本书共分7章。第1章帮助读者快速、轻松并深刻地建立计算机系统的整体概念并了解现代计算机硬件的测试技术与工具；第2章介绍计算机的存储体系，并着重介绍DRAM的内部操作对性能参数的影响；第3章介绍计算机总线系统和主板的有关知识；第4章介绍计算机的输入输出及其控制技术；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章从架构层面介绍处理器中的并行技术；第7章介绍人们在非冯·诺依曼体系结构和非硅晶体元器件两个方面的探索。
第7版前言
（一）
计算机技术是人类倾注了心血并还在投入更大心血的一个领域，也使它成为竞争最为激烈的领域之一，呈现出日新月异的特征。作为这个领域的一门教材，不应当胶柱鼓瑟，而必须与时俱进，这是笔者在每一版修订时都思考的一个重要方面。本书从第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DRAM内部操作与性能参数一节，本次修订中对第7章的内容进行了部分更新等，都是基于这一考虑的。
目前，国内已经有一些计算机组成原理的教材，但是多数是面向计算机设计的。本书则想写成一本面向应用的教材，目的是让读者能从应用的角度来了解计算机的组成及其工作原理。为此，本书从第5版起增加了对计算机性能有重要影响的总线与主板一章，在本次修订中则在第1章增加了计算机性能测试工具和天梯图的内容。
（二）
计算机作为人类历史上最伟大的工具之一，是全人类智慧的结晶，其中包含了中华民族历史上和现代的巨大贡献。让读者了解这些事实，不仅是为了还原历史的真实，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、增强自信之效能。这是我写这本书时一直坚持的一个原则。
本书作为一本教材，希望能做到好教又好学。为此，本次修订除在文字上进行了一些修改外，还从结构上进行了一些调整。
（三）
计算机俗称电脑，顾名思义，它就是一种模拟人脑的机器。模拟可以从两个方面进行:结构模拟和功能模拟。现在要用计算机从结构的角度模拟人脑还有许多问题没有解决，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。因此，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，然后再对这两者的工作过程加以区别。这是我要与初学者共享的一点心得。
（四）
在本次修订中，作者参考了其他一些著作和网络作品。尽管本人尽力将它们对本书的贡献通过参考文献来表明，但由于有些内容（特别是网站内容）出处不明或作者难以查考，因而疏漏之处在所难免。在此，谨向为本书提供了帮助的各位深表谢意，并向由于上述原因未能列入参考文献的文章作者表示歉意。同时，还要感谢在本次修订中参加了部分写作工作的赵忠孝、姚威、张展为、史林娟、戴璐、张友明、张秋菊、陈觉、董兆军。
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批评意见和建议，帮助本人把这本书修订得更好。
张基温2017年4月
张基温，研究和教学领域涉及计算机科学与技术、信息管理、信息经济学、电子政务与电子商务、服务科学、新媒体。先后担任名古屋大学访问学者，山西财经大学、江南大学、华东政法大学、常熟理工学院、福建工程学院、广西职业技术学院、晋城学院等多所大学的专职、客座或兼职教授，北京大学博雅方略城市发展与信息化研究中心研究员，南京大学出版社总编顾问，太原高新技术区IT研究院实验室主任，山西省紧缺人才专家委员会副主任，中国信息经济学会常务理事，全国高等院校计算机基础教育研究会常务理事兼课程建设委员会副主任，中国计算机学会教育专业委员会委员，国家NIT考试委员会委员，江苏省计算机基础教学指导委员会委员，山西省新世纪专家学者协会副会长。为清华大学出版社、电子工业出版社、中国水利水电出版社、南京大学出版社、中国铁道出版社等主编了信息管理与信息系统专业、计算机实验与实践、大学生信息素养等多个系列教材。已发表学术论文百余篇，出版著作百余种
目录
第1章计算机系统概述1
1.1计算工具的进步轨迹1
1.1.1神奇的算盘和算筹——软件与硬件的起源1
1.1.2提花机的启示与巴贝奇分析机——内程序计算机的最早实践5
1.1.3帕斯卡加法器——内动力计算机的尝试7
1.1.4从八卦图到布尔代数——电子数字计算机的理论基础11
1.1.5诺依曼电子数字计算机体系的确立19
1.1.6操作系统——计算机的自我管理22
1.1.7现代计算机系统结构25
1.1.8自动计算机理论的再讨论27
1.20、1编码27
1.2.1数字系统中的信息单位与量级27
1.2.2十进制数与二进制数的转换28
1.2.3八进制、十六进制和BCD码30
1.2.4原码、反码、补码和移码31
1.2.5浮点数与定点数34
1.2.6声音的0、1编码36
1.2.7图形图像的0、1编码37
1.2.8文字的0、1编码39
1.2.9指令的0、1编码与计算机程序设计语言43
1.2.10数据传输中的差错检验44
1.3电子数字计算机的基本原理48
1.3.1电子数字计算机的运算器48
1.3.2计算机存储器50
1.3.3计算机控制器54
1.3.4总线56
1.3.5计算机中的时序控制57
1.4冯·诺依曼计算机体系的改进59
1.4.1冯·诺依曼瓶颈59
1.4.2并行与共享60
1.4.3哈佛结构63
1.4.4拟态计算机64
1.5计算机性能评测64
1.5.1计算机的主要性能指标64
1.5.2计算机性能测试工具69
1.5.3天梯图71
习题74
第2章存储系统77
2.1主存储器概述77
2.1.1ROM元件77
2.1.2RAM元件与存储结构79
2.1.3DRAM元件与基本存储结构82
2.2主存储体组织85
2.2.1内存条结构85
2.2.2存储体的基本扩展方式87
2.2.3Bank89
2.2.4并行存储器90
2.2.5并行处理机的主存储器93
2.3DRAM内部操作与性能参数94
2.3.1SDRAM的主要引脚94
2.3.2SDRAM的读写时序95
2.3.3突发传输97
2.3.4数据掩码98
2.3.5DRAM的动态刷新99
2.3.6芯片初始化与预充电102
2.3.7存储器控制器104
2.3.8RAM的一般性能参数104
2.3.9DDR SDRAM与RDRAM107
2.4磁盘存储器109
2.4.1磁表面存储原理109
2.4.2硬磁盘存储器的存储结构111
2.4.3磁盘格式化112
2.4.4硬磁盘存储器与主机的连接115
2.4.5硬磁盘存储器的技术参数118
2.4.6磁盘阵列120
2.5光盘存储器123
2.5.1光盘的技术特点与类型123
2.5.2可擦写型光盘读写原理124
2.5.3光盘规格124
2.6闪速存储器127
2.6.1闪存原理128
2.6.2固态硬盘128
2.7存储体系131
2.7.1多级存储体系的建立131
2.7.2多级存储体系的性能参数132
2.7.3Cache主存机制133
2.7.4虚拟存储器138
2.8未来记忆元件141
2.8.1磁随机存取存储器141
2.8.2铁电随机存取存储器142
2.8.3相变随机存取存储器143
2.8.4阻变随机存取存储器144
习题145
第3章总线与主板148
3.1总线的概念148
3.1.1总线及其规范148
3.1.2总线分类149
3.1.3总线的性能指标152
3.1.4标准总线153
3.2总线工作原理154
3.2.1总线的组成与基本传输过程154
3.2.2总线的争用与仲裁155
3.2.3总线通信中主从之间的时序控制157
3.3几种标准系统总线分析161
3.3.1ISA总线161
3.3.2PCI总线163
3.3.3AGP总线166
3.3.4PCIExpress总线 168
3.4几种标准I/O总线分析169
3.4.1ATA与SATA总线 169
3.4.2SCSI与SAS总线171
3.4.3USB总线174
3.4.4光纤总线178
3.4.5AMR和CNR178
3.5微型计算机主板179
3.5.1主板的概念179
3.5.2主板的组成180
3.5.3主板架构及其进展185
3.5.4主板选择参数188
3.5.5主板整合技术191
3.5.6智慧型主板技术191
习题193
第4章输入输出系统195
4.1外围设备195
4.1.1外部设备及其发展195
4.1.2键盘198
4.1.3鼠标201
4.1.4打印设备202
4.1.5显示器210
4.1.6触摸屏220
4.1.7虚拟现实设备223
4.2I/O过程的程序直接控制225
4.2.1I/O过程的程序无条件传送控制方式225
4.2.2I/O过程的程序查询传送方式225
4.3I/O过程的程序中断控制227
4.3.1程序中断控制的核心概念227
4.3.2中断关键技术230
4.3.3中断接口234
4.3.4多重中断235
4.4I/O数据传送的DMA控制236
4.4.1DMA的基本概念236
4.4.2DMA与CPU共享存储器冲突的解决方案237
4.4.3DMA控制器239
4.4.4DMA传送过程240
4.4.5DMA与中断方式比较241
4.5I/O过程的通道控制242
4.5.1通道控制及其特点242
4.5.2通道控制原理244
4.5.3通道类型246
4.6I/O接口247
4.6.1影响I/O设备与计算机连接的主要因素248
4.6.2I/O接口的功能与类型249
4.6.3I/O接口结构250
4.6.4缓冲251
4.6.5I/O端口252
4.7I/O设备适配器253
4.7.1显卡254
4.7.2声卡256
4.7.3网卡259
4.8I/O管理261
4.8.1设备驱动程序261
4.8.2ROM BIOS262
习题265
第5章控制器逻辑268
5.1处理器的外特性——指令系统268
5.1.1指令系统与汇编语言概述268
5.1.2寻址方式271
5.1.3Intel 8086指令简介276
5.1.4CISC与RISC283
5.1.5指令系统的设计内容287
5.2组合逻辑控制器287
5.2.1指令的微操作分析288
5.2.2指令的时序控制与时序部件290
5.2.3组合逻辑控制器设计举例292
5.3微程序控制器295
5.3.1概述295
5.3.2微程序操作控制部件的组成295
5.3.3微程序操作控制部件设计举例296
习题299
第6章处理器架构302
6.1流水线技术302
6.1.1指令流水线302
6.1.2运算流水线304
6.1.3流水线中的相关冲突305
6.1.4流水线中的多发射技术307
6.1.5Pentium CPU309
6.1.6流水线向量处理机312
6.2多处理器系统316
6.2.1多计算机系统与多处理器系统316
6.2.2SMP架构317
6.2.3多处理器操作系统319
6.3多线程处理器320
6.3.1多线程处理器架构的提出320
6.3.2同时多线程技术322
6.3.3超线程处理器324
6.4多核处理器327
6.4.1多核处理器及其特点327
6.4.2多核+ 多线程——CMT技术329
6.5关于处理器并行性开发的讨论329
6.5.1并行性及其级别329
6.5.2基于并行性的处理器体系Flynn分类331
6.5.3处理器并行性开发的思路与途径333
习题334
第7章未来计算机展望337
7.1非冯·诺依曼体系计算机的探索337
7.1.1数据流计算机337
7.1.2归约机339
7.1.3智能计算机341
7.1.4神经网络计算机343
7.2未来计算机元器件展望349
7.2.1摩尔定律及其影响349
7.2.2突破传统微电子工艺的努力351
7.2.3纳米电子器件353
7.2.4量子计算机356
7.2.5光学计算机358
7.2.6超导技术359
7.2.7生物计算机360
习题363
附录A国内外常用二进制逻辑元件图形符号对照图364
参考文献366
第5章控制器逻辑
中央处理器（CentralProcessingUnit,CPU）是计算机的中枢,是计算机系统的运算核心和控制核心,主要由运算器（ArithmeticLogicUnit,ALU）、控制器（ControlUnit,CU）、一组寄存器以及相关总线组成。了解计算机的工作原理的关键是搞清CPU的工作原理。关于ALU的简单原理已经在1.3.1节中介绍,本章主要对CU进行逻辑分析。CU的核心功能是分析指令,设计依据是指令系统。
5.1处理器的外特性——指令系统〖4/5〗5.1.1指令系统与汇编语言概述〖2〗1.指令及其基本格式在计算机中,指令（instruction）是要求计算机完成某个基本操作的命令。计算机程序就是由一组指令组成的代码序列。这里所说的“基本”是针对具体的CPU而言的,不同的CPU所指的“基本”二字的意义不同,所能执行的基本操作的数量和种类也不相同。但是,任何CPU都必须满足最小完备性原则,即它所能执行的基本操作必须能组成该CPU所承担的全部功能。也就是说,有的CPU的基本操作多一些、复杂一些,有的CPU的基本操作少一些、简单一些,但它们的组合效果应当相同。例如,有的CPU将乘法作为基本操作之一；有的没有乘法操作,但可以使用加法和移位操作组成乘法操作。
在1.2.9节中已经介绍过,一条指令由操作码和地址码两大部分组成,并且可以按照地址的数量把指令分为如下4种类型:
3地址指令。
2地址指令。
1地址指令。
0地址指令。
一条指令的长度由操作码和各地址码的长度决定。
指令地址码的长度由指令的寻址空间——存储器的容量决定。如,一个10b的地址码的寻址空间为210。一个1GB的内存,需要的地址码长度为30b,对于3地址指令,指令的长度就需要100b左右。这样的指令就太长了。但是多地址指令比少地址指令编写出来的程序长度小,并且执行速度快。
为了解决短地址码访问大容量存储器的问题,人们研究出了多种寻址方式。具体内容将在后面介绍。
操作码的长度由操作的种类决定,一个包含n位的操作码最多能表示2n种操作。不同的计算机中,可以采用定长操作码——操作码占有固定长度的位数,也可以采用变长操作码——操作码的长度不固定。变长操作码可以用扩展窗口将部分地址作为操作码使用,以增加指令条数。
例5.1某计算机字长为16b,操作码占4b,有3个4b的地址码,试说明如何扩展该机器的指令系统。
解:在定长操作码系统中,操作码的长度与地址码是冲突的。即地址码越长,操作码就越短。而操作码短了,指令系统中的指令数就少了。例如在本例中,操作码只有4位,指令系统中最多只能有16条指令,这常常是不够的。为了解决这个矛盾,可以采用变长操作码。即减少地址数,扩展操作码。
在进行操作码扩展时,要特别注意一点:长码中不可出现短码。因为编译器会首先从短码开始区分不同的指令类型。因此,短码至少要留出一位用于连接扩展位,称为扩展窗口位。图5.1指令的一般格式
指令的一般格式如图5.1所示。
计算不同地址数指令的步骤如下:
(1)原始OP占有4b,用0000~1110定义15条三地址指令,留下1111作为扩展窗口,与A3一起组成扩展字段。
(2)由于长码中不可出现短码,所以只能用11110000~11111110定义二地址指令,共15条。留下11111111作为一地址指令的扩展窗口,与A2组成扩展操作码。
(3)同理,用111111110000~111111111110定义15条一地址指令。
(4)最后,用1111111111110000~1111111111111111定义16条零地址指令。
2.指令系统
一个CPU所能承担的全部基本操作由一组对应的指令描述。这组完整地描述该CPU操作的指令就称为该CPU的指令系统（commandsystem,instructionsystem,commandset,instructionset）,也称该CPU的机器语言。
指令系统决定了CPU的外特性。一方面,因为指令系统表明了CPU能执行哪些基本操作,因此,指令系统是（系统）程序员在该CPU上进行程序设计的依据。另一方面,功能模拟和结构模拟是研究、制造任何一种计算机的两个最重要的途径。20世纪60年代,人们从程序员的角度观察计算机的属性,开始用“计算机体系结构”来统一功能和结构这两个方面。但是由于功能和结构两者仍然存在差别,通常把计算机的功能方面叫作外（宏）体系结构,把计算机的实现方面叫作内（微）体系结构。由于CPU的功能是取指令—分析指令—执行指令,所以一个CPU设计所依据的功能也来自指令系统,即指令系统是CPU设计的基本依据。要设计一个CPU,要先为它设计指令系统。
3.指令系统的描述语言——机器语言与汇编语言
一个CPU的指令系统就是与该CPU进行交互的工具,用其可以让该CPU完成特定的操作。所以一个CPU的指令系统就可以看成该CPU的机器语言。显然,不同的CPU具有不同的机器语言。
在表现形式上,机器语言就是用0、1码描述的指令系统。用它编写程序,难读,难记,难查错,给程序设计和计算机的推广、应用、发展造成极大困难。面对这一不足,人们最先是采用一些符号来代替0、1码指令,如用ADD代替“加”操作码等。这种语言称为符号语言。下面是几条符号指令与其对应的机器指令代码的例子:MOVAH,01H;机器指令代码：B401H
XORAH,AH;机器指令代码：34E2H
MOVAL,\[SI+0078H\];机器指令代码：8A847800H
MOVBP,\[0072H\];机器指令代码：8B2E7200H
DECDX;机器指令代码：4AH
INAL,DX;机器指令代码：ECH
符号语言方便了编程,用它编写程序时效率高,写出的程序易读性好,提高了程序的可靠性。但是,符号语言是不能直接执行的,必须将之转换为机器语言才能执行。
符号语言程序转换为机器语言程序的方法是查表。这是非常简单的工作。为了将这种查表工作自动化,除了正常的指令外,还需要添加一些对查表进行说明的指示指令——伪指令。这种查表工作称为汇编。为了进行自动查表,还需要一些指示性指令。用符号语言描述并增加了指示性指令的指令系统称为汇编语言。汇编语言为程序员提供了极大的方便,也提高了程序的可靠性。通常在介绍指令系统时,采用的都是汇编语言。
汇编语言指令的一般形式如下:标号:操作码地址码（操作数）;注释
下面是一段用Intel8086汇编语言描述的计算A=2+3的程序。ORGC0H;C0H为程序起始地址
START：MOVAX,2;2→AX,AX为累加器,START为标号
ADDAX,3;3+(AX)→AX
HALT;停
ENDSTART;结束汇编
由于汇编语言比机器语言有更好的易读性,又与机器语言一一对应,所以机器指令都可按汇编语言符号形式给出。
……
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