計算機組成原理教程

普通高等教育“十四五”計算機類專業(yè)系列教材

計算機組成原理教程

主編◎斯琴高娃

主編徐東姜志明

副主編薄瑜李琳王璨于文武

參編翟悅羅佳偉于林林張海波

郭楊

主審劉瑞杰

內容簡介

計算機硬件系統(tǒng)包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分。本書前七章圍繞計算機硬件系

統(tǒng)組成的五大部分展開討論：第1章為概論；第2章為計算機中的數制及編碼；第3章為總線系統(tǒng)；第4章為存儲

器；第5章為輸入/輸出系統(tǒng)；第6章為指令系統(tǒng)；第7章為中央處理器。后兩章可為硬件實驗提供設計參考：第8

章為匯編語言及其程序設計，第9章為中斷系統(tǒng)。

本書結構清晰、深入淺出、通俗易懂，既可作為普通高等院校計算機類相關專業(yè)的“計算機組成原理”課程的

教學用書，也可作為計算機硬件愛好者的學習和參考書。

圖書在版編目（CIP）數據

計算機組成原理教程/徐東，姜志明主編.—北京：中國

鐵道出版社有限公司，2022.3

普通高等教育“十四五”計算機類專業(yè)系列教材

ISBN978-7-113-28828-0

Ⅰ.①計…Ⅱ.①徐…②姜…Ⅲ.①計算機組成原理-

高等學校-教材Ⅳ.①TP301

中國版本圖書館CIP數據核字（2022）第020320號

書名：計算機組成原理教程

作者：徐東姜志明

策劃：李志國賈星編輯部電話：（010）63549501

責任編輯：賈星賈淑媛

封面設計：劉穎

責任校對：孫玫

責任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號）

網址：/51eds/

印刷：北京富資園科技發(fā)展有限公司

版次：2022年3月第1版2022年3月第1次印刷

開本：880mm×1230mm1/16印張：18字數：469千

書號：ISBN978-7-113-28828-0

定價：49.80元

版權所有侵權必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質量問題，請與本社教材圖書營銷部聯系調換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報電話：（010）63549461

前言

習近平總書記在黨的十九大報告中指出：“建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程?！痹谌珖逃髸?/p>

上，習總書記進一步提出了“加快推進教育現代化、建設教育強國”的新要求。改革開放以來，黨中央一直十分

重視教育事業(yè)發(fā)展，先后提出并實施了科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略和創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，把教育放在優(yōu)先發(fā)展

的戰(zhàn)略位置上，全面深化教育改革，大力推進教育事業(yè)發(fā)展，建成了世界上最大規(guī)模的教育體系，使我國教育水

平邁進世界中上行列，為我國社會主義現代化建設事業(yè)提供了堅實的人才支撐和智力保障，促進了我國由人口大

國向人才資源大國的轉變，為加快教育現代化和教育強國建設奠定了堅實的基礎。

圍繞習總書記的重要論述，各地高校緊密結合地方經濟建設發(fā)展需要，開展了專業(yè)建設和課程改革，優(yōu)化了

傳統(tǒng)學科專業(yè)，積極為地方經濟建設輸送人才，為我國經濟社會的快速健康和可持續(xù)發(fā)展，以及高等教育自身的

改革發(fā)展做出了巨大貢獻。

本書立足于計算機類相關專業(yè)，以專業(yè)基礎課為主，滿足高校多層次教學的需要。在規(guī)劃過程中體現了如下

一些基本原則和特點：

（1）面向多層次、多學科專業(yè)。本書內容堅持“理論+實踐”的原則，能夠滿足計算機類相關專業(yè)的教學和

實踐的需要。

（2）教學需要，促進教學發(fā)展。在選擇內容和編寫過程中，致力于學生能力的培養(yǎng)，具體體現于素質教育、

創(chuàng)新能力與實踐能力的培養(yǎng)。

（3）突出應用型本科培養(yǎng)特性，提升教材質量。在經典教學內容的基礎上，突出應用型本科特色，培養(yǎng)學生

分析問題和解決問題的能力，并引導學生做到舉一反三、融會貫通。

（4）一線教師擔任編寫工作。本書的主編及參編人員均承擔過計算機組成原理及計算機硬件類課程多年的教

學任務，將教學過程中的經驗融入本書，語言深入淺出，例子簡單易懂，適合教學的同時也能滿足自學讀者的需

要。書稿完成后由主審教師進行審稿和校對，保證了教材的質量。

全書共包含9章內容，遵循由簡至難的原則，旨在使讀者理解計算機系統(tǒng)的硬件結構以及各功能部件的組成

和工作原理，幫讀者建立計算機的整機概念，使讀者初步具備設計簡單計算機系統(tǒng)的能力，并對一些新技術、新

產品以及計算機硬件的發(fā)展方向有一定的了解，從而為進一步學習后續(xù)課程和進行與硬件有關的技術工作打下基

礎。教材先對計算機組成原理進行了總體概括，然后分別探討了計算機各組成部分的結構和原理，并結合80x86

I

計算機組成原理教程

系列特性，使讀者更容易理解計算機工作特性。具體內容包括：第1章為概論，對計算機組成原理進行了總體概

括和簡介；第2章重點討論了計算機的數制及編碼，為后面章節(jié)打下編碼基礎；第3章介紹了總線系統(tǒng)，讓讀者

初步形成整機意識；第4章介紹了存儲器，可深入了解存儲器體系結構及其工作特性；第5章介紹了輸入/輸出系

統(tǒng)，討論外圍設備、主機與外設之間的工作方式等；第6章和第7章介紹了指令系統(tǒng)和中央處理器，包括指令格

式、指令類型、中央處理器的硬件組成及工作原理等，并探討了微處理器的新技術；第8章為匯編語言及其程序

設計，以80x86為基礎，系統(tǒng)介紹匯編語言程序設計方法；第9章為中斷系統(tǒng)，旨在通過對中斷系統(tǒng)的學習，使

讀者進一步加深對整機的理解。

本書在內容的選取上符合應用型人才培養(yǎng)目標的要求，在內容的組織上遵循由淺入深、理論與實踐相結合的

原則，注重課程內容的前后聯系，通俗易懂，適用面廣，可以作為普通高等院校計算機相關學科和專業(yè)教材，也

可以作為其他理工類專業(yè)的選修教材。為滿足讀者的不同需求，本書將部分章節(jié)內容設置為可選項，并用“*”（星

號）加以標注。

本書由大連科技學院的老師合作編寫，由徐東、姜志明任主編，薄瑜、李琳、王璨、于文武任副主編，翟悅、

羅佳偉、于林林、張海波、郭楊參與編寫。全書由劉瑞杰主審。本書在編寫過程中參考了大量的著作、教材等資

料，在此向相關作者一并表示感謝。

雖然全體編寫人員都傾注了精力，力求盡善盡美，但由于編者水平有限，書中難免出現疏漏或不當之處，敬

請廣大讀者不吝指正，不勝感謝。

編者

2021年10月

II

目錄

第1章概論1

1.1計算機的基本結構和工作原理1

1.2計算機硬件的五個功能部件及其功能3

1.3計算機系統(tǒng)的基本組成及層次結構4

1.4計算機的系統(tǒng)結構、組成和實現6

1.5計算機系統(tǒng)的特性7

1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介9

1.7計算機的發(fā)展、應用與展望16

習題１20

第2章計算機中的數制及編碼22

2.1數據表示22

2.2計算機中的數制及數的轉換24

2.3二進制數的運算27

2.4數的表示法31

2.5數和字符的編碼36

習題242

第3章總線系統(tǒng)44

3.1總線概述44

3.2I/O總線接口49

3.3總線的仲裁51

3.4總線的通信控制和數據傳送模式54

3.5總線標準57

習題363

第4章存儲器65

4.1存儲器系統(tǒng)分級結構65

4.2半導體存儲器的分類及特點68

4.3隨機存儲器（RAM）71

4.4只讀存儲器（ROM）75

4.5新型存儲器78

4.6主存儲器系統(tǒng)設計80

4.7高速緩沖存儲器與虛擬存儲器88

4.8輔助存儲器93

習題4100

第5章輸入/輸出系統(tǒng)102

5.1主機和外設間的輸入/輸出接口102

I

計算機組成原理教程

5.2輸入/輸出的控制方式108

5.3外圍設備概述126

習題5134

第6章指令系統(tǒng)135

6.1指令格式135

6.2尋址方式139

6.3指令類型146

6.4指令系統(tǒng)的發(fā)展176

習題6180

第7章中央處理器181

7.1中央處理器的功能和組成181

7.2算術邏輯單元185

7.3控制器的組成和實現方法198

7.4時序系統(tǒng)與控制方式200

7.5微程序控制原理204

7.6控制單元的設計211

7.7流水線技術216

7.8精簡指令系統(tǒng)計算機219

7.9微處理器中的新技術220

習題7223

第8章匯編語言及其程序設計224

8.1匯編語言和匯編程序224

8.2MASM宏匯編語言程序的規(guī)范225

*8.3偽指令及其應用231

8.4指定處理器及簡化段定義偽指令235

8.5程序設計的基本方法238

8.6程序的基本結構及基本程序設計243

8.7實用程序設計舉例254

習題８262

第9章中斷系統(tǒng)264

9.1中斷控制方式的優(yōu)點264

9.28086/8088的中斷機構264

9.3外部中斷268

9.4中斷的優(yōu)先權管理268

*9.5IBMPC/XT微計算機的中斷系統(tǒng)270

*9.6中斷類指令及PCDOS系統(tǒng)功能調用272

習題9280

參考文獻281

II

第1章

概論

電子計算機的產生和發(fā)展是20世紀最重要的科技成果之一。近幾十年來，人們深刻地體會到了計算機給我們

的工作和生活所帶來的巨大變化。隨著計算機的日益普及，其應用也已深入到社會的各個角落，極大地改變著人

們的工作方式、學習方式和生活方式，成為信息時代的主要標志。在本書的第1章，我們將對計算機的發(fā)展背景

及其系統(tǒng)組成進行概述，內容包括：介紹計算機的基本結構和工作原理、計算機系統(tǒng)的基本組成及層次結構、計

算機硬件的體系結構及功能、計算機的特性、計算機的發(fā)展，并且通過舉例典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理來

進一步加深對計算機工作原理的理解。

1.1計算機的基本結構和工作原理

1.1.1計算機的基本結構

我們所說的計算機（Computer）實際上是指電子數字計算機（DigitalComputer）。計算機的一個比較確切的定

義是：計算機是一種以電子器件為基礎，不需要人的直接干預，能夠對各種數字化信息進行快速算術和邏輯運算

的工具，是一個由硬件、軟件組成的復雜的自動化設備。

電子數字計算機最初是作為一種計算工具出現的，它的算題過程和人們使用算盤算題過程極其相似。

1．算盤算題過程與所需設備

如果，現在要計算：21×12-117÷13=?

首先，需要有一個算盤作為計算工具；其次要用紙張來記錄和存放原始數據、中間結果和運算的最后結果。

這些原始數據、運算結果記錄到紙上是由筆來完成的，而整個運算過程又是在人的控制下進行的。其步驟概括

如下：

（1）人把算題和原始數據用筆記錄下來。

（2）人用算盤算21×12，然后把中間結果252用筆記在紙上。

（3）人用算盤算117÷13，得中間結果9，也用筆記在紙上。

（4）人用算盤將第一個中間結果252減去第二個中間結果9，得最后結果243，再用筆記錄到紙上。

2．計算機算題過程與所需設備

由計算機來完成上述的算題過程，首先需要一個能代替算盤完成各種運算的部件，這個部件稱為運算器。其

次是需要一個能記錄和存放原始數據、中間結果、運算結果的部件，這個部件叫做存儲器。計算機算題和人使用

算盤算題還有一個本質的區(qū)別：計算機算題過程是脫離人的干預的，即人事先把解題步驟按先后順序排列起來，

輸入到計算機的存儲器中，人只要指揮計算機運轉，計算機就會自動完成計算。這種解題步驟我們稱它為程序

（Program）。

存儲器是存放程序的部件。用來完成原始數據和程序輸入的裝置，稱為輸入設備。計算結果或中間結果的輸

出所用的裝置則稱為輸出設備。人的任務是編制程序和操作計算機，算題的全過程是在程序作用下依次發(fā)出各種

控制命令，操縱著計算過程一步步地進行，完全代替了人用算盤算題過程中的控制作用。我們把這種代替人起控

制作用、能依次發(fā)出各種控制信息的部件叫控制器。

1

計算機組成原理教程

綜上所述，計算機的基本組成包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分，如圖1.1所示。

圖1.1計算機的基本結構圖

1.1.2計算機工作原理

從圖1.1可見，計算機中的信息流主要有兩類：一類是數據流，圖中用雙線表示，包括原始數據、中間結果、

計算結果及程序的指令；另一類是控制命令信息流，圖中用單線表示。在計算機中，不管是數據還是控制命令，

它們都是由“0”和“l(fā)”組成的二進制信息流。

原始數據和程序通過輸入設備存入存儲器中（存儲器存放程序和數據的

示意圖見圖1.2），然后啟動計算機，計算機便在程序的控制下，按照存入的

順序取出指令；再按照人的意圖，自動進行全部運算，最后再通過輸出設備

輸出計算結果。運算過程中，數據從存儲器取入運算器進行運算，運算的中

間結果和最后結果可存入存儲器中，也可由運算器經過輸出設備輸出。

現在，仍以前面所舉的“21×12-117÷13”這道題為例，將計算機的工

作過程歸結如下：

第一步：由輸入設備將事先編制好的解題步驟（即程序）和原始數據（21，

12，117，13）輸入到存儲器指定編號的地方（或稱單元）存放起來。

第二步：命令計算機從第一條指令開始執(zhí)行程序，讓計算機在程序作用

下自動完成解題的全過程。這包括下列操作：

（1）把第一個數21從存儲器中取到運算器（取數操作）。

（2）把第二個數12從存儲器取到運算器，進行21×12的運算，并得到圖1.2存儲器中程序和數據的存儲

中間結果252（乘法運算）。

（3）將運算器中的中間結果252送到存儲器中暫時存放（存數操作）。

（4）把第三個數117從存儲器中取到運算器（取數操作）。

（5）把第四個數13從存儲器中取到運算器，并進行117÷13的運算，運算器中得到中間結果除9（除法

運算）。

（6）將運算器中的中間結果9送到存儲器中暫時存放（存數操作）。

（7）將暫存的二個中間結果先后取入運算器，進行252-9的運算，得到最后結果243，并存入存儲器。

（8）將最后結果243直接由運算器或存儲器經輸出設備輸出，例如打印在紙上。

（9）停機。

以上就是迄今為止，電子計算機所共同遵循的程序存儲和程序控制的原理。這種原理是1945年由馮·諾依曼

（JohnvonNeumann）提出的，故又稱為馮·諾依曼型計算機原理。

早期的計算機中，各個部件都是圍繞著運算器來組織的，其特點是，在存儲器和輸入/輸出設備之間傳送數據

都需要經過運算器。在當前流行的計算機系統(tǒng)結構中，更常用的方案則是圍繞著存儲器來組織的，如圖1.1所示。

這兩種方案并無實質性的區(qū)別，只是在一些小的方面做了部分改進，使輸入/輸出操作盡可能地繞過CPU，直接在

輸入/輸出設備和存儲器之間完成，以提高系統(tǒng)的整體運行性能。

2

第1章概論

圖1.1的五大基本組成部分是計算機的實體，統(tǒng)稱為計算機的硬件（Hardware）。而把包括解題步驟在內的各

式各樣的程序叫做計算機的軟件（Software）。硬件中的運算器、控制器和存儲器稱為計算機系統(tǒng)的主機，其中的

運算器和控制器相當于用算盤算題的人工系統(tǒng)中的算盤和人的作用，是計算機結構中的核心部分，又稱為中央處

理器（CentralProcessingUnit，CPU）。

1.2計算機硬件的五個功能部件及其功能

計算機系統(tǒng)的核心功能是執(zhí)行程序。為此，首先必須有能力把要運行的程序和用到的原始數據輸入計算機內

部并存儲起來，接下來應該有辦法逐條執(zhí)行這個程序中的指令以完成數據運算并得到運算結果，最后還要輸出運

算結果供人檢查和使用。為此，一套計算機的硬件系統(tǒng)至少需要五個相互連接在一起的部件或設備組成，如圖1.3

所示。

圖1.3計算機硬件系統(tǒng)的組成示意圖

圖1.3所示五個方框表示了計算機硬件的五個基本功能部件。其中，數據輸入設備完成把程序和原始數據輸

入計算機；數據存儲部件用于實現程序和數據的保存；數據運算部件承擔數據的運算和處理功能；數據輸出設備

完成把運算及處理結果從計算機輸出，供用戶查看或長期保存；而計算機控制部件則負責首先從存儲部件取出指

令并完成指令譯碼，然后根據每條指令運行功能的要求，向各個部件或設備提供它們所需要的控制信號，它在整

個硬件系統(tǒng)中起著指揮、協(xié)調和控制的作用。

可以把計算機想象為一個處理數據的工廠，那么數據運算部件就是數據加工車間，數據存儲部件就是存放原材

料、半成品和最終產品的庫房，數據輸入設備相當于運送原材料的運貨卡車，數據輸出設備相當于發(fā)出最終產品的

運貨卡車，計算機控制部件則相當于承擔領導、指揮功能的廠長和各個職能辦公室。在領導的正確指揮下，如果能

夠源源不斷地獲得原材料，工廠內又有存放的場所，車間能夠對這些原材料進行指定的加工處理，加工后的產品可

以暢通地運送出去并銷售，即這些硬件資源能協(xié)調工作，則這個工廠（計算機）就進入正常運行軌道了。

在圖1.3中，被稱為部件的三個組成部分通常是使用電子線路來實現的，安裝在一個金屬機柜內或者印制電

路板上，稱為計算機的主機。數據運算部件（運算器）和計算機控制部件（控制器）合稱為計算機的中央處理器。

在圖1.3中，被稱為設備的兩個組成部分通常是使用精密機械裝置和電子線路共同制造出來的，也可以合稱為輸

入/輸出設備，又稱為計算機的外圍設備。

圖1.3中間的是計算機中三種類型的總線。數據總線用于在這些部件或設備之間傳送屬于數據信息（指令和

數據）的電氣信號；地址總線用于在這些部件或設備之間傳送屬于地址信息的電氣信號，用于選擇數據存儲部件

中的一個存儲單元，或者外圍設備中的一臺設備；控制總線用于向存儲部件和外圍設備傳送起控制作用的電氣信

號，也就是指定在CPU和這些部件或者設備之間數據傳送的方向以及操作的性質（讀操作還是寫操作）等?？梢?/p>

看出，計算機的五個功能部件正是通過這三種類型的總線被有機地連接在一起的，從而構成一臺完整的、可以協(xié)

調運行（執(zhí)行程序）的計算機硬件系統(tǒng)。

3

計算機組成原理教程

前面介紹的內容還只限于“工廠的硬件組成”，也就是人員和廠房、設備等。只有這些，工廠還是運轉不起來

的，至少是很難運轉。要想成功運轉，還需要有一系列的規(guī)章制度、管理策略和經營辦法等“軟件”部分。計算

機系統(tǒng)也一樣，在硬件組成的基礎之上，還必須有軟件部分才能運轉，軟件部分主要包括操作系統(tǒng)、程序設計語

言及其支持軟件等。

1.3計算機系統(tǒng)的基本組成及層次結構

完整的計算機系統(tǒng)是由硬件（Hardware）和軟件（Software）兩大部分（即兩類資源）組成的。計算機的硬件

系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中看得見、摸得著的物理設備，是一種高度復雜的、由多種電子線路及精密機械裝置等構成的、

能自動并且高速地完成數據計算與處理的裝置或者工具。計算機的軟件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的程序和相關數據，

包括完成計算機資源管理、方便用戶使用的系統(tǒng)軟件（一般由廠家提供）和完成用戶預期處理的應用軟件（一般

由用戶設計并自己使用）這樣兩大部分。硬件與軟件二者相互依存，分工協(xié)作，缺一不可，硬件是計算機軟件運

行的物質基礎，軟件則為硬件完成預期功能提供智力支持，若進一步深入分析，還可以通過圖1.4所示的六個層

次來認識計算機硬件和軟件系統(tǒng)的組成關系。圖1.4中最下面的兩層屬于硬件內容，

最上面的三層屬于軟件內容，中間的指令系統(tǒng)層用于連接硬件和軟件兩部分，與兩部

分都有密切關系。

計算機系統(tǒng)可具有六層結構，不同層次之間的關系如下：

（1）處在上面的一層是在下一層的基礎上實現的，其功能更強大，也就是說，層

級越高越接近于人解決問題的思維方式和處理問題的具體過程，對于使用人員來說更

方便。使用本層提供的功能時，使用者不必關心其下一層的實現細節(jié)。

（2）處在下面的一層是上一層實現的基礎，更接近于計算機硬件的實現細節(jié)，其

功能相對簡單，人們使用這些功能時會感到更困難。

（3）實現本層功能時，可能尚無法了解其上一層的最終目標和將要解決的問題，

也不必理解其更下一層實現中的有關細節(jié)問題，只要使用下一層所提供的功能來完成

本層的功能即可。圖1.4計算機系統(tǒng)層次結構

采用這種分層次的方法來分析和解決某些問題，有利于簡化待處理問題的難度。在一段時間內，處理某一層

中的問題時，只需集中精力解決當前最需要關心的核心問題即可，而不必牽扯相關上下層中的其他問題。

各層的具體功能介紹如下：

第0層是數字邏輯層，著重體現實現計算機硬件的最重要的物質材料——電子線路，能夠直接處理離散的數

字信號。設計計算機硬件組成的基礎是數字邏輯和數字門電路，解決的基本問題包括使用何種器件存儲信息、使

用何種線路傳送信息、使用何種器件運算與加工信息等。

第1層是微體系結構（MicroArchitecture）層，也稱其為計算機裸機。眾所周知，計算機的核心功能是執(zhí)行程

序，程序是按一定規(guī)則和順序組織起來的指令序列。這一層次著重體現的是：為了執(zhí)行指令，需要在計算機中設

置哪些功能部件（例如，存儲、運算、輸入和輸出接口和總線等部件，當然還有更復雜一些的控制器部件）、每個

部件如何組成和怎樣運行、這些部件如何實現相互連接并協(xié)同工作等方面的知識和技術。計算機硬件系統(tǒng)通常由

運算器部件、控制器部件、存儲器部件、輸入設備和輸出設備這五個部分組成，這些部分是計算機組成原理課程

學習的主要內容。

第2層是指令系統(tǒng)（InstructionSet）層，該層介于硬件和軟件之間。它涉及確定提供哪些指令，包括指令能

夠處理的數據類型和對各種類型數據可以執(zhí)行的運算、每一條指令的格式和實現的功能、指出如何進行存儲單元

的讀/寫操作、如何執(zhí)行外圍設備的輸入/輸出操作、對哪些數據進行運算、執(zhí)行哪一種運算、如何保存計算結果

等。指令系統(tǒng)層的功能是計算機硬件系統(tǒng)設計、實現的最基本和最重要的依據，與計算機硬件實現的復雜程度、

程序設計的難易程度、程序占用硬件資源的多少、程序運行的效率等都直接相關。也就是說，硬件系統(tǒng)的功能就

是要實現每一條指令的功能，能夠直接識別和執(zhí)行由指令代碼組成的程序。當然，指令系統(tǒng)與計算機軟件的關系

4

第1章概論

也十分密切，指令是用于程序設計的。方便程序設計、節(jié)省硬件資源、有利于提高程序運行效率是對指令系統(tǒng)的

主要要求。一臺計算機的指令系統(tǒng)對于計算機廠家和用戶來說都是很重要的事情，需要非常認真、仔細地分析和

對待。指令系統(tǒng)設計屬于計算機系統(tǒng)結構的范圍，合理選擇可用的電子元件和線路來實現每一條指令的功能則是

計算機組成的主要任務。

第3層是操作系統(tǒng)（OperatingSystem）層。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，主要負責計算機系

統(tǒng)中的資源管理與分配，以及向使用者提供簡單、方便、高效的服務。計算機系統(tǒng)中包含許多復雜的硬件資源和

軟件資源，不僅對于普通用戶，就是水平很高的專業(yè)人員有時也難以直接控制和操作，因此由操作系統(tǒng)承擔計算

機系統(tǒng)的資源管理和調度執(zhí)行，會使系統(tǒng)的運行更可靠、更高效。同時，操作系統(tǒng)還為用戶提供了編程支持，它

與程序設計語言相結合，使得程序設計更簡單，創(chuàng)建用戶的應用程序和操作計算機也更方便。操作系統(tǒng)是依據（直

接或者間接）計算機指令系統(tǒng)所提供的指令設計出來的程序。它把一些常用功能以操作命令或者系統(tǒng)調用的方式

提供給使用人員，可以說，操作系統(tǒng)進一步擴展了原來的指令系統(tǒng)，提供了新的可用命令，從而構成了一臺比純

硬件系統(tǒng)（計算機裸機）功能更加強大的計算機系統(tǒng)。

第4層是匯編語言（AssemblyLanguage）層。計算機是由人指揮控制、供人來使用的電子設備。使用計算機

的人員要想辦法把自己的意圖傳遞給計算機，為了完成這種“對話”，就需要使用某種語言。如果人和計算機能直

接用自然語言對話當然是最好的了，但遺憾的是，到目前為止，計算機還不能真正聽懂人類的自然語言，更不可

能執(zhí)行人類自然語言的全部命令。最簡單的解決辦法是讓計算機使用其硬件可以直接識別、理解的，用電子線路

容易處理的一種語言，這就是計算機的機器語言，又稱為二進制代碼語言，也就是計算機的指令，一臺計算機的

全部指令的集合構成了該計算機的指令系統(tǒng)。由此可以看出，計算機的基礎硬件實質是在機器語言的層次上設計

與實現的，并且可以直接識別和執(zhí)行的只能是由機器語言構成的程序。這樣做的結果是計算機一方的矛盾是解決

了，但是使用計算機的人員卻很難接受并使用這種語言。為此，必須找出一種折中方案，使得人們使用計算機和

計算機實現都相對容易，這就要用到匯編語言、高級程序設計語言以及各種專用目標語言。

匯編語言大體上可看做是由對計算機機器語言符號化處理的結果，再增加一些為方便程序設計及實現的擴展

功能組成的。與機器語言相比，匯編語言至少有兩大優(yōu)點：首先，用英文單詞或其縮寫形式代替二進制指令代碼，

使其更容易被人們記憶和理解；其次，選用含義明確的英文單詞來表示程序中用到的數據（常量和變量），可以避

免程序設計人員直接為這些數據分配存儲單元，這些工作由匯編程序完成。匯編語言是面向計算機硬件本身的、

程序設計人員可以使用的一種計算機語言。匯編語言程序必須經過一個稱為匯編程序的系統(tǒng)軟件的翻譯，將其轉

換為計算機機器語言后，才能在計算機的硬件系統(tǒng)上執(zhí)行。

第5層是高級語言層，高級語言又稱算法語言（AlgorithmLanguage），它的實現思路不再是過分地向計算機指

令系統(tǒng)“靠攏”，而是著重面向解決實際問題所用的算法，更多的是考慮如何方便程序設計人員寫出能解決問題的

處理方案和解題過程。目前常用的高級語言有C、C++、VC++、Java、VB、Delphi等。用這些語言設計出來的程

序通常需要經過一個稱為編譯程序的軟件將其編譯成機器語言程序，或者首先編譯成匯編程序后，再經過匯編編

程得到機器語言程序，才能在計算機的硬件系統(tǒng)上執(zhí)行。

人們通常把沒有配備軟件的純硬件系統(tǒng)稱為“裸機”，這是計算機系統(tǒng)的根基或“內核”，它的設計目標更多

地集中在方便硬件實現和有利于降低成本這兩個方面，因此提供的功能相對較弱，只能執(zhí)行由機器語言編寫的程

序。為此，人們期望能開發(fā)出功能更強、更接近人的思維方式和使用習慣的語言，這是通過在裸機上配備適當的

軟件來完成的。每加一層軟件就構成新的“虛擬計算機”，功能更強大，使用也更加方便。例如，配備了操作系統(tǒng)，

就可以通過操作系統(tǒng)的命令（Command）或者窗口上的圖標方便地操作這個新的虛擬機系統(tǒng)；再配備匯編語言，

用戶就可以用它來編寫用戶程序，實現用戶預期的處理功能；配備了高級語言之后，用戶就可以使用高級語言更

方便、更高效地編寫程序，解決規(guī)模更為龐大、邏輯關系更為復雜的問題。由此，可以把前面說明的計算機系統(tǒng)

中的第1層至第5層分別稱為裸機、L1虛擬機（支持機器語言）、L2虛擬機（增加了操作系統(tǒng)）、L3虛擬機（支

持匯編語言）、L4虛擬機（支持高級語言）。

總之，我們強調要把計算機系統(tǒng)當做一個整體。它既包含硬件，也包含軟件，軟件和硬件在邏輯功能上是等

效的，即某些操作可由軟件實現，也可由硬件實現。故軟、硬件之間沒有固定的界線，主要受實際需要及系統(tǒng)性

5

計算機組成原理教程

能價格比所支配。隨著組成計算機的基本元器件的發(fā)展，其性能不斷提高，價格不斷下降，因此硬件成本下降。

與此同時，隨著應用不斷發(fā)展，軟件成本在計算機系統(tǒng)中所占的比例上升。這就造成了軟、硬件之間的界限推移，

即某些本來由軟件完成的工作由硬件去完成（即軟件硬化），同時也提高了計算機的實際運行速度。

1.4計算機的系統(tǒng)結構、組成和實現

1.4.1計算機系統(tǒng)結構的定義

計算機系統(tǒng)結構（ComputerArchitecture）也稱為計算機體系結構。這是1964年Amdahl在介紹IBM360系列

時提出的，在20世紀70年代被廣泛采用。由于器件技術的迅速發(fā)展，計算機硬、軟件界限在動態(tài)變化，因此，

對計算機系統(tǒng)結構定義的理解也不盡一致。

Amdahl提出：計算機系統(tǒng)結構是從程序設計者角度所看到的計算機的屬性，即概念性結構和功能特性，這實

際上是計算機系統(tǒng)的外特性。然而，從計算機系統(tǒng)的層次結構概念出發(fā)，不同級的程序設計者所看到的計算機屬

性顯然是不一樣的，因此，所謂“系統(tǒng)結構”就是指計算機系統(tǒng)中對各級之間界限的定義及其上、下的功能分配。

所以，各級都有其自己的系統(tǒng)結構，各級之間存在“透明”性，所謂“透明”性，一是指確實存在，二是指無法

監(jiān)測和設置。在計算機系統(tǒng)中，低層的概念性結構和功能特性，對高層來說是“透明”的。計算機系統(tǒng)結構的研

究對象是計算機物理系統(tǒng)的抽象和定義，具體包括以下幾部分：

數據表示：定點數、浮點數編碼方式，硬件能直接識別和處理的數據類型和格式等。

尋址方式：最小尋址單位、尋址方式種類、地址計算等。

寄存器定義：通用寄存器、專用寄存器等的定義、結構、數量和作用等。

指令系統(tǒng)：指令的操作類型和格式，指令間排序和控制（微指令）等。

存儲結構：最小編址單位、編址方式、主存和輔存容量、最大編址空間等。

中斷系統(tǒng)：中斷種類、中斷優(yōu)先級和中斷屏蔽、中斷響應、中斷向量等。

機器工作狀態(tài)定義和切換：管態(tài)、目態(tài)等定義及切換。

I/O系統(tǒng)：I/O接口訪問方式，I/O數據源、目的、傳送量，I/O通信方式，I/O操作結束和出錯處理等。

總線結構：總線通信方式、總線仲裁方式、總線標準等。

系統(tǒng)安全與保密：檢錯、糾錯，可靠性分析，信息保護，系統(tǒng)安全管理等。

1.4.2計算機組成與實現

計算機組成（ComputerOrganization）是指計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現，包括機器級內的數據通道和控制信號

的組成及邏輯設計，它著眼于機器級內各事件的時序方式與控制機構、各部件功能及相互聯系。

計算機組成還應包括：數據通路寬度；根據速度、造價、使用狀況設置專用部件，如是否設置乘法器、除法器、

浮點運算協(xié)處理器、I/O處理器等；部件共享和并行執(zhí)行；控制器結構（組合邏輯、PLA、微程序）、單處理機或多

處理機、指令預取技術和預估、預判技術應用等組成方式的選擇；可靠性技術；芯片的集成度和速度的選擇。

計算機實現（ComputerImplementation）是指計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，

芯片的集成度和速度，芯片、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用芯片的設計，微組裝技術、總線驅動，電源、

通風降溫，整機裝配技術等。它著眼于芯片技術和組裝技術，其中，芯片技術起著主導作用。

1.4.3計算機系統(tǒng)結構、組成和實現之間的關系

計算機系統(tǒng)結構、組成和實現是三個不同的概念。系統(tǒng)結構是計算機物理系統(tǒng)的抽象和定義，計算機組成是

計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現，計算機實現是計算機組成的物理實現。它們各自有不同的內容，但又有緊密的關系。

6

第1章概論

例如，指令系統(tǒng)功能的確定屬于系統(tǒng)結構，而指令的實現，如取指、取操作數、運算、送結果等具體操作及

其時序屬于組成，而實現這些指令功能的具體電路、器件設計及裝配技術等屬于實現。

又如，是否需要乘、除指令屬于系統(tǒng)結構，而乘、除指令是用專門的乘法器、除法器實現，還是用加法器累

加配上右移或左移操作實現則屬于組成。乘法器、除法器或加法器的物理實現，如器件選擇及所用的微組裝技術

等屬于實現。

由此可見，具有相同系統(tǒng)結構（如指令系統(tǒng)相同）的計算機可以因為速度要求不同等因素而采用不同的組成。

例如，取指、譯碼、取數、運算、存結果可以順序執(zhí)行，也可以采用時間上重疊的流水線技術并行執(zhí)行以提高執(zhí)

行速度。又如乘法指令可以采用專門的乘法器實現，也可以采用加法器通過累加、右移實現，這取決于機器要求

的速度、程序中乘法指令出現的頻度及所采用的乘法算法等因素。如出現頻度高、速度快，可用乘法器；如出現

頻度低，則用后種方法對機器整體速度下降影響不大，卻可顯著降低價格。

同樣，一種計算機組成可以采用多種不同的計算機實現。例如：主存可用TTL芯片，也可用MOS芯片；可

用LSI工藝芯片，也可用VLSI工藝芯片。這取決于器件的技術和性能價格比。

總而言之，系統(tǒng)結構、組成和實現之間的關系應符合下列原則：系統(tǒng)結構設計不應對組成、實現有過多和不

合理的限制；組成設計應在系統(tǒng)結構的指導下，以目前能實現的技術為基礎；實現應在組成的邏輯結構指導下，

以目前的器件技術為基礎，以性能價格比的優(yōu)化為目標。

1.5計算機系統(tǒng)的特性

計算機系統(tǒng)從功能和結構兩方面看都具有明顯的多層次性質，此外，從不同角度看，計算機系統(tǒng)還具有許多

其他重要特性。

1.5.1計算機等級

計算機系統(tǒng)按其性能與價格的綜合指標通常分為巨型、大型、

中型、小型、微型等若干級。但是，隨著技術進步，各個等級的

計算機性能指標都在不斷地提高，以致于30年前的一臺大型機的

性能甚至比不上如今的一臺微型計算機的性能?？梢?，用于劃分

計算機等級的絕對性能標準是隨著時間變化而變化的。如果以不

變的絕對價格標準來劃分計算機等級，便可得到如圖1.5所示的

計算機等級與價格、性能關系示意圖。

計算機等級的發(fā)展遵循以下三種不同的設計思想：圖1.5計算機等級與價格、性能關系示意圖

（1）在本等級范圍內以合理的價格獲得盡可能好的性能，逐漸向高檔機發(fā)展，稱為最佳性能價格比設計。

（2）只求保持一定的可用的性能而爭取最低的價格，稱為最低價格設計，其結果往往是從低檔向下分化出新

的計算機等級。

（3）以獲取最高性能為主要目標而不惜增加價格，稱為最高性能設計，于是產生最高等級計算機。

第（1）類設計主要針對大、中型計算機用戶需要，生產主計算機以及超級小型機；第（2）類設計以普及應

用計算機為目標，生產數量眾多的微、小型計算機；第（3）類設計只滿足少數用戶的特殊需要，在數量上不占主

流。圖1.5所示的斜虛線為等性能線，它反映了較高等級的計算機技術向較低等級計算機推廣及轉移的趨勢。

1.5.2計算機系列

系列機概念指的是先設計好一種系統(tǒng)結構，而后就按這種系統(tǒng)結構設計它的系統(tǒng)軟件，按器件狀況和硬件技

術研究這種結構的各種實現方法，并按照速度、價格等不同要求，分別提供不同速度、不同配置的各檔機器。系

7

計算機組成原理教程

列機必須保證用戶看到的機器屬性一致。例如，IBMAS400系列，數據總線有16、32、64位之分，而數據表示方

式一致，系統(tǒng)的軟件必須兼容。系列機軟件兼容，指的是同一個軟件（目標程序）可以不加修改地運行于系統(tǒng)結

構相同的各臺機器中，而且所得的結果一致。軟件兼容有向上兼容和向下兼容兩個含義：向上兼容指的是低檔機

器的目標程序（機器語言級）不加修改就可以運行于高檔機器中；向下兼容指的是高檔機器的目標程序（機器語

言級）不加修改就可以運行于低檔機器中。

1.5.3計算機的主要性能指標

為了進一步了解計算機的特性，全面衡量一臺計算機的性能，下面介紹計算機的主要性能指標。

1．機器字長

機器字長是指參與運算的數的基本位數，它是由加法器、寄存器的位數決定的，所以機器字長一般等于內部

寄存器的大小。字長標志著精度，字長越長，計算的精度就越高。

在計算機中為了更靈活地表達和處理信息，又以字節(jié)（Byte）為基本單位，用大寫字母B表示。1個字節(jié)等

于8位二進制位（bit）。

不同的計算機，字（word）的長度可以不相同，但對于系列機來說，在同一系列中字的長度應該是固定的。

如：Intel80x86系列中，一個字等于16位；IBM303x系列中，一個字等于32位。

2．數據通路寬度

數據總線一次所能并行傳送信息的位數，稱為數據通路寬度。它影響著信息的傳送能力，從而影響計算機的

有效處理速度。這里所說的數據通路寬度是指外部數據總線的寬度，它與CPU內部的數據總線寬度（內部寄存器

的大?。┯锌赡懿煌Ｓ行〤PU的內、外數據總線寬度相等，如Intel8086、80286、80486等；有些CPU的外部

數據總線寬度小于內部，如8088、80386SX等；也有些CPU的外部數據總線寬度大于內部數據寬度，如Pentium

等。所有的Pentium都有64位外部數據總線和32位內部寄存器，這一結構看起來似乎有問題，其實這是因為Pentium

有兩條32位流水線，它就像兩個合在一起的32位芯片，64位數據總線可以高效地滿足多個寄存器的需要。

3．主存容量

一個主存儲器所能存儲的全部信息量稱為主存容量。通常以字節(jié)數來表示存儲容量，這樣的計算機稱為字節(jié)

編址的計算機。也有一些計算機是以字為單位編址的，它們用字數乘以字長來表示存儲容量。表示容量大小時，

經常用到K、M、G、T、P之類的字符，它們與通常意義上的K、M、G、T、P有些差異，如表1.1所示。

表1.1K、M、G、T、P的定義

單位通常意義實際表示

K（Kilo）103210=1024

M（Mega）106220=1048576

G（Giga）109230=073741824

T（Tera）1012240=1099511627776

P（Peta）1015250=1125899906842624

1024B稱為1KB，1024KB稱為1MB，1024MB稱為1GB……計算機的主存容量越大，存放的信息就越多，

處理問題的能力就越強。

4．運算速度

計算機的運算速度與許多因素有關，如機器的主頻、執(zhí)行什么樣的操作以及主存本身的速度等。對運算速度

的衡量有多種不同的方法。

（1）根據不同類型指令在計算過程中出現的頻繁程度，乘上不同的系數，求得統(tǒng)計平均值，這時所指的運算

速度是平均運算速度。

8

第1章概論

（2）以每條指令執(zhí)行所需時鐘周期數（CyclesPerInstruction，CPI）來衡量運算速度。

（3）以MIPS和MFLOPS作為計量單位來衡量運算速度。

MIPS（MillionInstructionsPerSecond）表示每秒執(zhí)行多少百萬條指令。對于一個給定的程序，MIPS定義為

MIPS=指令條數/（執(zhí)行時間×106）（1-1）

這里所說的指令一般是指加、減運算這類短指令。

MFLOPS（MillionFloating-PointOperationsPerSecond）表示每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算。對于一個給定的

程序，MFLOPS定義為

MFLOPS=浮點操作次數/（執(zhí)行時間×106）（1-2）

1.6典型微處理器系統(tǒng)結構及工作原理簡介

為便于分析計算機結構，我們先從一個以實際系統(tǒng)為基礎經過簡化

的８位微處理器系統(tǒng)的典型模型著手，分析其基本結構和工作原理，然

后再過渡到實際的更復雜的計算機結構。因此，這里暫不考慮外圍設備

及其接口，而是先從一個由CPU和一片半導體存儲器構成的最簡單的

模型機著手進行分析。圖1.6所示為這種模型計算機結構。

1.6.1系統(tǒng)連接

我們知道CPU是計算機的核心。這個核心是靠三組總線將系統(tǒng)其圖1.6模型計算機結構

他部件存儲器、I/O接口連接起來的。三組總線是數據總線（DataBus，DB），地址總線（AdressBus，AB）和控

制總線（ControlBus，CB）。

1．數據總線（DB）

數據總線是傳輸數據或代碼的一組通信線，其條數與處理器字長相

等。8位微處理器的DB有8條，分別表示為D0~D7，D0為最低位。數據

在CPU與存儲器（或I/O接口）間的傳送是雙向的，因此DB為雙向總

線，其雙向的實現借助于雙向數據緩沖器，如圖1.7所示。當三態(tài)控制

信號TSC＝1時，輸入門開放，數據由存儲器（或I/O接口）流進CPU；

而TSC＝0時，則輸出門開放，數據自CPU內部傳輸到存儲器（或I/O

接口）。TSC信號由CPU內部產生；微處理器不同，用作TSC的信號也

不同。常用的信號是R/W（讀/寫控制信號）。

2．地址總線（AB）

地址總線是傳送地址信息的一組通信線，是微處理器用來尋址存儲圖1.7雙向數據緩沖器實現數據雙向傳輸

器單元（或I/O接口的端口）用的總線。8位微處理器的地址總線條數為16，分別用A0~A15表示，其中，A0為最

低位。由16位地址線可以指定216＝65536個不同的地址（常略稱為64K內存單元）。地址常用16進制數表示，

地址范圍為：0000H～FFFFH。計算機中常常又將256個單元稱為一個頁面，例如將0000H～00FFH的256個單

元稱為零頁頁面。

3．控制總線（CB）

控制總線是用來傳送各種控制信號的，這些信號是微處理器和其他芯片間相互反映情況和相互進行控制用的。

有的是CPU發(fā)給存儲器（或I/O接口）的控制信號，稱輸出控制信號，如Z-80的讀信號RD、寫信號WR。有的

又是外設通過接口發(fā)給CPU的控制信號，稱輸入控制信號，如Z-80中的中斷請求信號INT、NMI。控制信號間是

相互獨立的，其表示方法采用能表明含義的縮寫英文字母符號，若符號上有一橫線，表示用負邏輯（低電平有效），

9

計算機組成原理教程

否則為高電平有效。

1.6.2典型微處理器的內部結構

一個典型的8位微處理器的結構如圖1.8所示，主要包括以下幾個重要部分：累加器，算術邏輯單元（ALU），

狀態(tài)標志寄存器，寄存器陣列，指令寄存器，指令譯碼器和定時及各種控制信號的產生電路。

圖1.8典型微處理器的內部結構

1．累加器（A）和算術邏輯單元（ALU）

累加器（Accumulator，A）和算術邏輯單元（ArithmeticLogicUnit，ALU）主要用來完成數據的算術和邏輯

運算。

累加器是使用最頻繁的一個特殊的寄存器。在執(zhí)行算術邏輯運算時，它用來存放一個操作數，參加運算的

操作數在ALU中進行規(guī)定的操作運算，運算結束后，運算結果通常又放回累加器，其中原有信息隨即被破壞。

同時將操作結果的特征狀態(tài)送給標志寄存器。所以，顧名思義，累加器是用來暫時存放ALU運算結果的。CPU

中至少應有一個累加器。目前，CPU中通常有很多個累加器。當使用多個累加器時，就變成了通用寄存器堆結

構，其中任何一個既可存放目的操作數，也可以放源操作數。例如本書介紹的80x86系列CPU就采用了這種累

加器結構。累加器的字長和微處理器的字長相同，累加器具有輸入/輸出和移位功能，微處理器采用累加器結構

可以簡化某些邏輯運算。由于所有運算的數據都要通過累加器，故累加器在微處理器中占有很重要的位置。

算術邏輯單元（ALU）用來進行算術或邏輯運算以及移位循環(huán)等操作。ALU有2個輸入端和2個輸出端，其

中一端如前所述，接至累加器，接收由累加器送來的一個操作數；另一端通過數據總線接到寄存器陣列，以接收

來自內部數據總線的第二個操作數。它可以是數據緩沖寄存器（DataRegister，DR）中的內容，也可以是寄存器

陣列（RegisterArray，RA）中某個寄存器的內容。

2．控制器

控制器又稱控制單元（ControlUnit，CU），是全機的指揮控制中心。它負責把指令逐條從存儲器中取出，經

譯碼分析后向全機發(fā)出取數、執(zhí)行、存數等控制命令，以保證正確完成程序所要求的功能。

（1）指令寄存器（InstructionRegister，IR）：用來保存從存儲器取出的將要執(zhí)行的指令碼，以便指令譯碼器對

其操作碼字段進行譯碼，產生執(zhí)行該指令所需的微操作命令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內存取到數據緩沖寄

10

第1章概論

存器中，然后再傳送到指令寄存器中。

（2）指令譯碼器（InstructionDecoder，ID）：用來對指令寄存器中的指令操作碼字段（指令中用來說明指令功

能的字段）進行譯碼，根據指令譯碼的結果，以確定該指令應執(zhí)行什么操作，并輸出相應的控制信號。

（3）可編程邏輯陣列（ProgrammableLogicArray，PLA）：用來產生取指令和執(zhí)行指令所需要的各種操作電位、

不同節(jié)拍的信號、時序脈沖等執(zhí)行此條命令所需的全部控制信號，并經過控制總線送往有關部件，從而使計算機

完成相應的操作。

3．內部寄存器陣列

（1）程序計數器（ProgramCounter，PC）：有時也被稱為指令指針（InstructionPointer，IP），它被用來存放下

一條要執(zhí)行指令所在存儲單元的地址。在程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序的第一條指令所在的存

儲單元地