计算机组成原理教程（第10版）

　　计算机技术是人们倾注并还在投入更大心血的一个领域，因而使它成为竞争最为激烈的领域之一，呈现日异月殊的领域特征。所以，作为该领域的一本教材，不应当胶柱鼓瑟，而必须与时俱进，及时反映该领域的最新面貌。这也是作者在每版修订时注意到的一个重要方面。从第4版开始增加了未来计算机展望一章；在第6版的第2章中增加了SDRAM内部操作与性能参数一节；在第7版的第1章中增加了计算机性能评测和天梯图，并对第7章内容进行了部分更新等；第8版中把原来的I/O控制一章分为I/O接口与I/O过程控制、计算机输入输出设备两章；第9版对第1章的内容进行了调整，使其更容易梳理。第10版将第1章分为两章，使每章的内容更单一；同时，在新第5章中增加了ARM指令系统的介绍，在新第9章中增加了对量子计算机工作原理的简单介绍；此外，还调整了各章顺序，使本书更适合学习。
　　计算机作为人类历史上一种伟大的工具，是全世界智慧的结晶，其中包含了对中华民族历史和现代的巨大贡献。让读者了解这些事实，不仅是为了还原真实的历史，还在于这些事实折射出来的逻辑思维精华，有启迪思维、激励创新、增强自信的效能。这是编写本书一直坚持的一种思路。
　　计算机俗称电脑，顾名思义，就是一种模拟人脑的机器。模拟可以从两方面进行：结构模拟和功能模拟。现在要用计算机从结构模拟的角度模拟人脑还有许多问题没有解决，而只能从功能模拟的角度进行，即由一些功能部件来模拟人脑的功能。所以，“计算机组成原理”作为计算机科学与技术及其相关专业的一门必修核心课程，对于它的学习应当从建立计算机的组成部件与人的大脑功能之间的联系开始，然后再对它们的工作过程加以区别。这是作者提供给初学者的一点心得。
　　作为一本教材，不能仅限于知识的传授，更应关注对于读者的思想启迪，引导他们在学术上进行本质地、多角度地思考和理解问题的习惯，增强中华文化的自豪感和对未来的自信心。这是本书写作中的基本指导思想。同时，为使读者在学习中不断扩大视野，本书还利用现代媒体技术添加了十多个二维码链接。
　　在这次修订中，参考了其他一些著作和网络作品。尽管作者尽力将它们对本书的贡献在参考文献中一一列出，但由于有些资料（特别是网站资料）出处不明或是佚名作者，疏漏之处在所难免。在此，谨向为本书提供帮助的各位作者深表谢意，并向在参考文献中没有列出的文献作者表示歉意。
　　本书的修订仍不会画上句号。本人诚恳地希望阅读过本书的专家、老师和学生能无保留地提出宝贵意见，使本书修订得更好。
　　　                                                             张基温    
　　                                                              2023年4月

[键入文字]

·II·

本书是一本面向应用的计算机组成原理教程。全书共9章：第1章从计算和编码两方面介绍现代计算机的处理对象——二值符号；第2章引导读者建立计算机系统的整体框架；第3章介绍计算机的存储系统；第4章介绍I/O接口与I/O过程控制；第5章介绍计算机核心部件——控制器的工作原理和基本设计方法；第6章在架构层面介绍处理器中的并行技术；第7章介绍计算机输入输出设备；第8章介绍总线与主板；第9章从体系结构和元器件两方面介绍计算机的发展趋势。 　　本书结构清晰、概念严谨、取材新颖、深入浅出，从知识构建、启发思维、适合教学以及有机融入思政教育等的角度组织学习内容，同时不过多依赖先修课程。本书经过9次修订，更加适合教学，可供应用型本科计算机科学与技术专业、软件工程专业、信息安全专业、网络工程专业、信息管理与信息系统专业和其他相关专业使用，也可供有关工程技术人员和自学者参考。

第1章  二值计算与编码 1
1.1  二值符号体系的建立 1
1.1.1  八卦图与二值符号体系 1
1.1.2  八卦图奠定了现代计算科学的基础 2
1.2  二值算术计算 2
1.2.1  二进制数及其计算规则 2
1.2.2  数字的二进制与十进制相互转换 4
1.2.3  八进制、十六进制和二—十进制码 5
1.2.4  浮点数与定点数 6
1.2.5  原码、反码、补码和移码 8
1.3  二值逻辑运算 11
1.3.1  数字逻辑——布尔代数 11
1.3.2  加法器逻辑 14
1.4  非数值数据的0、1编码 16
1.4.1  声音的0、1编码 17
1.4.2  图形/图像的0、1编码 18
1.4.3  文字的0、1编码 20
1.4.4  指令的0、1编码 23
1.5  数据的抗干扰编码 24
1.5.1  奇偶检验码 24
1.5.2  汉明码 25
1.5.3  循环冗余检验码 25
习题 27
第2章  程序计算架构 30
2.1  程序计算架构的演进 30
2.1.1  算盘——最早的程序计算工具 30
2.1.2  从提花机到巴贝奇分析机——内程序计算架构的形成 32
2.1.3  冯·诺依曼模型的提出 35
2.2  冯·诺依曼体系计算机工作原理 36
2.2.1  计算机存储器 36
2.2.2  计算机控制器 39
2.2.3  计算机中的时序控制 42
2.2.4  总线 43
2.3  冯·诺依曼体系计算机改进 44
2.3.1  冯·诺依曼体系瓶颈 44
2.3.2  从以运算器为中心到以存储器为中心 45
2.3.3  并行与共享 46
2.4  操作系统——程序用于计算机运行管理 48
2.4.1  问题的提出 48
2.4.2  操作系统的功能结构 48
2.4.3  计算机系统结构 50
2.5  计算机性能评测 51
2.5.1  计算机的主要性能指标 51
2.5.2  计算机性能测试 56
2.5.3  CPU芯片性能及其天梯图 56
习题 62
第3章  存储系统 63
3.1  主存储器原理 63
3.1.1  只读存储器原理 63
3.1.2  随机存储器原理 65
3.2  主存储体组织 70
3.2.1  内存条 70
3.2.2  基本的存储体扩展方式 73
3.2.3  P-Bank和L-Bank 74
3.2.4  并行存储器 76
3.2.5  并行处理机的主存储器 78
3.2.6  存储器控制器 79
3.3  SDRAM内部操作与性能参数 79
3.3.1  SDRAM的主要引脚 79
3.3.2  SDRAM的读写时序 80
3.3.3  突发传输 82
3.3.4  数据掩码技术 83
3.3.5  DRAM刷新 84
3.3.6  预充电 87
3.3.7  芯片初始化 87
3.3.8  DDR SDRAM内存 89
3.4  磁盘存储器 92
3.4.1  磁表面存储原理 92
3.4.2  硬盘存储器的存储结构 95
3.4.3  硬盘格式化与分区 96
3.4.4  硬盘存储器系统组成 100
3.4.5  硬盘存储器的技术参数 101
3.4.6  磁盘阵列 103
3.5  光盘存储器 106
3.5.1  光盘的技术特点与类型 106
3.5.2  可擦写型光盘的读写原理 107
3.5.3  光盘规格 107
3.6  闪速存储器 110
3.6.1  闪速存储器的特点与原理 110
3.6.2  固态硬盘 112
3.7  存储体系 115
3.7.1  多级存储体系的建立 115
3.7.2  多级存储体系的性能参数 117
3.7.3  Cache-主存机制 118
3.7.4  虚拟存储器 123
习题 126
第4章  I/O接口与I/O过程控制 130
4.1  I/O接口概述 130
4.1.1  接口的功能 130
4.1.2  I/O接口的逻辑结构 133
4.1.3  I/O接口分类 134
4.2  I/O过程的程序直接控制 135
4.2.1  无条件I/O传送方式 135
4.2.2  程序查询控制I/O传送方式 136
4.3  I/O过程的程序中断控制 138
4.3.1  程序中断控制及其过程 138
4.3.2  中断源与中断请求 140
4.3.3  中断响应 143
4.3.4  中断控制器 145
4.3.5  多重中断 147
4.4  I/O数据传送的DMA控制 147
4.4.1  DMA的基本概念 147
4.4.2  DMA控制器与CPU共享存储器冲突的解决方案 148
4.4.3  DMA控制器 150
4.4.4  DMA传送过程 151
4.4.5  DMA方式与中断方式的比较 153
4.5  I/O过程的通道控制 153
4.5.1  通道控制及其特点 153
4.5.2  通道控制原理 155
4.5.3  通道类型 157
习题 158
第5章  指令系统与控制器组成 161
5.1  处理器的外特性——指令系统 161
5.1.1  指令 161
5.1.2  指令系统及其描述 162
5.1.3  RISC与CISC 164
5.2  CISC的成功案例：80x86 168
5.2.1  80x86技术概述 168
5.2.2  8086的寻址方式 169
5.2.3  8086指令简介 173
5.3  RISC的成功案例：ARM 180
5.3.1  ARM技术概述 180
5.3.2  ARM处理器的运行模式 181
5.3.3  ARM处理器的寄存器 181
5.3.4  ARM寻址方式 181
5.3.5  ARM指令的基本格式与数据类型 184
5.3.6  ARM指令简介 185
5.4  组合逻辑控制器设计 186
5.4.1  指令的微操作分析 187
5.4.2  指令的时序控制与时序部件 189
5.4.3  组合逻辑控制器设计举例 191
5.5  微程序控制器设计 193
5.5.1  微程序操作控制部件的组成 193
5.5.2  微程序操作控制部件设计举例 195
习题 197
第6章  处理器的并行架构 200
6.1  流水线技术 200
6.1.1  指令流水线 200
6.1.2  运算流水线 202
6.1.3  流水线中的相关冲突 203
6.1.4  流水线中的多发射技术 205
6.1.5  Pentium CPU 206
6.1.6  向量处理机 209
6.2  多处理器系统 214
6.2.1  多计算机系统与多处理器系统 214
6.2.2  SMP系统架构 215
6.2.3  多处理器操作系统 217
6.3  多线程处理器 218
6.3.1  多线程处理器架构的提出 218
6.3.2  同时多线程技术 220
6.3.3  超线程处理器 222
6.4  多核处理器 225
6.4.1  多核处理器及其特点 225
6.4.2  多核 多线程——?芯片多线程技术 227
6.5  关于处理器并行性开发的讨论 227
6.5.1  并行性及其级别 227
6.5.2  基于并行性的处理器体系Flynn分类 229
6.5.3  处理器并行性开发的基本思路与途径 231
习题 232
第7章  计算机输入输出设备 234
7.1  计算机输入输出设备概述 234
7.1.1  计算机人机界面技术的进步 234
7.1.2  I/O设备的分类 235
7.1.3  绿色计算机设备 237
7.2  键盘与鼠标 237
7.2.1  物理键盘及其原理 238
7.2.2  键盘布局类型 238
7.2.3  软键盘 240
7.2.4  虚拟激光键盘 240
7.2.5  鼠标 241
7.3  打印设备 241
7.3.1  打印设备及其分类 241
7.3.2  打印机的基本性能指标 242
7.3.3  喷墨打印机 244
7.3.4  激光打印机 245
7.3.5  3D打印机 247
7.4  显示器 250
7.4.1  平板显示器的基本原理 250
7.4.2  图像显示关键技术 253
7.4.3  平板显示器的技术指标 254
7.4.4  触摸屏 256
7.5  虚拟现实、增强现实与现实虚拟 258
7.5.1  虚拟现实 258
7.5.2  增强现实 261
7.5.3  现实虚拟、混合现实与介导现实 263
7.6  I/O设备适配器与驱动程序 264
7.6.1  显示适配器 265
7.6.2  声卡 267
7.6.3  网络适配器 270
7.6.4  设备驱动程序 272
7.6.5  ROM-BIOS 275
习题 277
第8章  总线与主板 278
8.1  总线概述 278
8.1.1  总线及其规范 278
8.1.2  总线的性能指标 279
8.1.3  总线分类 281
8.2  总线的工作原理 283
8.2.1  总线的组成与基本传输过程 283
8.2.2  总线的争用与仲裁 285
8.2.3  总线通信中主从之间的时序控制 287
8.3  几种标准系统总线分析 291
8.3.1  ISA总线 291
8.3.2  PCI总线 293
8.3.3  AGP总线 296
8.3.4  PCI Express总线 297
8.4  几种标准I/O总线分析 299
8.4.1  ATA与SATA总线 299
8.4.2  SCSI与SAS总线 301
8.4.3  USB 303
8.4.4  FC总线 306
8.5  微型计算机主板 306
8.5.1  主板的概念 306
8.5.2  主板的组成 307
8.5.3  主板架构及其进展 312
8.5.4  主板选择参数 316
8.5.5  主板整合技术 317
8.5.6  智慧型主板 318
习题 320
第9章  未来计算机展望 322
9.1  人工智能与智能计算机 322
9.1.1  人工智能及其定义 322
9.1.2  人工智能研究学派与关注的内容 324
9.1.3  智能计算机 329
9.2  量子计算机 332
9.2.1  量子计算机的基本原理 332
9.2.2  量子位 334
9.2.3  量子位门与量子线路图 336
9.2.4  量子算法 338
9.2.5  量子编程语言 339
9.3  未来计算机的其他探索 339
9.3.1  数据流计算机、归约机和拟态计算机 339
9.3.2  摩尔定律与未来计算机元器件开发 340
习题 342
参考文献 343

IV
计算机组成原理教程（第10版）

V
目    录

本书是一本面向应用的计算机组成原理教程。全书共9章：第1章从计算和编码两方面介绍现代计算机的处理对象——二值符号；第2章引导读者建立计算机系统的整体框架；第3章介绍计算机的存储系统；第4章介绍I/O接口与I/O过程控制；第5章介绍计算机核心部件——控制器的工作原理和基本设计方法；第6章在架构层面介绍处理器中的并行技术；第7章介绍计算机输入输出设备；第8章介绍总线与主板；第9章从体系结构和元器件两方面介绍计算机的发展趋势。 　　本书结构清晰、概念严谨、取材新颖、深入浅出，从知识构建、启发思维、适合教学以及有机融入思政教育等的角度组织学习内容，同时不过多依赖先修课程。本书经过9次修订，更加适合教学，可供应用型本科计算机科学与技术专业、软件工程专业、信息安全专业、网络工程专业、信息管理与信息系统专业和其他相关专业使用，也可供有关工程技术人员和自学者参考。

本书是一本面向应用的计算机组成原理教材。经过9次修订，与时俱进，能及时反映计算机技术领域的最新面貌。作为一本教材，本书不仅限于知识的传授，更关注对学习者思想的启迪，引导他们从本质多角度思考和理解。为鼓励学习者在学习中不断扩大视野，本书利用现代媒体技术制作了十多个二维码链接。