大学计算机组成原理教程（第3版）——计算思维与系统能力培养相融合

前  言
本书自2012年7月出版以来，受到了广大读者，特别是高校教师和学生的广泛好评。国内几十所高校将其选为计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、信息安全、网络工程、教育技术、信息管理与信息系统等专业必修课教材，产生了非常好的社会影响，因此入选“工业和信息化部‘十二五’规划教材”。
“计算机组成原理”课程的教学内容主要包括：计算机的发展历程，计算机的基本组成与工作原理，计算机的分类与性能评价，多核处理器；信息在计算机中的表示与运算方法，计算机指令与指令集，CISC与RISC，处理器的基本组成，控制器的组成与工作原理，存储器与存储系统，总线系统，汇编语言程序设计，输入/输出系统，CPU和主存储器的内部组成和工作原理，辅助存储器，计算机的外部设备（如键盘、鼠标、显示器、硬盘、光盘）、输入/输出接口等。
通过本书的学习，读者不仅可以了解和掌握计算机的工作原理以及汇编语言程序设计的基本方法，更重要的是，通过了解计算机科学与技术两方面的发展过程和内在规律，提升解决问题的能力，培养计算思维、系统思维和创新意识。
本书内容新颖、全面，实用性强，特点如下。
（1）内容全面，深度适宜，与技术发展保持同步
本书内容包括：计算机的发展历程，计算机的基本结构，计算机中信息的表示与运算，处理器，控制器，总线技术，存储系统，8086/8088汇编语言程序设计，计算机外部设备，输入 /输出接口。本书涵盖计算机组成原理与汇编语言程序设计的全部内容，其中Unicode字符集、多核处理器和铁电存储器等都属于前沿的计算机技术。
（2）提高解决问题能力，培养工程素养、计算思维和创新意识
本书对计算机的结构与组成技术进行了深入分析，引出“计算思维是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的核心是抽象和自动化”的概念和“计算思维就在我们身边”的结论，从而帮助学生克服计算机的神秘感，透过现象看本质，把握计算机技术发展的规律，提高解决问题的能力，培养工程素养、计算思维和创新意识。
（3）论述流畅，形式灵活，深入浅出
本书倾注了作者多年的教学经验，逐句逐字亲自撰写、反复修改而成。内容的展开符合学生的认知习惯，行文通俗易懂，技术主线明确，课程要求的核心内容、主要内容以正文的形式出现，一些非核心内容以课后习题的形式出现，让学生“做中学”。?
（4）习题丰富，形式多样
每章提供丰富的习题，题型有简答题、填空题、选择题、设计题，还提供了学习型习题。读者可通过阅读习题掌握新的知识，并应用这些知识独立解决问题。
（5）内容实用性强
本书例题涵盖2009年到2013年计算机专业硕士研究生入学全国统一考试全部试题。读者不仅可以从本书中得到对这些试题的详尽解答，还可以根据不同章节试题或例题的多少来了解考试的重点和难点。
本书由李东和柏军主编并负责统稿，张策、程丹松、张英涛为副主编。其中，第1～3章和附录由李东编写，第4章由程丹松编写，第5章、第6章和第9章由柏军编写，第7章由张策编写，第8章由张英涛编写，何辉和石代锋参与了部分章节的编写。哈尔滨工业大学的史先俊、刘松波、宋颖慧、徐冰、黄庆成、王伟、吴锐、张宇、孙春奇、舒燕君等为例题和习题的编写提供了协助。吉帅、聂建宏、王文邦、郑钰、范晟铭、潘辉等协助完成了书中图、表的绘制以及书稿的校对工作。
东北林业大学的赵更寅老师为本书的再版提供了改进意见，在此深表感谢！
本书在编写过程中得到了哈尔滨工业大学软件学院和计算机学院的领导、同事的大力帮助和积极鼓励。哈尔滨工业大学计算机学院刘宏伟教授、哈尔滨工业大学（威海）计算机学院季振洲和李斌教授对本书的编写给予了大力支持，在此深表感谢！
本书的授课学时建议为48学时，为任课老师免费提供教学课件，免费下载地址为http://www.hxedu.com.cn。
由于编者水平有限，书中疏漏和错误在所难免，恳请读者批评指正。读者有反馈意见或同行教师希望交流教学心得与体会，欢迎联系：Lee@hit.edu.cn。

作  者

本书是工业和信息化部“十二五”规划教材，是*优秀教学团队的教学成果，全书共9章，内容包括：绪论、计算机中信息的表示与运算、处理器、控制器、总线技术、存储系统、8086/8088汇编语言程序设计、计算机外部设备、输入/输出接口。图灵机模型、数制及其转换、相联存储器等内容以附录形式给出，涵盖计算机组成与汇编程序设计的主要内容。本书的内容深度适宜，与技术发展保持同步；行文流畅，深入浅出，文理兼容；例题涵盖2009年到2013年计算机专业硕士研究生入学全国统一考试全部试题的详尽解答，实用性强。本书为任课老师免费提供教学课件等资源。本书可作为高等学校计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、信息与计算科学等理工科专业的“计算机组成原理”“微机原理”“计算机组成原理与汇编语言程序设计”等课程的教材，也可供准备参加计算机专业硕士研究生入学全国统一考试的考生和计算机/软件相关行业的工程技术人员以及其他自学者学习参考。

本书是工业和信息化部“十二五”规划教材，是*优秀教学团队的教学成果，全书共9章，内容包括：绪论、计算机中信息的表示与运算、处理器、控制器、总线技术、存储系统、8086/8088汇编语言程序设计、计算机外部设备、输入/输出接口。图灵机模型、数制及其转换、相联存储器等内容以附录形式给出，涵盖计算机组成与汇编程序设计的主要内容。本书的内容深度适宜，与技术发展保持同步；行文流畅，深入浅出，文理兼容；例题涵盖2009年到2013年计算机专业硕士研究生入学全国统一考试全部试题的详尽解答，实用性强。本书为任课老师免费提供教学课件等资源。本书可作为高等学校计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、信息与计算科学等理工科专业的“计算机组成原理”“微机原理”“计算机组成原理与汇编语言程序设计”等课程的教材，也可供准备参加计算机专业硕士研究生入学全国统一考试的考生和计算机/软件相关行业的工程技术人员以及其他自学者学习参考。

李东，博士，教授，主要研究方向：网络信息安全技术，并行计算，计算机系统结构，计算机图形学等。参加过多项国防科工委重点预研、国家863科研项目。在国内重要期刊和国际国内会议上发表论文20余篇。

第1章 绪论 1 
1.1 计算机的发展历程 1 
1.2 冯·诺依曼计算机模型 5 
1.3 计算机的组成结构 7 
1.3.1 计算机的基本组成 7 
1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 10 
1.3.3 计算机系统的层次结构 13 
1.4 计算机系统的分类 15 
1.4.1 综述 15 
1.4.2 弗林分类法 16 
1.5 计算机的性能评价指标 18 
1.6　微处理器与微型计算机 23 
1.6.1 微处理器与微型计算机的产生与发展 23 
1.6.2 多核微处理器 25 
1.7 中国计算机事业的发展历程 28 
1.8 计算机的特点及应用 31 
1.8.1 计算机的特点 31 
1.8.2 计算机的应用 32 
1.9 计算机的发展 35 
1.9.1 计算机发展的动力 35 
1.9.2 计算机的发展趋势 37 
习题1 39 
第2章 计算机中信息的表示与运算 45 
2.1 数据的表示 45 
2.1.1 定点数的表示 45 
2.1.2 浮点数的表示 49 
2.2 定点数的运算 54 
2.2.1 逻辑运算 54 
2.2.2 移位运算 55 
2.2.3 加法与减法运算 57 
2.2.4 乘法运算 60 
2.2.5 除法运算 67 
2.2.6 算术逻辑单元 70 
2.3 浮点数的运算 75 
2.3.1 浮点数加、减运算 75 
2.3.2 浮点数乘、除运算 77 
2.4 面向错误检测与纠错的数据编码 78 
2.5 字符与字符串 83 
2.6 面向存储与传输的数据编码 87 
习题2 90 
第3章 处理器 93 
3.1 处理器的指令集 93 
3.1.1 指令集概述 93 
3.1.2 指令的操作码与操作数 94 
3.1.3 寻址方式 95 
3.1.4 指令的基本功能与指令集设计 100 
3.1.5 指令的格式 104 
3.1.6 面向多媒体处理的增强指令 107 
3.2 处理器的组成与工作过程 109 
3.2.1 处理器的基本功能和基本组成 109 
3.2.2 计算机的工作过程 112 
3.2.3 采用流水线技术的处理器 113 
3.3 CISC和RISC 120 
3.3.1 RISC产生的背景 120 
3.3.2 RISC的定义 122 
3.3.3 指令级并行技术 123 
3.4 Intel 80X86系列微处理器 131 
3.4.1 Intel 8086/8088 微处理器 131 
3.4.2 Intel 80286、80386和80486微处理器 139 
3.4.3 Intel Pentium系列微处理器 141 
3.5 ARM系列微处理器 145 
3.5.1 ARM微处理器概述 145 
3.5.2 ARM微处理器的模式、工作状态和寄存器组成 146 
3.5.3 ARM微处理器的存储器组成和寻址方式 149 
3.5.4 ARM微处理器的指令集 151 
习题3 157 
第4章 控制器 160 
4.1 控制器概述 160 
4.2 硬布线控制器 166 
4.3 微程序控制器 168 
习题4 173 
第5章　总线技术 175 
5.1 总线概述 175 
5.2 总线的设计与实现 178 
5.3 总线控制 181 
5.3.1 总线仲裁 181 
5.3.2 总线通信控制 185 
5.4 总线的性能指标 189 
5.5 总线标准 191 
5.5.1 微型计算机系统总线标准 191 
5.5.2 微型计算机局部总线标准 194 
5.5.3 I/O总线标准举例 195 
习题5 198 
第6章 存储系统 199 
6.1 存储器的分类与性能评价 199 
6.1.1 存储器的分类 199 
6.1.2 存储器的性能评价 200 
6.2 存储器访问的局部性原理与层次结构的存储系统 200 
6.2.1 存储器访问的局部性原理 200 
6.2.2 层次结构的存储系统 201 
6.3 半导体存储器 203 
6.3.1 随机访问半导体存储器RAM 203 
6.3.2 只读存储器ROM 209 
6.4 主存储器 213 
6.4.1 主存储器组成 213 
6.4.2 提高主存储器访问带宽的方法 216 
6.4.3 奔腾微机主存储器 219 
6.4.4 存储芯片的发展 220 
6.5 高速缓冲存储器Cache 223 
6.5.1 Cache的工作原理 223 
6.5.2 地址映像与变换 226 
6.5.3 替换算法 233 
6.5.4 写入策略 235 
6.5.5 两级Cache与分裂型Cache 236 
6.5.6 Cache的性能评价 236 
6.6 虚拟存储器 239 
6.6.1　多道程序下的内存管理 240 
6.6.2 段式存储管理 242 
6.6.3 页式存储管理 243 
6.6.4 页式虚拟存储器 244 
习题6 252 
第7章 8086/8088汇编语言程序设计 255 
7.1 引言 255 
7.2 顺序程序设计 260 
7.3 分支结构程序设计 271 
7.4 循环结构程序设计 274 
7.5 字符串操作程序设计 281 
7.6 宏、条件汇编与重复汇编 285 
7.7 子程序设计 291 
7.8 8086/8088微处理器的其他指令与应用 298 
习题7 302 
第8章 计算机外部设备 305 
8.1 输入设备 305 
8.1.1 键盘 305 
8.1.2 鼠标 307 
8.2 输出设备 309 
8.2.1 阴极射线管显示器 309 
8.2.2 平板显示器 313 
8.2.3 打印机 315 
8.3 辅存设备 317 
8.3.1 硬盘 317 
8.3.2 光盘 320 
8.3.3 U盘和固态硬盘 321 
习题8 322 
第9章 输入/输出接口 324 
9.1 I/O技术的发展 324 
9.2 I/O接口的组成与工作原理 326 
9.3 中断系统 330 
9.3.1 中断的处理过程 330 
9.3.2 中断屏蔽 334 
9.3.3　中断控制器8259A 336 
9.3.4 8086/8088微处理器的中断系统 338 
9.4 DMA技术 339 
9.5 通道技术 343 
习题9 344 
附录A 图灵机模型 346 
附录B 历年图灵奖获得者 347 
附录C 数制及其转换 349 
附录D EBCDIC码 352 
附录E 8086/8088指令格式 354 
附录F 相联存储器 356 
参考文献 358

本书是工业和信息化部“十二五”规划教材，是*优秀教学团队的教学成果，全书共9章，内容包括：绪论、计算机中信息的表示与运算、处理器、控制器、总线技术、存储系统、8086/8088汇编语言程序设计、计算机外部设备、输入/输出接口。图灵机模型、数制及其转换、相联存储器等内容以附录形式给出，涵盖计算机组成与汇编程序设计的主要内容。本书的内容深度适宜，与技术发展保持同步；行文流畅，深入浅出，文理兼容；例题涵盖2009年到2013年计算机专业硕士研究生入学全国统一考试全部试题的详尽解答，实用性强。本书为任课老师免费提供教学课件等资源。本书可作为高等学校计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、信息与计算科学等理工科专业的“计算机组成原理”“微机原理”“计算机组成原理与汇编语言程序设计”等课程的教材，也可供准备参加计算机专业硕士研究生入学全国统一考试的考生和计算机/软件相关行业的工程技术人员以及其他自学者学习参考。

李东，博士，教授，主要研究方向：网络信息安全技术，并行计算，计算机系统结构，计算机图形学等。参加过多项国防科工委重点预研、国家863科研项目。在国内重要期刊和国际国内会议上发表论文20余篇。