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，构成整个计算机系统的中央处理器(CPU)、存储器系统、输入输出(I/O)系统以及计算机网路等。并注意与当代先进的计算机技术相结合，例如在书中讨论了流水线组织、多级cache\,系统汇流排和外设接口的最新进展等。第11章全面讨论了各种类型的计算机，诸如微机、便携机、PDA、工作站/伺服器、多媒体、并行多处理机等。第12章简单介绍了计算机的硬体设计方法。

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”课程的教科书，也可供从事计算机事业的工程技术人员参考。

第1章计算机系统概论1

1.1计算机的语言1

1.2计算机的硬体3

1.3计算机系统的层次结构4

1.4电子计算机的发展简史6

1.5计算机的套用12

1.6计算机网路14

1.6.1计算机网路基础知识14

1.6.2区域网路15

1.6.3广域网和网路协定(ISO/OSI基本参考模型、TCP/IP协定）16

1.6.4网路互连设备21

习题22

第2章计算机的逻辑部件24

2.1计算机中常用的组合逻辑电路24

2.1.1三态电路24

2.1.2异或门及其套用26

2.1.3加法器28

2.1.4算术逻辑单元30

2.1.5解码器34

2.1.6数据选择器35

2.2时序逻辑电路36

2.2.1触发器36

2.2.2暂存器和移位暂存器39

2.2.3计数器41

2.3阵列逻辑电路43

2.3.1只读存储器(ROM)43

2.3.2可程式序逻辑阵列(PLA)45

2.3.3可程式序阵列逻辑(PAL)50

2.3.4通用阵列逻辑(GAL)51

2.3.5门阵列(GA)、宏单元阵列(MCA)、标準单元阵列(SCA)52

2.3.6可程式序门阵列(PGA)61

习题66

第3章运算方法和运算部件68

3.1数据的表示方法和转换68

3.1.1数值型数据的表示和转换68

3.1.2十进制数的编码与运算71

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73

3.2.1原码、补码、反码及其加减法运算73

3.2.2加减法运算的溢出处理78

3.2.3定点数和浮点数79

3.3二进制乘法运算81

3.3.1定点数一位乘法81

3.3.2定点数二位乘法87

3.3.3阵列乘法器91

3.4二进制除法运算91

3.4.1定点除法运算91

3.4.2提高除法运算速度的方法举例96

3.5浮点数的运算方法98

3.5.1浮点数的加减法运算98

3.5.2浮点数的乘除法运算100

3.6运算部件103

3.7数据校验码105

3.7.1奇偶校验码105

3.7.2海明校验码106

3.7.3循环冗余校验(CRC)码109

习题112

第4章主存储器115

4.1主存储器处于全机中心地位115

4.2主存储器分类115

4.3主存储器的主要技术指标116

4.4主存储器的基本操作116

4.5读/写存储器117

4.6非易失性半导体存储器125

4.7DRAM的研製与发展127

4.8半导体存储器的组成与控制129

4.9多体交叉存储器134

4.9.1编址方式134

4.9.2重叠与交叉存取控制135

习题136

第5章指令系统138

5.1指令系统的发展138

5.2指令格式139

5.2.1指令格式139

5.2.2指令操作码的扩展技术141

5.2.3指令长度与字长的关係143

5.3数据表示143

5.4定址方式(编址方式)145

5.5指令类型148

5.5.1指令的分类及功能149

5.5.2双字长运算(子程式举例)156

5.6指令系统的兼容性157

5.7精简指令系统计算机(RISC)和複杂指令系统计算机(CISC)158

5.7.1什幺是複杂指令系统计算机158

5.7.2RISC的产生与发展158

5.7.3RISC的特点159

5.8指令系统举例160

5.8.1SPARC的指令系统160

5.8.2Pentium微处理器指令系统163

5.8.3IBM大型机指令系统165

5.8.4向量指令举例166

5.9机器语言、彙编语言和高级语言168

习题169

第6章中央处理器171

6.1计算机的硬体系统172

6.2控制器的组成176

6.2.1控制器的功能176

6.2.2控制器的组成177

6.2.3指令执行过程178

6.3微程式控制计算机的基本工作原理182

6.3.1微程式控制的基本概念182

6.3.2实现微程式控制的基本原理183

6.4微程式设计技术192

6.4.1微指令的编译法(编码解码方法)192

6.4.2微程式流的控制194

6.4.3微指令格式200

6.4.4微程式控制存储器和动态微程式设计201

6.4.5微程式设计语言204

6.5硬布线控制的计算机206

6.5.1时序与节拍206

6.5.2操作控制信号的产生208

6.5.3控制器的组成210

6.5.4硬布线控制逻辑设计中的若干问题212

6.5.5硬布线控制与微程式控制的比较214

6.6控制器的控制方式215

6.7流水线工作原理216

6.8CPU举例220

6.8.1RISC的CPU220

6.8.2RISC的编译系统229

6.8.3Pentium微处理器231

6.9计算机的加电及控制过程232

习题234

第7章存储系统239

7.1存储系统的层次结构239

7.2高速缓冲存储器(cache)240

7.2.1cache存储器工作原理240

7.2.2cache存储器组织242

7.2.3cache存储器举例245

7.2.4多层次cache存储器248

7.3虚拟存储器250

7.3.1虚拟存储器概述250

7.3.2页式虚拟存储器251

7.3.3段页式虚拟存储器253

7.3.4虚拟存储器工作的全过程254

7.3.5Pentium处理机的虚拟存储器256

7.3.6存储管理部件(MMU)256

7.4相联存储器257

7.5存储保护258

习题259

第8章辅助存储器262

8.1辅助存储器的种类与技术指标262

8.2磁记录原理与记录方式264

8.2.1磁记录原理264

8.2.2磁记录介质与磁头265

8.2.3磁记录方式268

8.3硬磁碟存储器273

8.3.1硬磁碟存储器的种类及基本结构273

8.3.2硬磁碟驱动器(HDD)及硬磁碟控制器(HDC)274

8.3.3磁碟cache278

8.3.4磁碟阵列存储器278

8.3.5硬磁碟驱动器的发展动向280

8.4软磁碟存储器281

8.4.1概述281

8.4.2软磁碟的记录格式281

8.4.3软磁碟驱动器和控制器283

8.4.4软磁碟驱动器发展动向283

8.5磁带存储器284

8.5.1磁带机的结构284

8.5.2磁带的记录格式286

8.5.3循环冗余校验码(CRC)288

8.5.4磁带机的发展动向290

8.6光碟存储器291

8.6.1光碟存储器种类291

8.6.2光碟的读写原理293

8.6.3光碟存储器的组成294

8.7硬碟、软碟、磁带和光碟存储器的综合比较295

8.8固态盘296

习题297

第9章输入输出(I/O)设备299

9.1外部设备概述299

9.2输入设备300

9.2.1键盘300

9.2.2光笔、图形板和画笔(或游动标)输入301

9.2.3滑鼠、跟蹤球和操作桿输入302

9.2.4触控萤幕303

9.2.5图像输入设备(摄像机和数位照相机)304

9.2.6条形码及其技术305

9.2.7光学字元识别(OCR)技术和语音文字输入系统306

9.3输出设备——显示器310

9.3.1显示技术中的有关术语310

9.3.2显示设备种类312

9.3.3字元显示器315

9.3.4图形和图像显示317

9.4输出设备——印表机318

9.4.1点阵针式印表机318

9.4.2雷射印表机319

9.4.3喷墨印表机322

9.4.4热转印打字机325

9.4.5印表机的发展趋势326

9.5汉字处理技术327

9.5.1汉字编码标準327

9.5.2汉字的输入方法328

9.5.3汉字的存储329

9.5.4汉字的输出330

习题330

第10章输入输出(I/O)系统332

10.1输入输出(I/O)系统概述332

10.1.1输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能332

10.1.2I/O设备数据传送控制方式333

10.2程式中断输入输出方式335

10.2.1中断的作用、产生和回响335

10.2.2中断处理337

10.2.3程式中断设备接口的组成和工作原理341

10.3DMA输入输出方式344

10.3.1DMA三种工作方式344

10.3.2DMA控制器组成344

10.3.3DMA的数据传送过程346

10.4通道控制方式和外围处理机方式347

10.4.1I/O通道的种类348

10.4.2I/O处理机(IOP)和外围处理机349

10.5汇流排结构350

10.5.1汇流排类型350

10.5.2汇流排组成351

10.5.3微机汇流排353

10.6外设接口357

10.6.1ATA(IDE)和SATA接口357

10.6.2SCSI、SAS和iSCSI接口359

10.6.3光纤通道FC和InfiniBand363

10.6.4PCMCIA364

10.6.5串列通信接口RS232、USB和IEEE　1394364

10.6.6Pentium处理器外围接口（晶片组）介绍366

10.6.7网路存储——SAN和NAS367

习题369

第11章计算机系统372

11.1计算机系统概述372

11.1.1计算机系统的分类372

11.1.2提高计算机系统运算速度的方法373

11.1.3开放系统373

11.1.4计算机系统的性能评测374

11.2微机系统376

11.2.1微处理器及个人计算机(PC)376

11.2.2台式机、笔记本式计算机、PDA和智慧型手机378

11.2.3商用计算机和家用计算机382

11.2.4嵌入式计算机和片上系统383

11.2.5智慧卡和电子标籤385

11.3工作站和伺服器388

11.3.1工作站388

11.3.2伺服器388

11.3.3瘦客户机390

11.4多媒体计算机390

11.4.1概述390

11.4.2多媒体计算机系统的组成391

11.4.3多媒体计算机系统的关键技术392

11.4.4多媒体计算机的用途与实例393

11.5超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机393

11.5.1超级标量、超级流水线和超长指令字处理机特点393

11.5.2超级标量处理器举例——Ultra SPARC Ⅳ+处理器395

11.6向量处理机396

11.7阵列处理机和多处理机系统398

11.7.1SIMD并行处理机系统(阵列处理机系统)398

11.7.2多处理机系统399

11.7.3SGI Origin多处理机体系结构402

11.7.4高性能计算和格线计算406

习题408

第12章计算机硬体设计和实现导论409

12.1计算机硬体的总体设计409

12.1.1计算机硬体设计过程409

12.1.2指令系统的模拟与仿真413

12.1.3微程式设计自动化414

12.1.4引进、消化、吸收、创新415

12.2积体电路设计概述415

12.2.1积体电路的设计过程416

12.2.2硬体描述语言(VHDL)418

12.3电子设计自动化EDA428

12.3.1面向SoC的系统级设计428

12.3.2积体电路物理设计430

习题432

习题答案434

参考文献450