本书为"十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。本书以当前主流微型计算机技术为背景，以建立系统级的整机概念为目的，深入介绍计算机各功能子系统的逻辑组成和工作机制。全书共6章，第1章概述计算机的基本概念、发展历程和系统的硬件、软件组织及计算机相关的性能指标；第2章介绍数据信息的表示、运算和校验方法；第3章介绍CPU的一般模型、指令系统和X86架构、MIPS32架构简易CPU的设计；第4章介绍存储子系统的存储原理、主存设计和计算机三级存储体系等；第5章介绍总线与I/O子系统，包括接口、总线以及中断、DMA和IOP、PPU等I/O传输控制模式；第6章介绍键盘原理、显示器件和打印机等外围设备。本书可作为高等院校计算机及相关专业"计算机组成原理”及相关课程的配套教材，也可作为从事计算机专业考研和工程技术人员的参考书。

纪禄平，男，博士、副教授/博导 1999年6月毕业于北京理工大学，获机械电子工程学士学位。2005年6月和2008年6月毕业于电子科技大学，分获计算机应用技术硕士学位和计算机软件与理论博士学位。2008年博士毕业后留校，一直在计算机科学与工程学院专职从事教学和科研工作，期间于2016年9月至2017年9月在休斯敦大学（美国）访问学习。 主要科研方向为神经网络、深度学习和模式识别，主持完成国家自然科学基金面上项目、中央高校科研基金和教育部博士点基金等项目，在IEEE Transactions on Cybernetics、Pattern Recognition、IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics以及Neurocomputing等计算机领域主流期刊和国际会议上累积发表论文20余篇，获得发明专利（中国）授权4件。

目 录
第1章 概论 1
1.1 计算机的基本概念 1
1.1.1 信息的数字化表示 2
1.1.2 存储程序工作方式 5
1.1.3 计算机的分类 6
1.2 计算机的诞生与发展 8
1.2.1 冯·诺依曼体系 8
1.2.2 计算机发展历程 9
1.2.3 未来的发展趋势 11
1.3 计算机系统的组织 13
1.3.1 硬件系统 13
1.3.2 软件系统 18
1.3.3 计算机系统层次结构 20
1.4 计算机性能的主要评价指标 23
习题1 27
第2章 数据的表示、运算和校验 28
2.1 数值型数据 28
2.1.1 进位计数制 28
2.1.2 带符号数的表示 34
2.1.3 定点数与浮点数 39
2.2 字符型数据 45
2.3 数据代码的处理与存储 47
2.4 基本运算方法 50
2.4.1 定点加减运算 50
2.4.2 定点乘法运算 55
2.4.3 定点除法运算 62
2.4.4 IEEE 754浮点数四则运算 67
2.5 常用的数据校验方法 69
2.5.1 奇偶校验 70
2.5.2 海明校验 71
2.5.3 循环冗余校验 73
习题2 75
第3章 CPU子系统 78
3.1 CPU概述 79
3.1.1 硬件结构模型 79
3.1.2 基本功能与控制 85
3.1.3 CPU的发展历程 91
3.2 指令系统 93
3.2.1 CISC与RISC 93
3.2.2 指令的一般格式 94
3.2.3 常见寻址方式 100
3.2.4 指令功能和类型 112
3.3 加法器与运算部件 119
3.3.1 加法器及其进位逻辑 119
3.3.2 算术逻辑运算单元 123
3.3.3 运算器的组织 127
3.4 x86架构模型机CPU设计 129
3.4.1 模型机指令系统 129
3.4.2 基本部件与数据通路 133
3.4.3 指令流程与微命令 137
3.4.4 组合逻辑控制 151
3.4.5 微程序控制 161
3.5 MIPS32架构CPU设计实例 180
3.5.1 MIPS32指令架构 181
3.5.2 基本的组成部件 186
3.5.3 单周期模式 189
3.5.4 多周期模式 201
3.5.5 指令的时间特性 219
3.6 CPU高级技术介绍 224
3.6.1 流水技术 224
3.6.2 SMT与超线程 228
3.6.3 多核技术介绍 229
习题3 232
第4章 存储子系统 235
4.1 存储子系统概述 235
4.1.1 存储系统的层次结构 235
4.1.2 存储器的分类 239
4.1.3 存储器的技术指标 242
4.2 半导体存储原理及芯片 243
4.2.1 静态MOS芯片 243
4.2.2 动态MOS芯片 247
4.2.3 RAM型存储器 254
4.2.4 ROM型存储器 257
4.3 主存储器的组织 261
4.3.1 主存的设计原则 261
4.3.2 主存的逻辑设计 263
4.3.3 主存与CPU的连接与控制 267
4.4 磁表面存储原理 269
4.4.1 存储介质与磁头 270
4.4.2 磁记录编码方式 273
4.5 磁盘存储器及其接口 277
4.5.1 硬盘存储器 277
4.5.2 磁盘技术指标与校验 285
4.5.3 磁盘适配器 287
4.6 光存储原理及器件 290
4.6.1 光存储原理 290
4.6.2 光盘存储器与光驱 293
4.7 计算机的三级存储体系 296
4.7.1 基本概念 297
4.7.2 Cache与内存的数据交互 298
4.7.3 内存与外存的数据交互 305
4.8 高性能存储系统介绍 310
4.8.1 多端口存储器 310
4.8.2 独立磁盘冗余阵列 311
4.8.3 并行存储系统 312
4.8.4 联想存储系统 317
习题4 318
第5章 总线与输入/输出子系统 321
5.1 输入/输出子系统概述 321
5.1.1 总线与接口简介 322
5.1.2 输入/输出与控制 325
5.2 计算机系统中的总线 328
5.2.1 总线的特性与分类 329
5.2.2 总线的技术规范 331
5.2.3 总线的设计要素 332
5.2.4 PCI-E总线介绍 338
5.3 直接程序传送模式 343
5.4 中断处理模式 344
5.4.1 中断的基本概念 344
5.4.2 中断请求与优先级裁决 349
5.4.3 中断响应与中断服务程序 354
5.4.4 中断接口的逻辑模型 360
5.5 DMA模式与接口 363
5.5.1 DMA基本概念 364
5.5.2 DMA控制器与接口的连接 367
5.5.3 DMA控制器的组成 370
5.5.4 DMA传输操作过程 374
5.5.5 典型的DMA接口举例 375
5.6 IOP和PPU模式 380
5.6.1 通道的系统结构 380
5.6.2 通道的类型 381
5.6.3 通道的工作原理 382
习题5 384
第6章 输入/输出设备 386
6.1 输入/输出设备概述 386
6.1.1 设备的基本功能 386
6.1.2 设备的种类 387
6.1.3 主机与设备的信息交互 389
6.2 键盘的工作原理 390
6.2.1 键盘的类型 391
6.2.2 硬件扫描键盘 393
6.2.3 软件扫描键盘 394
6.3 显示设备及适配器 397
6.3.1 常见的显示器 397
6.3.2 显示成像原理 399
6.3.3 LCD显示器 405
6.3.4 适配器及其接口 412
6.4 打印设备及其接口 414
6.4.1 打印设备概述 414
6.4.2 点阵针式打印机 416
6.4.3 喷墨打印机 419
6.4.4 激光打印机 420
6.4.5 3D打印技术简介 423
习题6 424
参考文献 426