本书相较于第1版在内容上进行了多方面的修订，以更好地适应计算机技术发展与教学实际需求。本书系统介绍计算机的基本组成与工作原理。全书共9章，包括计算机系统概论、计算机中信息的表示方法、运算方法和运算部件、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、计算机的外部设备和输入输出系统。
　　本书延续循序渐进、深入浅出的编写风格，大幅增加应用型习题与考研真题示例，所有章节知识点在满足工程教育专业认证标准要求的前提下，既满足应用型本科教学需求，也为计算机专业学生考研提供系统知识支撑。本书配套教学资源（如课件、实验案例、习题详解）也进行了同步更新，全力为师生打造高效便捷的教学体系。

前言
　　本书是在第1版的基础上，保留经典内容，结合近5年教学实践反馈与计算机技术发展趋势，对教材整体知识体系进行系统性优化与更新。旨在满足应用型本科教学需求，为计算机及相关专业学生提供兼具理论深度与实践价值的学习资源，以及为计算机专业考研备考提供更加完善的知识体系。
　　作为计算机及相关专业的核心专业基础课程，计算机组成原理课程起到衔接计算机导论程序设计基础等前序课程和操作系统等后续课程的关键作用。本次修订在保留第1版重点内容的基础上，着重优化以下几个方面：首先在教材整体结构方面，部分章节顺序与内容分布进行调整，使知识体系更具逻辑性与连贯性。在内容方面：第4章修订了第1版中对Cache地址映射方式的部分不完全叙述，新增实际例题进行进一步解析；增添了SSD（固态硬盘）等技术内容，反映硬盘技术的革新，使学生了解存储技术发展新趋势。第5章针对Pentium CPU，详细拆解取指、译码、执行、访存、写回的控制信号变化，如时钟周期内ALU操作与数据通路的协同过程。对比第1版的通用流程描述，本书通过具体例题使抽象流程分析更加便于理解和掌握。同时也对指令周期流程进一步强化，标注每个阶段的微操作序列（如PC自增、寄存器读写），并配套考研真题中的流水线设计题等。在第6章增加了微指令格式设计、水平型与垂直型微指令的编码规则，通过具体微程序案例（如ALU控制信号生成），演示微指令与机器指令的映射关系。新增两种控制器的结构框图与延迟对比，说明微程序控制器在复杂指令扩展上的优势，结合硬件设计题（如微指令地址分配表绘制），强化学生对控制单元设计的理解，而第1版仅提及控制器概念，未深入讲解其实现原理。第8章删除了部分过时硬件的结构和工作原理的内容，聚焦硬件技术的迭代过程、设备选型与接口配置，如移动设备外接显卡的接口、带宽计算、多屏输出时的分辨率与刷新率的相关案例，弱化芯片级内部结构讲解。对比第1版原理优先的整体结构，本书更贴合工程应用需求。
　　本书各章新增应用型习题，涵盖考研高频考点与工程案例，配套流程图分析与硬件设计题；同步更新电子课件、实验指导书与在线题库，形成理论-实践-测评一体化教学资源体系，强化学生逻辑思维与问题解决能力。
　　本书由上海第二工业大学杨洁担任主编，黄丽佳担任副主编，崔莉莉参与编写。在此特别感谢在工程教育认证实践中提供建议的院校同行，以及在第1版应用过程中反馈教学实际需求的师生群体。尽管编者力求完善，但限于技术迭代与认知局限，书中难免存在疏漏，恳请广大读者批评指正，以便后续修订优化。
　　编　者

主编从教已经23年，曾经编写出版过多本教材，无论在教学方面还是科研方面都有一定的经验。主持上海市精品课程、上海市重点建设课程、上海第二工业大学校重点建设课程等的建设工作。主讲课程获上海市混合式在线重点课程、校重点课程及校精品课程，主讲课程获FD-QM标准认证，主持多项科研教改项目，FD-QM评审专家。

目录
前言
第1章　计算机系统概论 001
1.1　概述 001
1.1.1　计算机的前世今生 001
1.1.2　计算机的发展现状及前景 003
1.2　计算机系统简介 005
1.2.1　计算机系统组成 005
1.2.2　计算机的分类 005
1.2.3　计算机体系结构 006
1.2.4　计算机的工作过程 008
1.3　计算机的基本组成 008
1.3.1　冯?诺依曼计算机的特点 008
1.3.2　计算机硬件 010
1.3.3　计算机软件 011
1.3.4　计算机的总线结构 012
1.4　计算机的主要性能指标 012
本章小结 014
习题1 014
第2章　计算机中信息的表示方法 016
2.1　计数制表示及转换 016
2.1.1　不同计数制的表示 016
2.1.2　计数制的相互转换 018
2.2　数值型数据的表示方法 021
2.2.1　机器数和真值 021
2.2.2　定点数的机器表示 021
2.2.3　浮点数的机器表示 024
2.2.4　定点数和浮点数的机器数表示
范围 026
2.3　计算机中的编码 029
2.3.1　字符的编码 029
2.3.2　十进制数的编码（BCD）及
运算 030
2.3.3　汉字的编码 030
2.4　其他信息的计算机表示方法 032
2.4.1　语音表示 032
2.4.2　图像表示 032
2.4.3　图形表示 032
2.5　数据校验码 032
2.5.1　奇偶校验码 033
2.5.2　循环冗余校验码 033
本章小结 034
习题2 035
第3章　运算方法和运算部件 036
3.1　算术逻辑运算基础 036
3.1.1　移位运算 036
3.1.2　逻辑运算 039
3.2　算术逻辑单元 040
3.2.1　全加器 040
3.2.2　串行加法器和并行加法器 042
3.2.3　并行加法器的进位链 042
3.2.4　典型ALU举例 046
3.3　定点补码加减运算 048
3.3.1　补码加减运算 048
3.3.2　溢出及其判别方法 050
3.4　定点乘法运算 052
3.4.1　原码一位乘法 053
3.4.2　补码一位乘法（校正法） 054
3.4.3　补码一位乘法（比较法） 055
3.5　定点除法运算 056
3.5.1　原码一位除法 057
3.5.2　补码一位除法 059
3.6　浮点数运算 060
3.6.1　浮点数加减运算 061
3.6.2　浮点数乘除运算 063
本章小结 063
习题3 063
第4章　存储系统 066
4.1　存储系统的组织 066
4.1.1　存储器的分类 066
4.1.2　存储系统的层次结构 067
4.1.3　存储器的性能指标 067
4.2　随机存取存储器 068
4.2.1　静态随机存储器（SRAM） 068
4.2.2　动态随机存储器（DRAM） 071
4.2.3　DRAM与SRAM的比较 073
4.3　主存储器的组织 073
4.3.1　动态随机存储器的刷新 074
4.3.2　主存储器逻辑设计 076
4.3.3　高性能主存储器 079
4.4　高速缓冲存储器 080
4.4.1　Cache概述 080
4.4.2　Cache的地址映射方式 082
4.4.3　替换算法 089
4.4.4　多层次Cache 090
4.4.5　Cache的写操作 091
4.5　虚拟存储器 091
4.5.1　虚拟存储器的基本概念 091
4.5.2　段式虚拟存储器 092
4.5.3　页式虚拟存储器 092
4.5.4　段页式虚拟存储器 093
4.6　固态硬盘技术和存储级主存 094
4.6.1　固态硬盘概述 094
4.6.2　固态硬盘的工作原理 094
4.6.3　存储级主存 095
4.6.4　内存条 096
本章小结 097
习题4 098
第5章　指令系统 100
5.1　指令系统的发展与性能要求 100
5.1.1　指令系统发展 100
5.1.2　指令系统的性能 101
5.2　指令格式 101
5.2.1　指令包含的信息及格式 101
5.2.2　指令的分类 102
5.2.3　指令操作码的扩展技术 104
5.2.4　指令字长与机器字长的关系 105
5.3　寻址方式 105
5.3.1　指令寻址和数据寻址 105
5.3.2　常见的数据寻址方式 106
5.4　80x86系列处理器的指令系统举例 111
5.5　指令的执行过程 112
5.5.1　三个周期概念 113
5.5.2　指令执行过程 114
5.5.3　指令周期流程图 120
5.6　单总线结构指令流程 121
5.6.1　单总线结构的CPU 121
5.6.2　单总线结构指令执行流程 122
5.7　CISC和RISC 125
5.7.1　CISC 125
5.7.2　RISC 125
本章小结 126
习题5 127
第6章　中央处理器 129
6.1　CPU概述 129
6.1.1　CPU的功能 129
6.1.2　CPU的组成 130
6.1.3　CPU中的寄存器 131
6.1.4　操作控制器 132
6.2　硬连线控制器 133
6.2.1　硬连线控制器概述 133
6.2.2　硬连线控制器的结构 133
6.2.3　硬连线控制器的设计步骤 135
6.3　微程序控制器 135
6.3.1　微程序控制器概述 135
6.3.2　微程序控制器组成 137
6.3.3　微程序设计技术 137
6.4　指令级流水线 144
6.4.1　并行性的概念 144
6.4.2　指令级流水线概述 145
6.4.3　流水线的性能指标 147
6.4.4　影响流水线性能的因素 148
6.5　微处理器中的新技术 149
6.5.1　先进制程 149
6.5.2　多核与超线程技术 150
6.5.3　AI加速器与神经网络处理单元 151
6.5.4　量子计算与神经形态计算 152
本章小结 153
习题6 153
第7章　总线系统 155
7.1　总线系统概述 155
7.1.1　总线的基本概念 155
7.1.2　总线接口 156
7.1.3　总线的连接方式 157
7.1.4　总线的内部结构 158
7.1.5　总线结构对计算机系统性能的
影响 159
7.2　总线控制与通信 160
7.2.1　总线的控制方式 160
7.2.2　总线通信 162
7.2.3　总线的信息传送模式 165
7.3　微型计算机常用总线 166
7.3.1　PCI总线 166
7.3.2　AGP总线 166
7.3.3　RS串行接口 167
7.3.4　IDE接口与SCSI接口总线 168
7.3.5　USB总线 169
7.3.6　IEEE 1394总线 172
本章小结 172
习题7 172
第8章　计算机的外部设备 174
8.1　概述 174
8.1.1　外部设备的分类 174
8.1.2　外部设备的功能 175
8.2　传统输入设备 176
8.2.1　键盘 176
8.2.2　鼠标 177
8.2.3　扫描仪 178
8.2.4　触摸屏 179
8.3　智能输入设备 179
8.3.1　手势识别与体感输入设备 179
8.3.2　眼动追踪技术 180
8.3.3　语音输入与智能语音助手 181
8.4　输出设备 182
8.4.1　传统输出设备 182
8.4.2　4K/8K超高清显示器 185
8.4.3　VR与AR头戴设备 186
8.4.4　全息投影技术 187
8.5　传统存储设备 188
8.5.1　HDD 189
8.5.2　SSD 189
8.5.3　移动存储设备 190
8.6　云存储与边缘计算 190
8.6.1　云存储服务 190
8.6.2　边缘计算 191
8.7　传统通信设备 192
8.7.1　网络接口卡 192
8.7.2　调制解调器 193
8.8　可穿戴设备与智能物联网设备 193
8.8.1　智能手表 193
8.8.2　健康监测设备 194
8.8.3　智能家居控制系统 194
本章小结 195
习题8 196
第9章　输入输出系统 197
9.1　输入输出（I/O）系统概论 197
9.1.1　I/O接口概述 197
9.1.2　I/O端口及其编址方式 199
9.1.3　I/O数据传送控制方式 199
9.2　程序直接控制方式 201
9.2.1　立即传送方式 201
9.2.2　程序查询方式 201
9.2.3　程序查询方式流程 201
9.3　程序中断方式 202
9.3.1　中断概述 202
9.3.2　中断源的判别 204
9.3.3　中断屏蔽 207
9.3.4　多重中断处理 209
9.3.5　中断处理过程 210
9.4　DMA输入输出方式 212
9.4.1　DMA概述 212
9.4.2　DMA三种工作方式 212
9.4.3　DMA控制器组成 214
9.4.4　DMA传送过程 215
9.4.5　DMA接口 217
9.5　通道控制方式和I/O处理机方式 218
9.5.1　通道的基本概念 219
9.5.2　通道的控制和功能 219
9.5.3　通道类型 220
9.5.4　I/O处理机方式 222
本章小结 223
习题9 223
参考文献 226