本书在参考和借鉴国内外相关优秀教材的基础上，结合主流微型计算机技术的发展趋势，系统地介绍计算机各功能子系统的逻辑组成结构和工作原理，主要内容包括计算机系统引论、计算机中数据信息的表示和运算、存储系统、指令系统、中央处理单元、总线、输入/输出系统。本书在内容的组织上力求概念清楚准确、语言通俗易懂、实例深入浅出。本书通过具体的实例以及大量典型的思考题和习题来加深读者对理论知识的理解，并给出了部分思考题和习题的参考答案，可供读者检验学习效果。
丁男，1978年生，博士。大连理工大学计算机科学与技术学院副教授、博士研究生导师，大连理工大学信息技术实验中心副主任，纽约大学计算机学院多媒体与网络技术实验室访问学者。担任国家自然科学基金项目评审专家、中国计算机学会嵌入式系统专委会委员、中国计算机学会CCF YOCSEF 大连分会委员。主要研究方向：物联网、智能嵌入式系统、边缘计算等。发表SCI/EI论文40余篇。近五年主持国家自然基金面上项目2项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金联合项目等多项。主编和参编多部高等学校计算机专业教材。多次获得省部级自然科学著作成果奖。
第1章 计算机系统引论 1
1.1 计算机概述 1
1.1.1 计算机发展历程和发展趋势 1
1.1.2 计算机的分类及应用领域 3
1.1.3 计算机的特点 6
1.2 计算机系统组成部分与层次结构 7
1.2.1 计算机系统的组成部分 8
1.2.2 计算机系统的层次结构 11
1.3 计算机的工作过程 13
1.4 计算机的主要性能指标 14
思考题和习题1 17
第2章 计算机中数据信息的表示和运算 21
2.1 数制与编码 21
2.1.1 进位计数制及其转换 21
2.1.2 数值数据的编码与表示 24
2.1.3 非数值数据的编码与表示 28
2.1.4 数据的宽度与存储 32
2.1.5 数据校验码的编码与译码 34
2.2 定点数的表示和运算 41
2.2.1 定点数的表示 41
2.2.2 定点数的运算 42
2.3 浮点数的表示和运算 53
2.3.1 浮点数的表示 53
2.3.2 浮点数的运算 57
2.4 运算部件的组成 59
2.4.1 定点数运算部件 60
2.4.2 浮点数运算部件 61
思考题和习题2 63
第3章 存储系统 69
3.1 存储系统概述 69
3.1.1 存储器的性能指标 69
3.1.2 存储器的分类 70
3.1.3 存储系统的层次化结构 71
3.2 主存储器 72
3.2.1 主存储器概述 72
3.2.2 半导体随机存取存储器 73
3.2.3 半导体只读存储器和Flash存储器 77
3.2.4 主存与CPU的连接及主存容量的扩展方式 78
3.2.5 Pentium计算机的主存系统组成 84
3.3 高速缓冲存储器 85
3.3.1 Cache简介 85
3.3.2 Cache的地址映像方式 88
3.3.3 Cache的读/写策略 95
3.3.4 Cache的替换算法 96
3.3.5 多层次Cache 97
3.4 存储器性能的改进技术 98
3.4.1 分体存储体系结构（哈佛体系结构） 98
3.4.2 双端口存储器 99
3.4.3 多模块交叉存储器 99
3.4.4 相联存储器 101
3.5 虚拟存储系统 102
3.5.1 虚拟存储器简介 103
3.5.2 虚拟存储器的管理方式与存储保护 103
3.5.3 虚拟存储器的工作过程 107
3.6 辅助存储器 108
3.6.1 辅助存储器简介 109
3.6.2 磁表面存储器 110
3.6.3 光盘存储器 114
3.6.4 U盘和固态硬盘 115
思考题和习题3 116
第4章 指令系统 125
4.1 指令系统概述 125
4.1.1 指令与指令系统 125
4.1.2 指令系统的性能要求 126
4.2 指令格式 126
4.2.1 指令格式简介 126
4.2.2 地址码的格式 127
4.2.3 操作码的格式 129
4.3 寻址方式 130
4.3.1 指令寻址方式 131
4.3.2 操作数寻址方式 131
4.4 指令的功能与类型 138
4.4.1 数据传输类指令 138
4.4.2 算术/逻辑运算类指令 138
4.4.3 程序控制类指令 139
4.4.4 输入/输出类指令 139
4.4.5 其他指令 139
4.5 指令格式示例 139
4.6 指令系统的发展 141
4.6.1 复杂指令集计算机 142
4.6.2 精简指令集计算机 142
4.6.3 超长指令字和显示并行指令代码 144
思考题和习题4 144
第5章 中央处理单元 151
5.1 CPU的功能与结构 151
5.1.1 CPU的功能和性能指标 151
5.1.2 CPU的组成结构 152
5.1.3 时序系统和时序控制方式 155
5.2 指令的执行过程 156
5.2.1 指令执行简介 157
5.2.2 指令具体执行过程 158
5.3 控制器的组成和实现方式 161
5.3.1 控制器概述 161
5.3.2 微程序控制器 162
5.3.3 硬连线控制器 171
5.4 指令流水线技术 173
5.4.1 并行性的基本概念 173
5.4.2 指令流水线简介 174
5.4.3 流水线基本工作原理 175
5.4.4 流水线中的相关问题 176
5.4.5 流水线的性能分析 180
5.5 处理器中的新技术 182
5.5.1 超标量流水线技术 182
5.5.2 并行处理技术 182
5.5.3 双核与多核技术 183
思考题和习题5 184
第6章 总线 193
6.1 总线简介 193
6.1.1 概述 193
6.1.2 系统总线的结构 195
6.1.3 总线的性能指标 196
6.1.4 典型的总线标准 197
6.1.5 总线结构实例 201
6.2 总线的应用 202
6.2.1 总线的操作 202
6.2.2 总线的信息传输方式 203
6.2.3 总线的定时控制方式 204
6.3 总线仲裁 205
6.3.1 总线仲裁的意义 205
6.3.2 总线的仲裁方式 205
思考题和习题6 208
第7章 输入/输出系统 213
7.1 输入/输出系统简介 213
7.2 外部设备 214
7.2.1 外部设备的作用、分类和特点 214
7.2.2 常用的输入设备 216
7.2.3 常用的输出设备 217
7.2.4 其他输入/输出设备 221
7.3 I/O接口 223
7.3.1 I/O接口的基本功能 223
7.3.2 I/O接口的分类与基本组成 224
7.3.3 I/O接口的编址方式 226
7.4 输入/输出信息传输控制方式 227
7.4.1 程序直接传输方式 227
7.4.2 程序中断传输方式 227
7.4.3 直接存储器访问方式 234
7.4.4 I/O通道控制方式和外围处理机方式 238
思考题和习题7 240
参考文献 246
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