教材设计与教学建议本教材主要讲解计算机五大部件的结构和原理、指令系统和总线的相关内容，共分为8章。第1章是对整个计算机的概述；第2章和第3章是介绍关于运算器部分的内容，包括各种基本元运算的实现以及运算器的硬件结构等，这就解释了“什么是程序”（程序的本质）的问题；第4章到第7章都是讲解“程序如何执行”（程序的外在）的问题，包括程序的存储（存储系统）、程序的执行（指令系统）、程序的控制（中央处理器）以及程序和结果的输入与输出（人机交互系统）；最后，第8章简单介绍了计算机系统的总线连接。
1.教材适用对象
本教材概念清楚，通俗易懂，教材中举例力求与当代计算机技术相结合，可作为高等学校计算机专业教材，也可作为其他科技人员的参考资料。
2.具备的知识和能力基础
学习本课程，需要具备基本的模拟电路和数字逻辑的基础，最好先修过《模拟电路》《数字电路》《数字逻辑》之类的课程，并且已经具有了基本的计算机基础知识、查阅资料及文献以及书面表达等能力。
3. 预期学习效果
本课程主要讲述计算机单机硬件系统的基本组成原理与运行机制。课程从组成硬件系统的五大部件出发，讲解了各组成部分的工作原理、设计方法以及构成整机系统的基本原理。主要内容有：计算机系统；数码系统；运算和运算器；存储系统；指令系统；中央处理器；总线和人机交互系统。
通过对计算机各部件工作原理、信息加工处理及控制过程的分析，使学生掌握基本的分析方法、设计方法和互连成整机的技术。通过学习本课程，能了解计算机一般组成原理与内部运行机制，为学习专业后继课程和进行与硬件有关的技术工作打好基础。
项目导学1
第1章计算机与计算机系统 3
1.1计算机发展简史 3
1.1.1计算机的由来 3
1.1.2计算机的发展 4
1.2计算机的特点及应用 5
1.2.1计算机的特点 5
1.2.2计算机的应用 6
1.3计算机的发展趋势与前景 9
1.4深入计算机系统 10
1.4.1计算机系统的硬件组成 10
1.4.2计算机系统的软件组成 12
1.4.3计算机硬件和软件之间的关系 12
1.5计算机系统的主要性能指标 13
1.6相关知识介绍 14
教学效果测评 15
第2章数码系统 20
2.1数制及其转换 21
2.1.1进位计数制中的重要概念 21
2.1.2几种常见的数制 21
2.1.3数制间的相互转换 22
2.1.4二数制中的一些常用表达 23
2.2数值数据描述 23
2.2.1无符号数和有符号数 23
2.2.2定点数和浮点数 24
2.2.3定点数的编码方案 25
2.2.4浮点数的编码方案 28
2.2.5十进制数的编码 29
2.3文本数据描述 29
2.3.1ASCII码 30
2.3.2汉字的编码 31
2.4其他信息形式的表示 33
2.4.1图像的格式简介 33
2.4.2有关音频编码 33
2.4.3视频格式中采用的技术 34
2.5数据校验 36
2.5.1校验码的工作原理 36
2.5.2奇偶校验码 36
2.5.3海明码 36
2.5.4循环冗余校验码（CRC） 38
2.6相关知识介绍 39
2.6.1编码 39
2.6.2Unicode 39
2.6.3BMP图片格式介绍 41
2.6.4浮点数格式 IEEE 754 44
实践环节设计 46
项目1：汉字的内码计算与查看（UP（2/4）） 46
项目2：文本文件的存储格式（UP（2/4）） 48
项目3：整数在计算机内的存储形式（UP（2/4）） 50
项目4*：浮点数在计算机内的存储形式（UP（2/4）） 52
教学效果测评 54
目录第3章运算和运算器 59
3.1逻辑运算及实现 59
3.2定点算术运算 60
3.2.1定点加减法 60
3.2.2定点乘法 64
3.2.3定点除法 70
3.3浮点算术运算 75
3.3.1浮点加减法 75
3.3.2浮点乘除法 76
3.4算术逻辑运算单元 76
3.4.1全加器 77
3.4.2串行进位并行运算补码加法器 77
3.4.3多功能算术逻辑单元 78
3.5相关知识介绍 79
3.5.1逻辑代数 79
3.5.2图灵机 80
教学效果测评 82
第4章存储系统 86
4.1存储系统概述 86
4.1.1存储器的分类 86
4.1.2存储系统的主要性能指标 87
4.1.3存储系统的层次结构 88
4.2主存储器系统 89
4.2.1半导体只读存储器 89
4.2.2半导体随机读写存储器 92
4.2.3微型计算机中的半导体存储器实例 94
4.3辅助存储系统 96
4.3.1磁介质存储器 97
4.3.2光介质存储器 98
4.3.3电子介质存储器 98
4.4主存储器的扩展与组织 99
4.4.1主存储器与CPU的连接 99
4.4.2主存储器的扩展 100
4.4.3主存储器的组织 103
4.5存储系统的发展 107
4.5.1高速缓冲存储器 107
4.5.2虚拟存储系统 108
4.5.3移动存储技术 108
4.5.4存储设备的发展 109
4.6相关知识介绍 110
4.6.1大端方案、小端方案 110
4.6.2边界对齐 111
4.6.3访问的局部性原理 111
4.6.4存储器基本术语 112
实践环节设计 112
项目5：存储器的位扩展（UP（4/8）） 112
项目6：存储器的字扩展（UP（4/8）） 113
项目7*：存储器的字位同时扩展（UP（4/8）） 115
项目8☆：高速缓冲存储器的应用（UP（4）） 115
教学效果测评 116
第5章指令系统 125
5.1指令系统基本概念 125
5.2指令的格式 126
5.2.1指令字长 126
5.2.2指令的地址码 126
5.2.3指令的操作码 127
5.3Intel 8086 CPU寄存器的结构及对存储器的管理 128
5.3.18086 CPU中的寄存器组 128
5.3.2内存的组织 130
5.4指令寻址 132
5.4.1立即数寻址方式 132
5.4.2寄存器寻址方式 133
5.4.3直接寻址方式 133
5.4.4寄存器间接寻址方式 134
5.4.5寄存器相对寻址方式 135
5.4.6基址变址寻址方式 136
5.4.7相对基址变址寻址方式 137
5.4.8隐含寻址方式 138
5.5指令系统的分类 138
5.5.1数据传送类指令 139
5.5.2算术运算类指令 140
5.5.3逻辑运算与移位类指令 142
5.5.4串处理指令 144
5.5.5控制转移类指令 144
5.5.6处理器控制类指令 145
5.6指令系统的发展 146
5.7相关知识介绍 147
5.7.1堆栈寻址 147
5.7.2设计指令格式需考虑的因素 148
实践环节设计 148
项目9：算术运算及对标志位的影响（UP（5/4）） 148
项目10：逻辑运算及对标志位的影响（UP（5/4）） 150
项目11：循环程序的执行（UP（5/4） ）151
教学效果测评 152
第6章中央处理器 157
6.1CPU的结构和功能 158
6.1.1CPU的组成 158
6.1.2指令的执行过程 159
6.1.3时序控制系统 159
6.2组合逻辑控制器 165
6.2.1组合逻辑控制器的概念 165
6.2.2组合逻辑控制器设计举例 165
6.3微程序控制器 167
6.3.1微程序设计中的有关术语 168
6.3.2微程序控制器的原理 168
6.3.3微指令的结构 169
6.3.4微程序控制器实例 171
6.4中断控制处理 174
6.4.1中断的概念 174
6.4.2中断系统 175
6.4.3中断的嵌套 182
6.4.4中断的处理过程 182
6.5CPU的发展 185
6.5.1指令流水线 185
6.5.2流水线性能 187
6.5.3流水线中的多发技术 189
6.5.4CPU的发展和典型CPU 189
6.6相关知识介绍 192
6.6.1CPU性能参数指标 192
6.6.2CPU产品标识 193
6.6.3多核技术 196
6.6.4CPU6个主要寄存器 196
实践环节设计 198
项目12：算术运算及对标志位的影响（UP（6/4）） 198
项目13：逻辑运算及对标志位的影响（UP（6/4）） 199
项目14*：算术逻辑综合运算及对标志位的影响（UP（6/4）） 201
项目15：中断系统（一）（UP（6/4）） 202
项目16*：中断系统（二）（UP（6/4）） 202
项目17☆：流水结构（UP（6/4）） 203
项目18*：虚拟模型机的设计（CP（1）） 204
教学效果测评 205
第7章人机交互系统 211
7.1人机交互系统概述 211
7.1.1人机交互的概念 211
7.1.2人机交互系统的组成 212
7.2人机交互控制方式 221
7.2.1直接程序控制方式 221
7.2.2中断程序控制方式 222
7.2.3直接存储器访问方式 222
7.2.4三种访问方式的特点 224
7.3典型人机交互设备 224
7.3.1键盘 224
7.3.2鼠标 228
7.3.3显示器 228
7.3.4打印机 231
7.3.5触摸屏 233
7.4人机交互的发展 233
7.5相关知识介绍 234
7.5.1人类工程学概述 234
7.5.2人机界面设计原则 235
7.5.3人机交互中的错误处理 236
实践环节设计 237
项目19：输入输出指令（UP（7/4/2）） 237
项目20：修改显示器缓冲区（UP（7/4/2）） 238
项目21*：屏蔽键盘（UP（7/4/2）） 239
项目22☆：直接存储器访问（DMA）方式（UP（7/4）） 240
项目23*：编码键盘（UP（7）） 240
教学效果测评 241
第8章总线 243
8.1总线与系统集成 243
8.1.1总线的产生 243
8.1.2总线结构 244
8.1.3总线的分类 245
8.1.4总线的特性 246
8.1.5总线的性能指标 247
8.2总线组成与控制 247
8.2.1总线驱动 248
8.2.2总线控制 248
8.2.3总线判优 248
8.2.4总线通信 250
8.2.5总线和I/O设备 251
8.2.6双向总线驱动芯片举例 251
8.3Pentium机总线结构 252
8.4总线结构的演化 253
8.4.1工业标准总线 254
8.4.2微通道总线 254
8.4.3扩充的工业标准总线 254
8.4.4局部总线 254
8.4.5PCI总线 255
8.5相关知识介绍 255
8.5.1现场总线技术 255
8.5.2USB接口 255
教学效果测评 256
附录ADEBUG基本命令 258
附A.1进入DEBUG 258
附A.2DEBUG命令 258
附A.2.1常用DEBUG命令概述 258
附A.2.2DEBUG命令中的参数说明 259
附A.2.3常用DEBUG命令介绍 259
附录BMATLAB基本操作 261
附B.1MATLAB简介 261
附B.2MATLAB基本命令 261
附B.3Simulink仿真工具 263
附B.3.1安装Simulink 263
附B.3.2建立仿真模型 265
附B.3.3常用模块介绍 266
附B.3.4运行仿真模型 271
附B.3.5子系统 271
附录C《计算机组成原理》虚拟实验仪 273
附C.1《计算机组成原理》虚拟实验仪简介 273
附C.2《计算机组成原理》虚拟实验仪的指令 275
附C.2.1传送类指令 276
附C.2.2算术运算类指令 279
附C.2.3逻辑运算类指令 284
附C.2.4转移类指令 286
附C.2.5中断控制类指令 289
附录D汇编程序的编译与链接 291
附D.1MASM.EXE 291
附D.2LINK.EXE 292
附录E教学的知识要点及掌握程度 294
附录F教学的能力要点及掌握程度 298
参考文献 299
计算机学科要解决的三个基本问题，也就是“什么是程序？程序如何执行？如何开发程序？”，而本课程要回答其中的两个问题，即“什么是程序”以及“程序如何执行”，因此，教材的逻辑结构围绕着这两个问题展开。在每一章后都附有相应的逻辑结构图，同时通过问题引出下一章的具体内容。教材的逻辑结构如下图所示。
课程逻辑图
