本书共分12章。第1章～第10章主要论述计算机的基本组成原理和结构，内容包括数制和码制，基本逻辑部件，构成计算机系统的中央处理器(CPU)、存储器系统以及输入输出(I/O)系统等。第11章讨论了计算机系统和基于网际网路的套用。第12章介绍了计算机硬体技术的发展及其实施基础。
本书可作为理工科大学生学习“计算机组成与结构”课程或“计算机组成原理”课程的教材，也可供计算机研发和套用领域的工程技术人员参考。

第1章 计算机系统概论1

1.1 计算机的诞生和发展1

1.2 计算机的硬体3

1.3 计算机的软体6

1.4 计算机网路基础8

习题11

第2章 计算机的逻辑部件12

2.1 计算机中常用的组合逻辑电路12

2.1.1 三态电路12

2.1.2 异或门及其套用13

2.1.3 加法器14

2.1.4 解码器18

2.1.5 数据选择器18

2.2 时序逻辑电路19

2.2.1 触发器19

2.2.2 暂存器和移位暂存器21

2.2.3 计数器21

2.3 阵列逻辑电路22

2.3.1 唯读存储器(ROM)23

2.3.2 可程式序逻辑阵列(PLA)24

2.3.3 可程式序阵列逻辑(PAL)26

2.3.4 通用阵列逻辑(GAL)28

2.3.5 门阵列(GA)、宏单元阵列(MCA)和标準单元阵列(SCA)28

2.3.6 现场可程式序门阵列(FPGA)30

习题30

第3章 运算方法和运算部件32

3.1 数据的表示方法和转换32

3.1.1 数值型数据的表示和转换32

3.1.2 十进制数的编码与运算35

3.2 带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及加减法运算36

3.2.1 原码、补码、反码及其加减法运算36

3.2.2 加减法运算的溢出处理41

3.2.3 定点数和浮点数42

3.3 二进制乘法运算44

3.3.1 定点数一位乘法44

3.3.2 定点数二位乘法48

3.3.3 阵列乘法器50

3.4 二进制除法运算50

3.4.1 定点除法运算50

3.4.2 提高除法运算速度的方法举例52

3.5 浮点数的运算方法54

3.5.1 浮点数的加减法运算54

3.5.2 浮点数的乘除法运算56

3.6 运算部件59

3.7 数据校验码60

3.7.1 奇偶校验码61

3.7.2 海明校验码62

3.7.3 循环冗余校验(CRC)码64

习题67

第4章 主存储器70

4.1 主存储器分类、技术指标和基本操作70

4.2 读/写存储器71

4.3 非易失性半导体存储器79

4.4 存储器的组成与控制81

4.5 多体交叉存储器84

习题86

第5章 指令系统88

5.1 指令系统的发展88

5.2 指令格式89

5.2.1 指令格式89

5.2.2 指令操作码的扩展技术90

5.2.3 指令长度与数据字长的关係92

5.3 定址方式93

5.4 指令类型96

5.4.1 指令的分类及功能96

5.4.2 双字长运算(子程式举例)103

5.4.3 指令系统的兼容性103

5.5 精简指令系统计算机(RISC)和複杂指令系统计算机(CISC)104

5.5.1 CISC的特点104

5.5.2 RISC的产生与发展104

5.5.3 RISC的特点104

5.6 指令系统举例105

5.6.1 SPARC的指令系统105

5.6.2 Pentium微处理器指令系统108

5.7 机器语言、彙编语言和高级语言111

习题112

第6章 中央处理器114

6.1 控制器的组成114

6.1.1 控制器的功能114

6.1.2 控制器的组成115

6.1.3 指令执行过程（运算器与控制器配合）117

6.2 微程式控制计算机的基本工作原理121

6.2.1 微程式控制的基本概念121

6.2.2 实现微程式控制的基本原理121

6.3 微程式设计技术130

6.3.1 微指令控制栏位的编译法130

6.3.2 微程式流的控制132

6.3.3 微指令格式134

6.3.4 微程式控制存储器和动态微程式设计135

6.3.5 微程式设计语言138

6.4 硬布线控制的计算机139

6.4.1 时序与节拍139

6.4.2 操作控制信号的产生141

6.4.3 硬布线控制器的组成143

6.4.4 硬布线控制逻辑设计中的若干问题144

6.4.5 控制器的控制方式146

6.5 流水线工作原理147

6.6 CPU举例150

6.6.1 RISC的CPU150

6.6.2 Pentium微处理器158

6.7 计算机的供电159

习题161

第7章 存储系统165

7.1 存储系统的层次结构165

7.2 高速缓冲存储器(cache)166

7.2.1 cache工作原理166

7.2.2 cache组织167

7.2.3 多层次cache170

7.3 虚拟存储器171

7.3.1 主存-辅存层次信息传送单位和存储管理171

7.3.2 页式虚拟存储器172

7.3.3 段页式虚拟存储器174

7.3.4 虚拟存储器工作的全过程175

7.3.5 存储管理部件(MMU)177

7.4 相联存储器177

7.5 存储保护178

习题179

第8章 辅助存储器182

8.1 磁表面存储器的种类与技术指标182

8.2 磁记录原理与记录方式183

8.2.1 磁记录原理183

8.2.2 磁记录介质与磁头185

8.2.3 磁记录方式187

8.3 磁碟存储器191

8.3.1 磁碟存储器的种类及基本结构191

8.3.2 硬磁碟驱动器(HDD)及硬磁碟控制器(HDC)191

8.3.3 磁碟cache194

8.3.4 磁碟阵列存储器195

8.4 磁带存储器196

8.4.1 磁带机的结构196

8.4.2 循环冗余校验码(CRC)198

8.4.3 磁带机的进展情况200

8.5 光碟存储器201

8.5.1 光碟存储器种类201

8.5.2 光碟存储器的组成和读写原理202

8.6 固态盘203

习题204

第9章 输入输出(I/O)设备206

9.1 外部设备概述206

9.2 输入设备206

9.2.1 键盘206

9.2.2 光笔、图形板和画笔(或游动标)输入208

9.2.3 滑鼠、跟蹤球和操作桿输入208

9.2.4 触控萤幕209

9.2.5 图像输入设备(摄像机、摄像头和数位相机)209

9.2.6 条形码210

9.2.7 光学字元识别(OCR)技术和语音文字输入系统210

9.3 输出设备--显示器212

9.3.1 显示技术中的有关术语212

9.3.2 显示设备种类214

9.3.3 图形和图像显示217

9.4 输出设备--印表机217

9.4.1 点阵针式印表机218

9.4.2 雷射印表机219

9.4.3 喷墨印表机221

9.4.4 热转印打字机223

9.4.5 印表机的发展趋势223

9.5 汉字处理技术224

9.5.1 汉字编码标準224

9.5.2 汉字的输入方法224

9.5.3 汉字的存储226

9.5.4 汉字的输出226

习题227

第10章 输入输出(I/?O)系统229

10.1 输入输出(I/O)系统概述229

10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能229

10.1.2 I/O设备数据传送控制方式230

10.2 程式中断输入输出方式231

10.2.1 中断的作用、产生和回响231

10.2.2 中断处理233

10.2.3 程式中断设备接口的组成和工作原理236

10.3 DMA输入输出方式237

10.3.1 DMA的3种工作方式238

10.3.2 DMA控制器组成238

10.3.3 DMA的数据传送过程239

10.4 I/O通道控制方式240

10.5 汇流排结构241

10.5.1 汇流排类型242

10.5.2 汇流排组成242

10.5.3 微机汇流排244

10.6 外设接口248

10.6.1 ATA (IDE）和SATA接口248

10.6.2 SCSI、SAS和iSCSI接口250

10.6.3 光纤通道和InfiniBand253

10.6.4 PCMCIA254

10.6.5 串列通信接口USB和IEEE 1394254

10.6.6 Pentium处理器外围接口（晶片组）介绍256

10.7 网路存储--SAN和NAS257

习题259

第11章 计算机系统和基于网际网路的套用262

11.1 作业系统262

11.1.1 管理计算机系统中的硬体资源262

11.1.2 支持应用程式和人机对话264

11.2 计算机网路264

11.2.1 网际网路(Internet)层次结构264

11.2.2 网路作业系统265

11.2.3 实现计算机网路的硬体与技术266

11.2.4 Internet的套用269

11.3 客户机/伺服器结构和浏览器/伺服器结构270

11.4 物联网272

11.5 数据中心273

11.6 云计算274

11.6.1 基本概念274

11.6.2 云种类276

11.6.3 云计算关键技术276

习题277

第12章 计算机系统硬体技术的发展及其实施基础279

12.1 计算机系统的性能评测279

12.2 微机和微处理器的普及和发展281

12.2.1 微机和微处理器281

12.2.2 嵌入式计算机和片上系统287

12.2.3 智慧卡和射频识别(RFID)标籤289

12.3 提高计算机系统性能的措施与实现291

12.3.1 伺服器的结构291

12.3.2 超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机293

12.3.3 向量处理机296

12.3.4 多处理机系统297

12.4 计算机硬体设计和实现导论301

12.4.1 计算机硬体的总体设计301

12.4.2 积体电路设计过程和VHDL304

12.4.3 电子设计自动化(EDA)308

习题312

习题答案314

参考文献3291.1 计算机的诞生和发展1

1.2 计算机的硬体3

1.3 计算机的软体6

1.4 计算机网路基础7

习题10

第2章 计算机的逻辑部件11

2.1 计算机中常用的组合逻辑电路11

2.1.1 三态电路11

2.1.2 异或门及其套用12

2.1.3 加法器13

2.1.4 解码器17

2.1.5 数据选择器17

2.2 时序逻辑电路18

2.2.1 触发器18

2.2.2 暂存器和移位暂存器20

2.2.3 计数器20

2.3 阵列逻辑电路21

2.3.1 唯读存储器(ROM)22

2.3.2 可程式序逻辑阵列(PLA)23

2.3.3 可程式序阵列逻辑(PAL)25

2.3.4 通用阵列逻辑(GAL)27

2.3.5 门阵列(GA)、宏单元阵列(MCA)和标準单元阵列(SCA)27

2.3.6 现场可程式序门阵列(FPGA)29

习题29

第3章 运算方法和运算部件31

3.1 数据的表示方法和转换31

3.1.1 数值型数据的表示和转换31

3.1.2 十进制数的编码与运算34

3.2 带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及加减法运算35

3.2.1 原码、补码、反码及其加减法运算35

3.2.2 加减法运算的溢出处理40

3.2.3 定点数和浮点数41

3.3 二进制乘法运算43

3.3.1 定点数一位乘法43

3.3.2 定点数二位乘法47

3.3.3 阵列乘法器49

3.4 二进制除法运算49

3.4.1 定点除法运算49

3.4.2 提高除法运算速度的方法举例51

3.5 浮点数的运算方法53

3.5.1 浮点数的加减法运算53

3.5.2 浮点数的乘除法运算55

3.6 运算部件58

3.7 数据校验码59

3.7.1 奇偶校验码60

3.7.2 海明校验码61

习题66

第4章 主存储器69

4.1 主存储器分类、技术指标和基本操作69

4.2 读/?写存储器70

4.3 非易失性半导体存储器78

4.4 存储器的组成与控制80

4.5 多体交叉存储器83

习题85

第5章 指令系统87

5.1 指令系统的发展87

5.2 指令格式88

5.2.1 指令格式88

5.2.2 指令操作码的扩展技术89

5.2.3 指令长度与数据字长的关係91

5.3 定址方式92

5.4 指令类型95

5.4.1 指令的分类及功能95

5.4.2 双字长运算(子程式举例)102

5.4.3 指令系统的兼容性102

5.5 精简指令系统计算机(RISC)和複杂指令系统计算机(CISC)103

5.5.1 CISC的特点103

5.5.2 RISC的产生与发展103

5.5.3 RISC的特点103

5.6 指令系统举例104

5.6.1 SPARC的指令系统104

5.6.2 Pentium微处理器指令系统107

5.7 机器语言、彙编语言和高级语言110

习题111

第6章 中央处理器113

6.1 控制器的组成113

6.1.1 控制器的功能113

6.1.2 控制器的组成114

6.1.3 指令执行过程（运算器与控制器配合）116

6.2 微程式控制计算机的基本工作原理120

6.2.1 微程式控制的基本概念120

6.2.2 实现微程式控制的基本原理120

6.3 微程式设计技术129

6.3.1 微指令控制栏位的编译法129

6.3.2 微程式流的控制131

6.3.3 微指令格式133

6.3.4 微程式控制存储器和动态微程式设计134

6.3.5 微程式设计语言137

6.4 硬布线控制的计算机138

6.4.1 时序与节拍138

6.4.2 操作控制信号的产生140

6.4.3 硬布线控制器的组成142

6.4.4 硬布线控制逻辑设计中的若干问题143

6.4.5 控制器的控制方式145

6.5 流水线工作原理146

6.6 CPU举例149

6.6.1 RISC的CPU149

6.6.2 Pentium微处理器157

6.7 计算机的供电158

习题160

第7章 存储系统164

7.1 存储系统的层次结构164

7.2 高速缓冲存储器(cache)165

7.2.1 cache工作原理165

7.2.2 cache组织166

7.2.3 多层次cache169

7.3 虚拟存储器170

7.3.1 主存-辅存层次信息传送单位和存储管理170

7.3.2 页式虚拟存储器171

7.3.3 段页式虚拟存储器173

7.3.4 虚拟存储器工作的全过程174

7.3.5 存储管理部件(MMU)176

7.4 相联存储器176

7.5 存储保护176

习题177

第8章 辅助存储器179

8.1 磁表面存储器的种类与技术指标179

8.2 磁记录原理与记录方式180

8.2.1 磁记录原理180

8.2.2 磁记录介质与磁头182

8.2.3 磁记录方式184

8.3 磁碟存储器188

8.3.1 磁碟存储器的种类及基本结构188

8.3.2 硬磁碟驱动器(HDD)及硬磁碟控制器(HDC)188

8.3.3 磁碟cache191

8.3.4 磁碟阵列存储器192

8.4 磁带存储器193

8.4.1 磁带机的结构193

8.4.2 循环冗余校验码(CRC)195

8.4.3 数据流磁带机的进展情况197

8.5 光碟存储器198

8.5.1 光碟存储器种类198

8.5.2 光碟存储器的组成和读写原理199

8.6 固态盘200

习题200

第9章 输入输出(I/O)设备202

9.1 外部设备概述202

9.2 输入设备202

9.2.1 键盘202

9.2.2 光笔、图形板和画笔(或游动标)输入204

9.2.3 滑鼠、跟蹤球和操作桿输入204

9.2.4 触控萤幕205

9.2.5 图像输入设备(摄像机、摄像头和数位相机)205

9.2.6 条形码206

9.2.7 光学字元识别(OCR)技术和语音文字输入系统206

9.3 输出设备--显示器208

9.3.1 显示技术中的有关术语208

9.3.2 显示设备种类210

9.3.3 图形和图像显示212

9.4 输出设备--印表机213

9.4.1 点阵针式印表机213

9.4.2 雷射印表机214

9.4.3 喷墨印表机216

9.4.4 热转印打字机218

9.4.5 印表机的发展趋势219

9.5 汉字处理技术219

9.5.1 汉字编码标準219

9.5.2 汉字的输入方法220

9.5.3 汉字的存储221

9.5.4 汉字的输出222

习题222

第10章 输入输出(I/?O)系统224

10.1 输入输出(I/O)系统概述224

10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能224

10.1.2 I/O设备数据传送控制方式225

10.2 程式中断输入输出方式226

10.2.1 中断的作用、产生和回响226

10.2.2 中断处理228

10.2.3 程式中断设备接口的组成和工作原理23

10.3 DMA输入输出方式232

10.3.1 DMA的3种工作方式233

10.3.2 DMA控制器组成233

10.3.3 DMA的数据传送过程234

10.4 I/O通道控制方式235

10.5 汇流排结构236

10.5.1 汇流排类型237

10.5.2 汇流排组成237

10.5.3 微机汇流排239

10.6 外设接口243

10.6.1 ATA (IDE）和SATA接口243

10.6.2 SCSI、SAS和iSCSI接口245

10.6.3 光纤通道和InfiniBand248

10.6.4 PCMCIA249

10.6.5 串列通信接口USB和IEEE 1394249

10.6.6 Pentium处理器外围接口（晶片组）介绍251

10.7 网路存储--SAN和NAS252

习题254

第11章 计算机系统和基于网际网路的套用257

11.1 作业系统257

11.1.1 管理计算机系统中的硬体资源257

11.1.2 支持应用程式和人机对话259

11.2 计算机网路259

11.2.1 网际网路(Internet)层次结构259

11.2.2 网路作业系统260

11.2.3 实现计算机网路的硬体与技术261

11.2.4 Internet的套用264

11.3 客户机/?伺服器结构和浏览器/?伺服器结构265

11.4 物联网267

11.5 数据中心268

11.6 云计算269

11.6.1 基本概念269

11.6.2 云种类270

11.6.3 云计算关键技术271

习题272

第12章 计算机系统硬体技术的发展及其实施基础274

12.1 计算机系统的性能评测274

12.2 微机和微处理器的普及和发展276

12.2.1 微机和微处理器276

12.2.2 嵌入式计算机和片上系统281

12.2.3 智慧卡和射频识别(RFID)标籤283

12.3 提高计算机系统性能的措施与实现286

12.3.1 伺服器的结构286

12.3.2 超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机287

12.3.3 向量处理机290

12.3.4 多处理机系统291

12.4 计算机硬体设计和实现导论295

12.4.1 计算机硬体的总体设计296

12.4.2 积体电路设计过程和VHDL298

12.4.3 电子设计自动化(EDA)301

习题304

习题答案306

参考文献321

本书的第1章对计算机系统进行了综述，第2章～第10章着重阐述构成一台计算机的基本原理。由于计算机技术发展很快，某些观点会随着计算机的发展而产生变化，因此希望读者着重于基本原理的理解。例如，对于计算机的各个功能部件，应着重了解它们在整机中的作用以及由此而分配给各部件所要完成的任务，从而正确设计或选用硬体，而不致被众多的、风格各异的计算机结构及组成所迷惑。根据摩尔定律，半导体晶片的集成度每隔18个月翻一番，计算机的功能和性能也随之提高，由此可理解计算机技术的发展是必然的。这就可以说明为什幺过去仅在大型机中才採用的流水线组织、并行处理、cache和虚拟存储器等技术可以移到微处理器晶片中去实现。随着网际网路(Internet)的发展，计算机和网路已融为一体，对计算机的结构影响很大；更由于作业系统与硬体、网路和套用关係密切，因此在第11章中介绍了作业系统和计算机网路的基本概念，为后续课程的学习起引导作用。

第12章讲述了计算机硬体技术的发展及其实施基础，强调了计算机向高性能和普及套用方向发展的实现与採取的技术措施。目前计算机的硬体设计已深入到微电子领域，作为计算机、自动化、微电子和电子类其他专业的学生，今后会有一部分人从事硬体设计工作。因此在本章中介绍一些基础知识。

本书的第1版经过当时的清华大学计算机系“计算机原理”教学小组讨论、参与和试用。后来因计算机科技的发展以及进一步提高教学质量等原因，对本书进行了多次重大的修改、调整和补充。在本书第4版中，第2章和第12章的部分内容（硬体描述语言）由王尔乾编写，蔡月茹提供了一部分习题和答案。在第5版中，第11章由杨蔚明编写，杨健、叶郁和杨蔚明提供了与当前计算技术和套用相关的资料。王爱英对全书进行了修改和整理。在此向所有为本书的出版付出劳动的老师和同事们表示感谢。

最后向使用本书作为教材的老师和同学们以及广大的读者表示感谢，正是依靠你们，本书的作用才得以发挥。编 者2012年5月