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王保恒 著

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出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040162141

商品编码：13703334463

包装：平装

出版时间：2005-01-01

图书基本信息
图书名称	计算机原理与设计
作者	王保恒
定价	33.20元
出版社	高等教育出版社
ISBN	9787040162141
出版日期	2005-01-01
字数	550000
页码	415
版次	1
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.4Kg

内容简介

本书从计算机部件及其行为层次角度系统地阐述了电子数字计算机的结构组成、逻辑功能、工作原理和实现方法。全书共7章，内容包括：计算机基本组成和工作原理，指令系统与设计，运算方法与运算器，控制器设计技术，存储器与存储器设计，输入输出控制方式以及计算机互连结构等。 本书取材较新，同时保留了经典计算机组成与设计的相关知识。本书采用实例数学的组织方式，内容由浅入深、相互联系。书中给出了大量的设计实例、例题和习题便于学习。 本书可作为高等院校计算机类、电子类和自动化类等相关专业的教材和参考书，也可供相关专业工程技术人员参考。

作者简介

目录

章 绪论 引言 1.1 计算机的发展史 1.2 计算机系统组成 1.3 计算机的工作过程 1.4 计算机的性能指标和分类 1.5 计算机应用与发展 小结 习题 第二章 指令系统 引言 2.1 数据表示 2.2 指令格式 2.3 寻址技术 2.4 基本指令和指令类型 2.5 指令系统的分类 2.6 指令系统设计与实例 小结 习题 第三章 运算方法与运算器 引言 3.1 基本运算 3.2 定点加（减）法运算 3.3 定点乘法运算 3.4 定点除法运算 3.5 浮点运算方法 3.6 运算器组织 小结 习题 第四章 控制器 引言 4.1 指令结构 4.2 控制器的基本设计技术 4.3 指令流控制和复杂指令的设计 4.4 微程序控制器技术 4.5 微程序的技术问题 4.6 微指令时序控制 小结 习题 第五章 存储器 引言 5.1 存储器概论 5.2 内存储器的工作原理 5.3 按内容寻址存储器CAM 5.4 内存储器的设计 5.5 磁表面存储器 5.6 光盘存储器 5.7 计算机的存储系统 小结 习题 第六章 输入/输出（I/O）控制 引言 6.1 外围设备简介 6.2 I/O控制的有关问题 6.3 程序直接控制传送 6.4 中断及程序中断控制传送 6.5 直接存储器访问DMA 6.6 I/O通道 小结 习题 第七章 计算机模块结构与互连 引言 7.1 模块结构与互连 7.2 总线系统概述 7.3 总线系统的结构 7.4 总线设计要素 7.5 PCI总线标准 小结 习题

编辑推荐

文摘

序言

《计算机原理与设计：王保恒著》是一本深入探讨计算机系统核心构成与运作机制的经典教材。本书旨在为读者构建一个坚实的计算机科学基础，理解从最底层的硬件逻辑到上层软件交互的整个流程。全书内容严谨，逻辑清晰，充分展现了作者在计算机体系结构、数字逻辑、微处理器设计等领域的深厚造诣。 第一部分：数字逻辑基础与逻辑门电路 本书的开篇，为读者铺设了理解计算机硬件的基石。它首先从最基本的数字信号入手，阐述了二进制数的概念及其在计算机中的重要性。接着，深入介绍了布尔代数及其基本定理，这是进行逻辑运算和电路设计的基础。随后，本书详细讲解了构成数字电路的基本逻辑门——AND、OR、NOT门，以及由此衍生的NAND、NOR、XOR、XNOR门。通过生动形象的图示和清晰的数学推导，读者能够深刻理解这些逻辑门的工作原理，以及它们如何组合实现复杂的逻辑功能。 本书不仅停留在理论层面，更侧重于实际应用。它会介绍如何利用逻辑门构建简单的组合逻辑电路，例如加法器、减法器、译码器、编码器和多路选择器等。读者将学习到如何根据逻辑真值表设计电路，以及如何优化电路以降低门数和延迟。此外，本书还会涉及时序逻辑电路的基础，包括触发器（D触发器、JK触发器、T触发器、SR触发器）的概念和工作原理，为后续理解存储单元和时序控制打下基础。 第二部分：组合逻辑电路的高级设计与应用 在掌握了基本逻辑门和组合逻辑电路的设计方法后，本书将引导读者进入更复杂的领域。它会详细介绍卡诺图（Karnaugh Map）的绘制和化简方法，这是一种非常直观且高效的逻辑函数化简工具，能够帮助读者快速得到最简的逻辑表达式，从而设计出性能更优的电路。同时，本书还会介绍Quine-McCluskey算法，作为一种系统化的化简方法，尤其适用于复杂逻辑函数的处理，能够弥补卡诺图在处理变量数量增多时的不足。 此外，本书还会深入探讨各种组合逻辑电路的设计实例，例如数据的比较器、并行加法器（如行波进位加法器、超前进位加法器）、多位乘法器、数据选择器（MUX）的应用以及解码器（Decoder）的设计。读者将学会如何根据具体需求，设计出满足特定功能的组合逻辑模块。这些模块是构成更复杂计算单元（如算术逻辑单元ALU）的关键组成部分。 第三部分：时序逻辑电路的设计与状态机 时序逻辑电路是计算机系统实现存储和序列操作的核心。本书将详细讲解触发器的基本原理，并在此基础上引入寄存器（Register）和移位寄存器（Shift Register）的概念。读者将理解寄存器如何存储一位或多位二进制信息，以及移位寄存器如何实现数据的左移、右移等操作，这对于数据传输和处理至关重要。 本书的重点将放在有限状态机（Finite State Machine, FSM）的设计上。它会详细介绍摩尔（Moore）型和米利（Mealy）型状态机的区别与联系，以及它们的状态转移图和状态表的设计方法。读者将学习如何通过分析问题，定义状态和转移条件，最终设计出能够按照特定序列执行任务的状态机控制器。例如，简单的序列发生器、交通灯控制器等实例将帮助读者将抽象的状态机理论应用于实际问题。 本书还会深入探讨时钟信号（Clock Signal）在时序逻辑电路中的作用，包括时钟的频率、占空比以及时钟沿触发的概念。读者将理解如何设计同步时序逻辑电路，并会触及亚稳态（Metastability）问题及其产生的原因和避免方法，这是设计可靠时序电路必须掌握的知识。 第四部分：存储器设计与层次结构 计算机的运行离不开存储。本书将从最基本的存储单元——触发器出发，讲解如何构建静态随机访问存储器（SRAM）和动态随机访问存储器（DRAM）的基本原理。读者将理解存储单元的读写操作是如何实现的，以及SRAM和DRAM在结构、性能和功耗上的差异。 本书还将介绍更高级的存储技术，如只读存储器（ROM）及其各种类型（PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory）。读者将理解ROM的不可编程性（或一次编程）和可编程性，以及它们在存储固件、查找表等方面的应用。 更重要的是，本书会引入存储器层次结构的概念。读者将理解计算机系统中为什么需要多级存储器，例如高速缓存（Cache）、主存（RAM）和辅存（硬盘）。它会解释缓存的工作原理，例如写回（Write-back）、写穿（Write-through）策略，以及缓存命中率（Hit Rate）和缺失率（Miss Rate）等关键指标，以及如何通过缓存策略来弥合处理器速度与主存速度之间的巨大差距。 第五部分：算术逻辑单元（ALU）与指令集体系结构（ISA） 本书将深入剖析计算机的核心计算部件——算术逻辑单元（ALU）。读者将学习如何将前面章节设计的加法器、减法器以及逻辑运算电路组合起来，构建一个能够执行多种算术和逻辑运算的ALU。本书会详细介绍ALU的设计，包括操作码（Opcode）的解码，以及如何根据操作码选择相应的运算单元。 随后，本书将引入指令集体系结构（Instruction Set Architecture, ISA）的概念。读者将理解ISA是软件与硬件之间的接口，定义了计算机能够执行的所有指令。本书会介绍指令的格式，包括操作码、寄存器、立即数等字段的含义。常见的指令类型，如数据传输指令（Load, Store）、算术指令（Add, Subtract, Multiply）、逻辑指令（AND, OR, NOT）、分支指令（Branch, Jump）以及系统调用指令等都会被详细讲解。 通过理解ALU和ISA，读者能够初步理解计算机是如何执行程序指令的。本书可能会以一个简单的简化指令集为例，展示如何设计一个能够执行这些指令的处理器。 第六部分：中央处理器（CPU）设计基础 在掌握了ALU和指令集之后，本书将进一步探讨中央处理器（CPU）的设计。读者将学习到CPU的基本结构，包括程序计数器（Program Counter, PC）、指令寄存器（Instruction Register, IR）、寄存器堆（Register File）、控制单元（Control Unit）以及ALU。 本书将详细讲解CPU的指令周期（Instruction Cycle），包括取指令（Fetch）、指令译码（Decode）、执行（Execute）、访存（Memory Access）和写回（Write-back）这五个阶段。读者将理解CPU是如何依次完成这些阶段，从而不断地从内存中取出指令并执行的。 本书还会介绍控制单元的设计，包括硬连线控制（Hardwired Control）和微程序控制（Microprogrammed Control）两种主要方式。硬连线控制通过组合逻辑电路直接生成控制信号，速度快但设计复杂；微程序控制则将指令的执行分解为一系列微指令，存储在控制存储器中，设计相对灵活。 第七部分：输入输出（I/O）系统与总线 计算机系统需要与外部世界进行信息交换，这部分内容将聚焦于输入输出（I/O）系统。本书将介绍I/O设备的基本类型，以及CPU如何与I/O设备进行通信。 本书将详细讲解I/O数据的传输方式，包括程序控制I/O、中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）。程序控制I/O效率较低；中断驱动I/O能够提高CPU的利用率；DMA则允许I/O设备直接与内存进行数据传输，极大地提升了数据传输的效率。 总线（Bus）是计算机系统中各个部件之间进行信息交换的通道。本书将介绍总线的类型，例如数据总线、地址总线和控制总线，以及总线的工作原理和握手协议。读者将理解总线是如何连接CPU、内存和I/O设备，并协调它们之间的数据流动的。 第八部分：计算机性能优化与未来展望 在掌握了计算机系统的基本原理之后，本书的最后部分将探讨如何提高计算机的性能。它会介绍一些重要的性能优化技术，例如流水线（Pipelining）技术，通过将指令的执行过程分解为多个阶段，让多个指令的各个阶段并行执行，从而提高指令吞吐量。 本书还会介绍指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP）的概念，包括超标量（Superscalar）处理器和乱序执行（Out-of-Order Execution）技术，这些技术旨在充分利用CPU的资源，提高指令的执行效率。 此外，本书还可能会对未来的计算机体系结构进行展望，例如多核处理器、GPU（图形处理器）的发展，以及并行计算和分布式计算的趋势，让读者对计算机技术的发展方向有一个初步的认识。 总而言之，《计算机原理与设计》以其全面、深入和严谨的讲解，为读者提供了一个完整的计算机系统知识体系。通过学习本书，读者将不仅能够理解计算机是如何工作的，更能为未来深入学习计算机科学的各个分支领域（如操作系统、编译器、计算机网络、嵌入式系统等）打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

最近，我正在学习一门关于计算机体系结构的高级课程，原本有些吃力，但偶然间遇到了王保恒老师的《计算机原理与设计》，感觉像是找到了救星。这本书的内容质量非常高，而且编排得非常巧妙。它从最基础的数电知识开始，一步步构建起复杂的计算机系统。我之前对CPU内部的执行单元、寄存器组、时钟信号等概念总是有点模糊，但这本书用非常直观的方式进行了讲解。特别是关于流水线技术的部分，书中详细地描绘了指令在流水线中的流动过程，并分析了可能出现的冲突以及如何解决，这让我对提高CPU的指令执行效率有了全新的认识。此外，书中对存储器系统，包括主存、高速缓存（Cache）和虚拟存储器的讲解也十分到位。我之前一直以为Cache只是一个简单的高速存储器，但这本书让我明白了它的多级结构、替换算法以及写策略是如何影响系统性能的。这对我理解程序访问内存的模式，以及如何编写更优化的内存访问代码非常有帮助。这本书的深度和广度都恰到好处，既有理论的严谨性，又不失工程的实用性，让我能够将课堂上的理论知识与实际的计算机设计更好地结合起来。

评分☆☆☆☆☆

这本《计算机原理与设计》真是太棒了！我一直对计算机的底层运作原理充满了好奇，但市面上很多书要么过于理论化，要么又过于碎片化，很难找到一本既系统又易于理解的入门读物。王保恒老师的这本书恰恰填补了我的这一需求。从开篇讲到计算机的发展历程，到最基础的二进制、逻辑门，再到更复杂的CPU结构、指令集、存储器层次等等，每一个知识点都讲解得非常清晰透彻。我尤其喜欢书中大量的图示和例子，它们将抽象的概念具象化，让我能够更容易地把握精髓。比如，在讲解CPU的工作流程时，书中描绘的流水线模型，配以生动的比喻，让我瞬间就理解了指令的取址、译码、执行等过程，这比死记硬背要有效得多。而且，这本书并非只停留在理论层面，还融入了实际的设计思想，让我明白这些原理是如何应用到实际的计算机硬件设计中的。读完之后，我感觉自己对计算机的理解上升了一个全新的层次，不再仅仅是一个只会操作界面的用户，而是能窥探到其心脏跳动的奥秘。对于任何想要深入了解计算机硬件的朋友来说，这本书绝对是不可多得的宝藏。它让我明白，计算机并非一个神秘的黑盒子，而是由一系列精巧的逻辑和设计组成的伟大工程。

评分☆☆☆☆☆

最近我一直在为一项嵌入式系统的设计项目寻找相关的理论基础，尤其是关于处理器和存储器协同工作的原理。王保恒老师的《计算机原理与设计》这本书，为我提供了非常宝贵的参考。书中关于CPU内部结构和指令执行流程的讲解，让我对ARM、x86等主流指令集架构有了更深入的认识，并了解了流水线、分支预测等关键技术是如何提升处理性能的。更重要的是，书中对存储器层次结构的详尽分析，从寄存器、Cache到主存，再到外部存储器，以及它们之间的数据流动和管理机制，都讲解得非常到位。这让我能够更好地理解内存访问延迟，以及如何通过合理的内存布局和访问模式来优化嵌入式系统的性能。此外，书中关于I/O系统的介绍，也让我了解了如何通过各种接口和总线与外围设备进行高效通信，这对于我设计嵌入式系统的硬件接口至关重要。这本书不仅仅是理论的讲解，更是融合了大量的工程实践和设计考量，让我能够将所学的知识应用到实际的开发中，解决项目中遇到的实际问题。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对计算机硬件感兴趣的业余爱好者，之前看过一些相关的书籍，但总觉得内容要么过于技术化，要么不够系统。这次阅读王保恒老师的《计算机原理与设计》，让我耳目一新。这本书的优点在于其内容的全面性和结构的合理性。它从最基础的数字逻辑电路讲起，逐步深入到CPU的设计、指令集架构、存储器层次结构、I/O系统等等，构建了一个完整的计算机系统知识体系。我特别喜欢书中对CPU设计原理的讲解，例如超标量、乱序执行等概念，虽然听起来很复杂，但作者通过图示和类比，将这些高级特性解释得非常清晰易懂。同时，书中还讨论了指令集架构（ISA）的设计，让我明白了不同指令集对处理器性能的影响。此外，关于存储器系统，从Cache的组织方式到虚拟存储器的工作原理，都进行了深入浅出的阐述，让我对计算机如何高效地访问和管理数据有了更深刻的理解。这本书不仅提供了理论知识，还融入了大量的工程设计思想，让我能够理解这些原理是如何被应用到实际的计算机硬件设计中的。对于任何想要系统了解计算机硬件原理的读者，这本书绝对是不二之选。

评分☆☆☆☆☆

作为一名计算机科学专业的学生，我一直在寻找一本能够真正帮助我理解计算机核心原理的教材。市面上教材众多，但很多要么内容过时，要么深度不够，要么讲解方式枯燥乏味。直到我接触到王保恒老师的《计算机原理与设计》，我才找到了我一直在寻找的那种“ Eureka！”时刻。这本书的逻辑结构非常清晰，从最基础的数字逻辑电路开始，循序渐进地引导读者进入更复杂的计算机体系结构。书中的概念讲解非常严谨，但又不失生动性。例如，在讲解CPU的微体系结构时，作者运用了大量的类比和实例，让我能够轻松理解超标量、乱序执行这些复杂的概念。而且，这本书在内容上非常全面，涵盖了从指令集设计、流水线技术、存储器管理到I/O系统等计算机体系结构的关键组成部分。它不仅提供了理论知识，还渗透了大量的工程实践和设计思想，让我能够更深刻地理解这些原理在实际计算机设计中的应用。我特别喜欢书中对于性能优化的讨论，这让我意识到，理解计算机的底层原理是写出高效代码的关键。这本书已经成为我学习计算机体系结构不可或缺的参考书，它不仅巩固了我课堂上的知识，更激发了我对计算机硬件设计和优化的浓厚兴趣。

评分☆☆☆☆☆

我是一名电子工程专业的学生，虽然我的专业侧重于硬件设计，但对于计算机系统整体的理解仍然是必不可少的。王保恒老师的《计算机原理与设计》这本书，为我提供了一个绝佳的视角来连接硬件与软件。这本书不仅仅是关于逻辑门和电路的堆砌，它更是深入探讨了如何将这些基础元件构建成一个能够执行复杂指令的计算机系统。我尤其欣赏书中对于CPU设计原理的详细阐述，从指令集架构（ISA）的选择，到如何实现指令的流水线执行，再到各种先进的性能优化技术，都讲解得非常透彻。书中关于存储器的章节也让我受益匪浅，对于DRAM、SRAM、Cache的工作原理，以及它们如何协同工作以实现高效数据访问，都有非常清晰的解释。这对于我理解内存访问延迟以及如何优化硬件设计来提高数据吞吐量非常有帮助。此外，书中还触及了I/O系统设计，让我了解到计算机如何与外部设备进行交互，这对于我设计嵌入式系统时考虑接口和通信协议非常重要。总的来说，这本书就像一座桥梁，将我所学的微电子和数字逻辑知识，与更宏观的计算机系统设计紧密联系起来，让我能够从一个更全面的角度去思考和设计电子系统。

评分☆☆☆☆☆

我是一名软件开发工程师，日常工作主要围绕着代码和算法打转，但总觉得对计算机的底层运作机制有些模糊。这次偶然翻阅了王保恒老师的《计算机原理与设计》，感觉像是打开了新世界的大门。书中的内容非常扎实，从计算机的硬件架构，到指令的执行过程，再到存储系统的设计，都进行了非常详尽的阐述。我之前一直对缓存、内存管理这些概念理解得不是很深刻，但看了这本书，特别是关于存储器层次结构的讲解，让我豁然开朗。书中的图表清晰地展示了各级存储器的速度、容量和成本之间的权衡关系，以及数据如何在它们之间流动。这种对细节的深入剖析，让我能够更好地理解程序的性能瓶颈在哪里，以及如何通过优化代码来充分利用硬件资源。书中还提到了指令集架构的设计，这对我理解不同处理器之间的差异，以及不同编译器的优化策略有很大的帮助。我甚至开始尝试去思考，在设计新的软件系统时，如何更好地考虑硬件的限制和优势。这本书让我对“软硬结合”有了更深刻的认识，不再是割裂的两个概念，而是相互依存、相互促进的整体。对于希望提升技术深度，尤其是那些想从纯粹的软件开发者向全栈或者底层优化方向发展的工程师来说，这本书无疑是极具价值的投资。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对计算机图形学和并行计算感兴趣的学生，我一直觉得对计算机底层硬件的理解是至关重要的。王保恒老师的《计算机原理与设计》这本书，正好弥补了我在这方面的知识短板。书中关于CPU流水线、多核处理器、SIMD指令集等内容的讲解，让我对现代高性能计算架构有了清晰的认识。特别是对SIMD指令的介绍，让我明白了为什么GPU在处理图形渲染和大规模数据并行计算方面能够如此高效。书中对存储器层次结构的分析，也帮助我理解了数据局部性对于程序性能的重要性，这对于优化并行计算算法，减少内存访问瓶颈非常有帮助。此外，书中对总线和I/O系统的介绍，也让我了解了数据如何在CPU、内存和外围设备之间高效传输，这对于理解GPU的数据传输和内存带宽要求非常有启发。这本书不仅仅是枯燥的理论堆砌，它通过生动的例子和清晰的逻辑，将复杂的计算机硬件原理变得易于理解，并与实际应用相结合，让我能够更好地理解高性能计算的底层机制，为我后续的学习和研究打下了坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

作为一名跨专业学习计算机科学的学生，我之前对硬件相关的知识储备非常薄弱。王保恒老师的《计算机原理与设计》这本书，就像是一本为我量身定制的入门指南。这本书的讲解风格非常友好，用词通俗易懂，避免了大量晦涩难懂的专业术语，即使是没有相关背景的读者也能轻松上手。我尤其喜欢书中对于计算机基本组成部分的介绍，从CPU、内存、输入输出设备到总线，都进行了详细的解释，让我对计算机的整体框架有了清晰的认识。书中对二进制、逻辑运算等基础知识的讲解也非常细致，让我彻底理解了计算机内部信息是如何表示和处理的。而且，这本书不仅仅是停留在概念层面，还穿插了大量的实例，例如如何用逻辑门实现加法器，如何构建一个简单的ALU等，这些都极大地增强了我的理解和动手能力。读完这本书，我感觉自己对计算机的“黑箱”有了清晰的认知，不再是对其运作感到神秘莫测。它为我后续更深入的学习打下了坚实的基础，也让我对接下来的计算机专业课程充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对计算机历史和技术演变充满好奇的爱好者，我一直渴望找到一本能够系统梳理计算机发展脉络，并深入剖析其中关键技术突破的书籍。王保恒老师的《计算机原理与设计》恰好满足了我的这一需求。这本书不仅讲解了计算机的核心原理，更是在讲解过程中穿插了大量的历史背景和技术发展故事，让我仿佛置身于那个激动人心的时代。从ENIAC的诞生，到冯·诺依曼体系结构的提出，再到微处理器革命的兴起，每一个重要的里程碑都被清晰地呈现出来。我尤其喜欢书中对不同时代计算机架构特点的比较分析，这让我能够理解为何技术会朝着现在的方向发展，以及在不同历史阶段，工程师们是如何克服技术挑战的。书中对指令集架构的讨论，也让我对RISC和CISC的演变有了更深的理解。它让我明白，技术的进步往往是螺旋上升的，新的理念建立在对旧有模式的批判和反思之上。这本书不仅仅是关于“是什么”，更是关于“为什么”和“如何”。它让我对计算机科学的发展史有了更深刻的认识，也让我对未来的技术发展趋势有了更清晰的预测。对于任何想要深入了解计算机技术演变历程的读者来说，这本书绝对是必读之作。