本教材从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发，系统地论述了计算机系统的基本组成、工作原理和设计方法，并从提高计算机性能的 角度，分析和探讨了计算机系统结构的基本原理和设计方法。
计算机组成与结构
袁静波 丁顺利 宋欣 王和兴 编著
本书以冯·诺伊曼机结构为主线，全面、系统地介绍了计算机硬件系统的工作原理和组成结构。同时，为了适应部分高校新教学计划的要求，以计算机组成原理为重点，将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程内容有机地整合在一起，加深读者对计算机硬件系统的整体化理解，增强对学生计算机系统设计能力的培养。
本书具有如下特点：
突出计算机组成的一般原理，强调系统性，重视功能部件的性能分析。
结合考研大纲，整合教材内容，涵盖全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术学科考研大纲的所有内容，并将部分考研试题融入到教材的例题与习题当中。
丰富的例题与设计实例，强化对重点、难点知识的理解，深入剖析比较复杂抽象的问题。
“计算机组成原理”是计算机专业的主干课程，也是其他相关专业学生掌握计算机应用技术的一门专业基础课程。本书以冯·诺伊曼机结构为主线，比较全面地介绍了计算机硬件系统的工作原理和组成结构。同时，为了适应部分高校新教学计划的要求，以计算机组成原理为重点，将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程内容有机地整合在一起，旨在加深读者对计算机硬件系统的整体化理解，增强对学生的计算机系统设计能力的培养。
作者在查阅了大量国内外相关教材及参考书的基础上，结合自己多年教学经验编写了本书，力求做到内容全面、概念清楚、结构合理。本教材对计算机主要部件的基本概念、基本组成和基本原理进行了较详细的描述，并尽可能用通俗易懂的语言和图表进行讲解，以减少读者在学习过程中的困难。
本教材具有如下特点：
1）突出计算机组成的一般原理，强调系统性，重视功能部件的性能分析。精心设计教学内容，使读者能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论问题与实际问题进行计算、综合分析和设计。
2）重视各章主要知识点及重点、难点内容的指导。本书为保证读者在各章节完整的学习之后，对本章的主要知识点、重点和难点有更清晰的理解，在每章的小结中，采用了表格的形式进行归纳说明，有利于抓住知识的核心部分，由面到点地梳理所学知识，形成系统的知识架构。
3）丰富的例题和设计实例。作者在编写本书时充分总结了自己多年从事计算机组成原理教学的经验，在全面介绍系统原理知识的同时，对难学、难理解的部分进行充分的解释和举例说明，将原本比较复杂、抽象的问题通过一些特定的实例进行阐述和分析。
4）结合考研大纲，整合教材内容。涵盖全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术学科考研大纲的所有内容，并将部分考研试题融入到教材的例题与习题当中，有利于考研学生有针对性地学习，强化重点知识。
5）计算机组成与系统结构知识的有机结合。本书在重点阐述计算机组成原理的主要概念和基本原理的同时，兼顾了计算机系统结构的重点知识，有利于读者在学习过程中系统地、全面地理解计算机系统的组成、工作原理及设计。该教材的编写适应了部分高等院校硬件课程改革的需求。
本书的第1章、第4章、第5章由袁静波编写，第3章由丁顺利编写，第2章、第7章由宋欣编写，第6章、第8章由王和兴编写，全书由袁静波统稿。
在编写过程中参考了大量相关文献，在此向这些文献的作者表示感谢，同时感谢机械工业出版社的大力支持。
由于时间紧迫及水平有限，错误和不足之处在所难免，敬请广大读者和专家批评指正！
编 者
2011年8月
计算机\计算机组成
本书以冯·诺依曼机结构为主线，全面、系统地介绍了计算机硬件系统的工作原理和组成结构。同时，为了适应部分高校新教学计划的要求，以计算机组成原理为重点，将“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程内容有机地整合在一起，加深读者对计算机硬件系统的整体化理解，增强对学生的计算机系统设计能力的培养。
本书具有如下特点：
·突出计算机组成的一般原理，强调系统性，重视功能部件的性能分析。
·结合考研大纲，整合教材内容，涵盖全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术学科考研大纲的所有内容，并将部分考研试题融入到教材的例题与习题当中。
·丰富的例题与设计实例，强化对重点、难点知识的理解，深入剖析比较复杂抽象的问题。
前言
教学建议
第1章 计算机系统概述1
1.1 计算机的发展1
1.2 计算机系统的组成3
1.2.1 硬件系统3
1.2.2 软件系统4
1.3 计算机系统的层次结构5
1.4 计算机系统结构7
1.4.1 计算机组成与系统结构7
1.4.2 计算机系统结构的分类8
1.5 计算机系统性能分析9
1.5.1 计算机系统的主要性能指标9
1.5.2 CPU性能分析10
1.5.3 系统性能的改进11
1.6 本章小结12
习题114
第2章 运算方法和运算器15
2.1 计算机中的数据表示15
2.1.1 计算机中常用数制15
2.1.2 数据编码16
2.1.3 数值型数据的表示17
2.1.4 定点数和浮点数表示20
2.1.5 数据校验码22
2.2 定点数加、减法运算24
2.2.1 补码定点加、减法运算方法25
2.2.2 溢出判断方法25
2.3 定点数乘法运算27
2.3.1 原码一位乘法27
2.3.2 原码两位乘法29
2.3.3 补码一位乘法30
2.3.4 补码两位乘法33
2.3.5 阵列乘法器34
2.4 定点数除法运算35
2.4.1 原码除法35
2.4.2 补码除法38
2.4.3 阵列除法器39
2.5 浮点数运算40
2.5.1 浮点数加、减法40
2.5.2 浮点数乘、除法42
2.6 运算器的组成与结构43
2.6.1 加法器44
2.6.2 算术逻辑单元47
2.6.3 定点运算器50
2.6.4 浮点运算器53
2.7 运算方法与运算器的综合例题54
2.8 本章小结58
习题259
第3章 存储系统61
3.1 存储系统概述61
3.1.1 存储器分类61
3.1.2 存储系统的层次结构63
3.1.3 存储系统的性能评价65
3.2 主存储器66
3.2.1 主存储器概述66
3.2.2 静态随机存取存储器71
3.2.3 动态随机存取存储器75
3.2.4 只读存储器80
3.2.5 主存储器设计83
3.3 辅助存储器90
3.3.1 磁记录原理与记录方式90
3.3.2 硬盘存储器93
3.3.3 磁表面存储器的主要技术指标95
3.3.4 磁盘阵列97
3.3.5 光盘存储器99
3.4 高速缓冲存储器（Cache）102
3.4.1 Cache的工作原理103
3.4.2 地址映像与替换策略104
3.4.3 Cache的性能与结构113
3.4.4 Cache存储器实例115
3.5 虚拟存储器116
3.5.1 虚拟存储器概述116
3.5.2 段式虚拟存储器117
3.5.3 页式虚拟存储器119
3.5.4 段页式虚拟存储器121
3.5.5 虚拟存储器的工作过程122
3.6 并行存储器124
3.6.1 多体交叉存储器124
3.6.2 双端口存储器126
3.6.3 相联存储器127
3.7 存储系统综合分析与设计举例129
3.8 本章小结136
习题3138
第4章 指令系统141
4.1 指令系统概述141
4.2 指令格式142
4.2.1 指令的基本格式142
4.2.2 操作码编码146
4.2.3 操作数的类型150
4.3 寻址方式151
4.3.1 指令的寻址方式151
4.3.2 操作数的寻址方式152
4.4 指令类型159
4.4.1 数据传送指令159
4.4.2 算术运算与逻辑运算指令159
4.4.3 移位操作指令159
4.4.4 程序控制指令160
4.4.5 输入/输出指令163
4.4.6 其他指令163
4.5 CISC与RISC163
4.6 典型指令系统简介165
4.6.1 PDP-11机指令系统165
4.6.2 Pentium机指令系统168
4.7 指令系统综合分析与设计举例169
4.8 本章小结174
习题4176
第5章 中央处理器178
5.1 CPU概述178
5.2 控制器的功能、组成及类型179
5.2.1 控制器的功能179
5.2.2 控制器的组成180
5.2.3 控制器的类型182
5.3 时序及控制方式183
5.3.1 指令时序183
5.3.2 时序信号发生器186
5.3.3 时序控制方式187
5.4 指令执行过程188
5.4.1 指令执行的基本步骤188
5.4.2 典型指令的指令周期189
5.4.3 指令执行流程设计举例192
5.5 组合逻辑控制器197
5.5.1 组合逻辑控制的基本原理197
5.5.2 组合逻辑控制器的设计200
5.6 微程序控制器203
5.6.1 微程序控制的相关基本概念203
5.6.2 微程序控制的基本原理205
5.6.3 微程序控制器与组合逻辑控制器的比较206
5.7 微程序设计207
5.7.1 微指令的分类207
5.7.2 微程序流控制211
5.7.3 微程序控制方式及时序控制216
5.7.4 微程序设计方法217
5.7.5 微程序设计举例220
5.8 CPU综合分析与设计举例223
5.9 本章小结234
习题5236
第6章 总线239
6.1 总线概述239
6.1.1 总线的工作原理239
6.1.2 总线的类型239
6.1.3 总线的性能指标240
6.2 总线的连接方式241
6.3 总线控制242
6.3.1 总线仲裁243
6.3.2 数据传送控制244
6.3.3 总线数据传送模式245
6.4 总线标准245
6.5 本章小结248
习题6249
第7章 输入/输出系统250
7.1 输入/输出设备250
7.1.1 外围设备的作用与分类250
7.1.2 输入设备251
7.1.3 输出设备252
7.2 I/O接口257
7.2.1 I/O接口的功能与组成257
7.2.2 I/O设备的编址方式258
7.2.3 I/O接口的类型259
7.3 程序直接控制方式260
7.4 程序中断传送方式260
7.4.1 中断系统概述260
7.4.2 中断的处理过程262
7.4.3 多级中断与中断屏蔽265
7.4.4 中断源识别与判优电路267
7.5 直接存储器存取方式268
7.5.1 DMA方式概述268
7.5.2 DMA控制器269
7.5.3 DMA的传送方式271
7.5.4 DMA的数据传送过程273
7.6 通道方式与外围处理机方式274
7.6.1 通道的功能274
7.6.2 通道的类型275
7.6.3 通道的工作过程276
7.6.4 外围处理机方式277
7.7 输入/输出系统综合举例277
7.8 本章小结281
习题7283
第8章 流水线与多处理机285
8.1 流水线工作原理285
8.1.1 指令的重叠执行与先行控制285
8.1.2 流水线的表示方法288
8.1.3 流水线的分类289
8.1.4 流水线性能分析291
8.2 流水线调度298
8.2.1 流水线相关性及其处理298
8.2.2 非线性流水线的冲突304
8.2.3 非线性流水线的调度306
8.3 超标量处理机与超流水线处理机307
8.4 向量处理机310
8.4.1 向量处理的方式310
8.4.2 向量处理机的结构311
8.4.3 向量处理机的性能指标313
8.5 互连网络313
8.5.1 互连网络的特征与特性参数314
8.5.2 互连函数314
8.6 阵列处理机317
8.6.1 阵列处理机模型317
8.6.2 阵列处理机的基本结构318
8.7 多处理机319
8.7.1 多处理机的结构及特点319
8.7.2 多处理机的分类321
8.8 本章小结323
习题8324
参考文献327
