本书以计算机的指令流和数据流为主线，讲解计算机的基本组成和工作原理，同时介绍计算机的最新发展。本书共分8章，主要包括计算机的基本组成、计算机的工作过程、数据在计算机中的表示和运算、存储器与存储系统、输入/输出系统、指令系统、控制单元功能分析与设计，以及基于RISCV的计算机系统等内容。在结构设计上，本书先从总体介绍计算机的基本构成和工作过程，然后分章节讲述各部分的知识，最后从整体功能出发，讲述计算机系统的设计，旨在帮助学生快速掌握计算机的基本构成和工作原理，为将来的学习和发展打好基础。本书适合作为普通高等院校应用型本科“计算机组成原理”课程的教材，也可作为计算机硬件爱好者的学习参考书。

应用型本科教育是高等教育进入大众化阶段的必然趋势，已成为我国高等教育的重要组成部分。党的二十大报告提出，要“统筹职业教育、高等教育、继续教育协同创新，推进职普融通、产教融合、科教融汇，优化职业教育类型定位”。从中可以看出党和国家将职业教育和应用型人才培养提到了更高的地位。在应用型人才培养中，与之相适应的应用型教材体系是应用型人才培养的重要支撑。在应用型本科教材建设中，必须考虑其应用型定位。因此，编写适合应用型本科人才培养的教材势在必行。本书旨在落实立德树人根本任务，践行二十大报告精神，贯彻党的十二大报告提出的“建成教育强国、科技强国、人才强国、文化强国”的目标，落实“加强教材建设和管理”新要求，满足应用型本科教育的需求。

“计算机组成原理”作为计算机专业的核心课程，在计算机相关专业中起着承前启后的关键作用，编写适合学生及专业特点的教材非常重要。目前，国内已经有了优秀的《计算机组成原理》教材，但这些教材要么是传统的针对研究型本科学生的，要么是针对高职高专的，还没有专门针对应用型本科的合适教材，因此我们在已有教材的基础上编写了适合应用型本科计算机专业的《计算机组成原理》教材。本书既不像传统本科教材那样具有比较高的理论深度和广度，也不像高职高专教材那样大幅削减理论内容，代之以更多的实践内容。当前，大多数本科毕业生，尤其是应用型本科院校的毕业生将来不会从事计算机系统的设计工作，更多的是从事计算机应用工作。因此，让学生掌握计算机的基本构成和工作原理，为他们后续课程的学习打下基础，为他们将来更高效地利用计算机解决实际问题是应用型本科计算机专业大的发展方向。基于此，我们力求在理论和实践中找到合适的比例，使其更加符合应用型本科的需求。在兼顾理论和实践的同时，我们创新写作方法，以计算机的基本组成为基本要求，以理解计算机工作过程和指令数据流动过程为主线主导编写思路，配置以计算机模拟软件来模拟计算机的基本组成及指令和数据的流动过程，让学生能直观地看到计算机的工作过程，帮助他们加深对计算机工作原理的理解。

“计算机组成原理”是在学生学习过“数字逻辑”后开设的课程，可为学生下一步学习“计算机体系结构”“程序设计”“操作系统”“数据结构与算法”等课程打下必要的基础。

在编写本书时，我们遵循五个基本组成部分、一条主线的方式进行。五个基本组成部分即计算机由运算器、控制器、存储器、输入系统、输出系统组成；一条主线是围绕计算机工作过程的指令流和数据流，把计算机作为一个有机的整体，由软件、硬件共同协调配合来完成工作，突出基本原理和整机系统，让学生既能掌握基本原理，又能理解计算机系统设计的方法和流程。全书共分8章，第1章讲解计算机的基本硬件组成，第2章以一台模拟计算机来分析计算机工作的过程。前两章让学生先概括性地了解计算机的整体结构，以及计算机的基本组成和工作原理，初步建立整机的概念，后续的内容再对基本组成和原理进一步细化和深化。第3章讲解数据在计算机中的表示和运算，第4章讲解存储器与存储系统，第5章讲解输入/输出系统，第6章讲解指令系统，第7章讲解控制器。在第7章中再回到整机系统，从整机系统工作的角度讲述控制器的设计。这样“总—分—总”的结构安排有利于学生更加高效的学习。第8章作为选讲内容，安排了基于RISCV的计算机系统相关内容，让学生能够了解计算机系统的最新发展趋势。

本书由魏胜利、曹领任主编，孔娟、张阳、赵凯、齐万华任副主编。具体编写分工如下：第1章和第2章由魏胜利编写，第3章由张阳编写，第4章和第5章由曹领编写，第6章由孔娟编写，第7章由齐万华编写，第8章由赵凯编写。全书由魏胜利统稿。

本书在编写过程中参考了部分文献资料，在此向文献的作者表示由衷的感谢，同时感谢安阳工学院计算机科学与信息工程学院领导及相关老师的大力协助和支持。

由于编写时间仓促，编者水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请广大读者不吝指正，不胜感谢。

编者

2023年2月

第1章计算机的基本组成1
1.1计算机的发展2
1.1.1计算机发展历程2
1.1.2现代计算机的理论基础7
1.2计算机系统简介8
1.3硬件介绍9
1.3.1运算器简介9
1.3.2控制器简介10
1.3.3主存储器简介11
1.3.4输入/输出系统简介12
1.4计算机的总线12
1.4.1计算机各部件的连接方式12
1.4.2总线的分类13
1.4.3总线的结构14
1.4.4总线控制方式15
1.4.5总线的通信方式18
1.5微型计算机整机系统22
1.5.1主板22
1.5.2显示器25
1.5.3电源25
习题25

第2章计算机的工作过程27
2.1冯·诺依曼关于计算机的构想28
2.2模拟计算机系统28
2.2.1模拟计算机的组成29
2.2.2模拟计算机的指令系统29
2.2.3模拟计算机系统的使用方法31
2.3计算机解决问题的步骤32
2.4计算机解决问题的实例33
2.5计算机硬件性能指标37
2.5.1机器字长37
2.5.2运算速度37
2.5.3存储器容量和读/写速度39
2.5.4缓存容量40
2.5.5输入/输出传输速率41
习题41

第3章数据在计算机中的表示和运算43
3.1概述44
3.2数值型数据的表示45
3.2.1进位计数制45
3.2.2无符号数50
3.2.3有符号数50
3.2.4定点数和浮点数57
3.3数值型数据的运算61
3.3.1定点加法与减法运算61
3.3.2定点乘法运算68
3.3.3定点除法运算71
3.3.4浮点数的加减运算74
3.3.5浮点数的乘法和除法运算77
3.4字符的表示 77
3.4.1ASCII码78
3.4.2Unicode码79
3.4.3汉字编码83
3.5其他常用数据信息编码85
3.5.1声音编码85
3.5.2图像编码86
3.6数据校验87
3.6.1奇偶校验87
3.6.2海明校验89
3.6.3循环冗余校验92
习题99

第4章存储器与存储系统101
4.1存储器概述101
4.1.1存储器的分类102
4.1.2存储器的性能指标104
4.2主存储器105
4.2.1主存储器的基本结构106
4.2.2半导体随机存储器106
4.2.3半导体只读存储器114
4.3存储系统的层次结构118
4.3.1速度、容量、价格的金字塔结构118
4.3.2主存Cache层次结构119
4.3.3主存外存层次结构119
4.4主存储器与CPU的连接120
4.4.1主存储器与CPU的连接方法120
4.4.2存储容量的扩展121
4.5高速缓冲存储器125
4.5.1Cache的工作原理125
4.5.2Cache主存的地址映射方式130
4.5.3Cache的改进133
4.6并行存储器134
4.6.1双端口存储器134
4.6.2多体交叉并行存储器135
4.7虚拟存储器与辅助存储器137
4.7.1虚拟存储器137
4.7.2辅助存储器139
习题142

第5章输入/输出系统144
5.1输入/输出系统概述145
5.1.1输入/输出系统的功能与组成145
5.1.2输入/输出系统与主机的联系146
5.1.3输入/输出设备举例150
5.2输入/输出接口153
5.2.1输入/输出接口的功能153
5.2.2输入/输出接口的组成155
5.2.3输入/输出接口的类型155
5.3程序查询方式156
5.3.1程序查询方式的工作原理156
5.3.2程序查询方式的接口电路157
5.3.3程序查询工作方式举例158
5.4程序中断方式159
5.4.1中断的工作原理159
5.4.2程序中断方式的工作过程160
5.4.3程序中断方式的接口电路165
5.5DMA方式167
5.5.1DMA的工作原理167
5.5.2DMA的接口电路169
5.5.3DMA方式与程序中断方式性能比较171
习题172

第6章指令系统173
6.1指令系统概述173
6.1.1指令与指令系统174
6.1.2指令系统的描述语言——机器语言与汇编语言174
6.1.3汇编语言的基本语法175
6.2指令的格式176
6.2.1地址码字段的格式176
6.2.2操作码字段的格式178
6.3指令的寻址方式180
6.3.1指令寻址方式180
6.3.2操作数寻址方式180
6.4指令的类型与功能186
6.4.1数据传送类指令187
6.4.2算术/逻辑运算指令187
6.4.3程序控制类指令188
6.4.4输入/输出类指令188
6.4.5其他指令188
6.5典型指令格式实例188
6.6RISC计算机系统191
6.6.1RISC的产生和发展191
6.6.2RISC的特点192
6.6.3RISC和CISC的比较193
习题193

第7章控制单元功能分析与设计196
7.1中央处理器197
7.1.1中央处理器简介197
7.1.2中央处理器的基本组成199
7.2控制器的构成202
7.2.1控制器简介202
7.2.2控制器的基本组成203
7.3指令周期205
7.3.1指令周期的基本概念205
7.3.2指令周期的数据流207
7.4中断系统209
7.4.1中断系统简介209
7.4.2中断处理过程211
7.5控制单元功能分析215
7.5.1控制单元的外特性215
7.5.2多级时序系统216
7.5.3控制方式217
7.5.4控制单元功能分析举例219
7.6控制单元设计思路221
7.6.1组合逻辑控制单元设计思路222
7.6.2微程序控制单元设计思路223
7.6.3微程序控制单元的组成224
7.6.4微程序、微指令格式设计225
习题229

第8章基于RISCV的计算机系统231
8.1RISCV概述232
8.1.1RISCV的概念232
8.1.2设计RISCV的意义232
8.1.3RISCV的发展历史233
8.1.4RISCV基金会和RISCV国际234
8.2RISCV基础指令集概述234
8.2.1硬件平台术语235
8.2.2RISCV软件执行环境和Hart资源235
8.2.3RISCV指令集的范围236
8.2.4内存238
8.2.5基本指令长度编码239
8.2.6扩展指令长度编码239
8.2.7异常、陷阱和中断240
8.2.8未在指令集中明确的部分241
8.3非特权指令之RSIC整数指令集241
8.3.1RV32I基础整数指令集241
8.3.2整数基础指令集编程模型241
8.3.3整数指令集格式242
8.3.4立即数编码扩展243
8.3.5整数运算类指令244
8.3.6控制转移指令247
8.3.7加载和存储指令250
8.3.8内存排序指令252
8.3.9调用和断点指令253
8.3.10提示指令254
8.4特权体系简介255
8.4.1RISCV特权软件栈255
8.4.2特权级别256
8.4.3调试模式257
8.5基于RISCV和微架构的处理器核的设计257
8.5.1开源RISCV核257
8.5.2开源RISCV核lbex的使用264
8.5.3图形化仿真工具Logisim267
8.5.4基于Logisim的图形化RISCV的核心实现272
8.6微架构简介277
习题278

参考文献278

魏胜利，男，硕士研究生，副教授。2007年7月入职安阳工学院计算机科学与信息工程学院任教至今。发表论文20多篇，获得发明专利两项，软件著作权3项，主编参编教材4部。主持省市科研教研项目多项。

曹领，男，安阳工学院计算机教研室主任，讲师。长期从事教学一线工作，主要讲授“单片机原理及应用”、“物联网导论”、“无线传感网技术”等课程，参与省级、校级教改项目5项，发表论文10余篇，主编、参编教材多部。

1. 本书是河南省“十四五”普通高等教育规划教材。

2. 理论与实践并重，比例适当，使其更加符合应用型本科的需求。在兼顾理论和实践的同时，创新写作方法，以计算机的基本组成为基本要求，以理解计算机工作过程和指令数据流动过程为主线主导编写思路，配置以计算机模拟软件来模拟计算机的基本组成及指令和数据的流动过程，让学生能直观地看到计算机的工作过程，帮助他们加深对计算机工作原理的理解。