7.3 Pentium微处理器 243
3.7.4 Alpha微处理器 244
3.7.5 CRAY-1 246
3.7.6 Transputer 247
习题3 248
第4章 存储子系统 252
4.1 存储子系统概述 252
4.1.1 存储系统的层次结构 252
4.1.2 物理存储器与虚拟存储器 256
4.1.3 存储器的分类 256
4.1.4 存储器的技术指标 259
4.2 半导体存储原理 260
4.2.1 双极型存储单元 260
4.2.2 静态存储器 263
4.2.3 动态存储器 267
4.2.4 半导体只读存储器 272
4.3 主存储器的组织 276
4.3.1 主存的设计原则 276
4.3.2 主存的逻辑设计 278
4.3.3 主存的外部连接方式 281
4.3.4 常见的主存芯片技术 283
4.3.5 存储器的刷新与校验 286
4.4 磁表面存储原理 289
4.4.1 存储介质与磁头 289
4.4.2 读写原理 290
4.4.3 磁记录的编码方式 292
4.5 磁盘存储器及其接口 296
4.5.1 软盘存储器 297
4.5.2 硬盘存储器 300
4.5.3 技术指标与数据校验 308
4.5.4 磁盘适配器 310
4.6 光学存储原理及器件 314
4.6.1 光存储原理 314
4.6.2 光盘存储器 316
4.6.3 光盘驱动器及其发展方向 317
4.7 存储系统性能的改进措施 320
4.7.1 高速缓冲存储器 320
4.7.2 虚拟存储器 326
4.7.3 双端口存储器 331
4.7.4 并行存储器 332
4.7.5 联想存储器 336
习题4 337
第5章 总线与输入/输出子系统 340
5.1 输入/输出子系统概述 340
5.1.1 总线简介 341
5.1.2 接口的功能与类型 342
5.1.3 输入/输出控制方式 345
5.2 总线 347
5.2.1 总线的特性与分类 348
5.2.2 总线的标准 350
5.2.3 总线的设计要素 351
5.2.4 PCI总线介绍 358
5.3 直接程序传送模式 360
5.4 中断处理模式 362
5.4.1 中断的基本概念与应用 362
5.4.2 中断请求与优先级裁决 366
5.4.3 中断响应与中断服务程序 372
5.4.4 中断接口的逻辑模型 378
5.4.5 典型中断接口举例 381
5.5 DMA模式与接口 384
5.5.1 DMA方式的基本概念 384
5.5.2 DMA控制器与接口的连接 387
5.5.3 DMA控制器的组成 391
5.5.4 DMA传输操作过程 394
5.5.5 典型DMA接口举例 395
5.6 IOP和PPU模式 401
5.6.1 通道的系统结构 401
5.6.2 通道的类型 402
5.6.3 通道的工作原理 403
习题5 405
第6章 输入/输出设备 407
6.1 输入/输出设备概述 407
6.1.1 输入/输出设备的一般功能 407
6.1.2 输入/输出设备的类型 408
6.1.3 输入/输出设备与主机的信息交换 411
6.2 键盘及接口 412
6.2.1 键盘的类型 412
6.2.2 硬件扫描键盘 415
6.2.3 软件扫描键盘 416
6.3 显示设备及接口 419
6.3.1 显示器的分类 419
6.3.2 显示器的成像原理 420
6.3.3 CRT显示器 427
6.3.4 LCD显示器 433
6.3.5 显示适配器及工作原理 439
6.4 打印设备及接口 444
6.4.1 打印设备概述 444
6.4.2 打印机的性能指标 445
6.4.3 点阵针式打印机 446
6.4.4 喷墨打印机 450
6.4.5 激光打印机 453
6.4.6 打印机适配器 455
6.4.7 3D打印技术简介 456
6.5 其他输入/输出设备 457
6.5.1 光学字符识别设备 457
6.5.2 图形图像输入设备 458
6.5.3 语音识别设备 460
6.5.4 条形码与二维码识别仪 461
习题6 464
第7章 计算机硬件系统模型 465
7.1 模型机系统及信号互连 465
7.1.1 系统组成 465
7.1.2 系统总线 466
7.1.3 各部件的信号线 467
7.2 模型机典型I/O操作举例 471
7.2.1 直接程序传输方式的I/O操作 471
7.2.2 中断方式下的I/O操作 472
7.2.3 DMA方式下的I/O操作 473
7.3 系统配置举例 474
习题7 476
参考文献 477

第4版前言
本书的第1版（罗克露等主编，2004年）是在《计算机组成原理》（俸远祯等主编，“六五”规划教材，1985年）、《计算机组成原理（修订本）》（俸远祯等主编，“八五”规划教材、*科技进步奖教材类三等奖，1996年）和《计算机组成原理与汇编语言程序设计》（俸远祯等主编，“九五”规划教材，1997年）这三本规划教材的基础上进行编写的。
本书在《计算机组成原理（第2版）》（罗克露主编，“十一五”、“十二五”普通高等教育本科规划教材，2010年）和《计算机组成原理（第3版）》（纪禄平主编，“十二五”普通高等教育本科规划教材，2014年）基础上改版修订，以计算机前沿发展技术为背景，以CPU设计为重点，深入介绍计算机各子系统的组成结构和工作原理。
全书共7章，按计算机整机概念到局部子系统的逻辑结构来安排各章节内容。第1章概述计算机的概念、发展历程和系统的硬件、软件组织，强调信息的数字化表示和存储程序方式这两个重要概念。第2章介绍数据信息的表示、运算和校验方法。第3章介绍CPU及其前沿技术，并分别通过CPU模型和MIPS处理器实例，分析指令的执行过程，同时阐明组合逻辑控制和微程序控制的设计方法。第4章介绍存储子系统，讨论存储原理和主存储器的设计，以及提高存储系统性能的一些经典措施。第5章介绍输入/输出子系统，包括接口和总线等，并强调中断、DMA和通道等I/O传输的控制机制。第6章介绍常见输入/输出设备，包括显示器和打印机等。作为全书的总结，第7章给出一个计算机硬件系统模型，并描述它的组织结构和典型的I/O操作方式。
本书的第1章、第2章由刘辉编写，第3章由罗克露编写，第4章、第6章和第7章由纪禄平编写，第5章由张建编写。全书由纪禄平统稿，俸远祯教授主审。作为计算机组成原理课程教学和规划教材编写的资深前辈，俸远祯教授和罗克露教授等对本书的编写给予了大力支持和悉心指导，在此谨向这两位教授致以崇高敬意！
本书在编写过程中不仅得到了电子科技大学教务处和计算机学院相关领导的支持与鼓励，还得到了电子工业出版社的积极协助，也在此谨向他们致以诚挚谢意！
本书还有配套的辅导书——《计算机组成原理学习指导与课程设计》，其中包含与本书相关的学习指导、习题解答、电子竞赛和课程设计等内容。
由于编者的水平有限，书中内容难免会有疏漏和错误之处，恳请读者批评指正，我们不胜感激。如有任何问题，请直接与编者邮件联系：。
本书为任课教师提供配套的教学资源（包含电子教案），需要者可登录华信教育资源网站（），注册之后进行免费下载。

作  者