本书从计算机组成与交互计算的基本概念入手，全面讲解了计算机硬件与软件的组成、数据的表示与运算、存储系统与总线连接、指令系统与处理器原理等核心知识。本书通过引入智能交互计算的概念，逐步引导读者理解计算机系统的智能化发展趋势，深入探讨智能芯片、AI大模型及新一代智能计算系统的技术与应用。全书共12章，每章内容既注重基础理论的讲解，又结合实践应用与发展趋势展开。本书主要内容包括计算机组成与交互计算概论、计算系统的发展历程、数据的表示、计算机的“四则运算”、数据的读写——存储系统、指令系统与智能交互、交互计算的核心——处理器、交互计算的链接——总线系统、I/O系统和交互接口、交互计算的决策——控制单元、智能芯片和AI大模型、新一代智能交互计算系统。本书可作为高等学校计算机相关课程的教材，也可作为研究生入学考试参考用书，还可作为从事计算机技术开发与研究工作人员的参考资料。
本书是一本为广大读者量身定制的教材，旨在让人工智能、计算机、软件工程、信息安全、物联网等领域的学生和从业人员深入了解计算机的构造和交互式计算。该书涵盖了从计算机基础架构到交互计算的前沿技术，旨在阐释隐藏在计算机系统庞杂表象之下的核心原理。
前言
人工智能的迅猛发展正在深刻改变社会的方方面面，而交互计算作为连接人类与人工智能系统的关键技术，正发挥着越来越重要的作用。交互计算通过构建直观、高效的人机交互方式，使人工智能技术能够更好地满足人类需求，同时推动智能系统在多个领域的广泛应用。面对这一趋势，高等教育的使命不再局限于培养适应技术变革的人才，更需要主动拥抱交互计算的前沿理论，为未来的科技发展提供理论支持和创新动力。计算机组成提供了交互计算所需的基础硬件和软件平台，包括处理器、存储器、I/O设备以及操作系统等关键组成部分。交互计算则利用这些资源，实现人与计算机之间的信息交换和智能处理。
本书是为了满足人工智能、计算机科学与技术、软件工程、信息安全、智能科学与技术等专业学生、从业人员以及对计算机结构和交互计算感兴趣的读者的需求而编写的，旨在为读者揭开计算机系统复杂外衣下的核心机理，对从计算机的基本组成到交互计算的前沿技术进行全面而深入的解读。
本书既是一本介绍计算机组成基础知识的教科书，也是一本探讨计算机组成前沿技术的专业参考书。在这里，我们将一起探索计算机的历史脉络，理解其运算表示和处理过程，深入存储系统的原理与设计，解析指令系统与智能交互的发展，详细研究中央处理器的复杂机制，以及总线、I/O系统和交互接口的关键作用。书中不仅阐述了这些组件的工作原理，还探讨了它们如何相互作用，实现了高效能和智能化计算的跨越。最后，我们将展望新一代智能计算系统，这些系统预示着未来计算技术的发展方向和可能达到的新高度。
本书的四大特点如下。
一、 立足经典计算机组成知识体系，融合交互计算前沿技术
本书以经典的计算机组成知识体系为根基，系统讲解计算机硬件结构、体系设计与运行机制等核心内容，帮助读者全面掌握计算机系统的基本原理与构造逻辑。在介绍传统知识与理论的同时，本书紧跟技术发展潮流，深入结合交互计算这一前沿领域，探索人与计算机之间高效、智能的交互方式，将传统的计算机组成理论与现代技术实践深度融合。通过这一结合，读者不仅能够理解计算机系统的底层设计与优化原理，还能掌握如何将这些知识应用于智能交互技术的实际开发，为未来在计算机科学与人机交互领域的创新实践奠定扎实的基础。
二、 配套“学堂在线”精品课程资源，实现理论与实践高效融合
本书依托“学堂在线”平台，配套高质量的精品课程资源，为读者提供全方位的学习体验。每章节均配有对应的视频讲解，由知名教学团队倾力授课，内容覆盖书中重点与难点，帮助读者更深入地理解复杂理论。课程结合实际案例与操作演示，将理论与实践紧密结合，使学习不再局限于纸面。课程资源兼具灵活性与系统性，支持随时随地碎片化学习，并提供详尽的课后练习与实践指导，帮助读者巩固知识、提升动手能力。通过“书本学习+在线课程”的双轨模式，读者不仅能够系统掌握计算机组成与交互计算的核心知识，还能快速应用于技术实践，实现理论与实践的高效融合。
三、 配套10组仿真实验，代码与实验指导书双保障
本书以10个精心设计的实验模块为主线，全面覆盖计算机组成原理的核心知识及其实际应用。每个实验均配备详细的实验指导书与完整的代码支持，从状态机设计到运算器实现，从存储器操作到外部中断与键盘输入，再到传感器读取与显示屏控制，内容涵盖硬件设计、微处理器交互与外围设备控制等关键主题。通过具体实验，如点亮流水灯、汉字交互显示，以及复杂的硬布线控制器设计等，读者不仅能够学习和掌握单片机、存储器与控制器的工作原理，还能在实践中实现对计算机系统各组成部分的深刻理解。本书通过分步讲解与配套仿真，帮助读者将理论知识转化为动手能力，同时为进一步学习计算机体系结构与嵌入式开发奠定坚实基础。
四、 习题紧扣考研大纲要求，构建高效互动交流社区
本书精心设计了丰富的习题体系，紧贴考研大纲，全面覆盖计算机组成原理的核心考点，如指令系统、存储器结构、数据通路与控制、流水线等重点内容。习题形式多样，涵盖选择题、填空题、分析与综合设计题等，注重基础巩固的同时突出高频难点与综合应用能力的培养。为进一步提升学习效果，本书依托在线学习平台，构建了高效互动交流社区，提供习题解析、实验演示与在线答疑等功能，帮助读者解决疑难问题、分享学习经验，打造从知识学习到考研备考的全链条支持体系。
本书由“北京联合大学教材资助项目”提供资助,由北京联合大学机器人学院（人工智能学院）、北京市信息服务工程重点实验室智能交互团队出品，由北京强强源起科技有限公司提供技术支持，由“学堂在线”提供相关资源和后续服务。
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编者
2025年5月
徐成，工学博士，硕士研究生导师，IEEE、CCF、CAAI、IEICE等会员，北京市信息服务工程重点实验室视觉智能研究所所长，北京数字科普协会人工智能专委会执行秘书长，中国计算机用户协会网络分会理事，CCF分布式计算与系统专业委员会委员。主持和参加多个、省部级项目，发表SCI期刊20篇，发明专利7项，软件著作权6项。近来在国等项目支持下，完成研发i10系列自动驾驶平台。在新工科项目支持下研发“联合彩虹”系列轮式机器人，用于与人工智能和机器人技术相关的专业的教学体验、实验、创新创业教育和师生科研开发。
目录
第1章计算机组成与交互计算概论/1
1.1计算机组成的基本概念和原理1
1.1.1计算机的硬件系统1
1.1.2计算机的软件系统7
1.1.3计算机的主要性能指标9
1.1.4计算机的工作原理12
1.2交互计算的基本概念和特点13
1.2.1交互计算的概念13
1.2.2并行计算的发展14
1.2.3交互计算典型应用领域15
1.2.4人机交互与智能计算16
1.2.5智能计算系统21
1.3计算机组成与人工智能24
1.4本章小结26
1.4.1内容总结26
1.4.2常见问题27
1.4.3思考题27
第2章计算系统的发展历程/29
2.1计算机的发展历程和特点29
2.1.1计算机的发展历史29
2.1.2发展阶段的主要特征33
2.1.3计算机的发展趋势33
2.2计算机处理器的发展与演变35
2.2.1处理器的发展历史35
2.2.2处理器发展趋势分析37
2.2.3多核处理器的演变38
2.2.4新兴技术对CPU发展的影响40
2.3计算机的未来发展和创新44
2.3.1高性能处理器的演进与智能计算需求442.3.2存储器系统的优化与智能计算任务56
2.3.3I/O设备的改进与智能交互需求56
2.4本章小结60
2.4.1内容总结60
2.4.2常见问题61
2.4.3思考题61
第3章数据的表示/62
3.1数据表示的作用62
3.2无符号数和有符号数62
3.2.1无符号数62
3.2.2有符号数63
3.3数的定点表示和浮点表示67
3.3.1定点表示67
3.3.2浮点表示69
3.4计算机中的数据类型73
3.4.1汇编语言中的数据类型73
3.4.2高级语言中的数据类型74
3.4.3非数值数据表示76
3.4.4数据信息的校验78
3.5本章小结86
3.5.1内容总结86
3.5.2常见问题86
3.5.3思考题87
第4章计算机的“四则运算”/88
4.1定点运算88
4.1.1移位运算88
4.1.2加减法运算90
4.1.3乘法运算92
4.1.4除法运算99
4.2浮点四则运算103
4.2.1浮点加减运算103
4.2.2浮点乘除运算105
4.3算术逻辑单元106
4.3.1ALU电路106
4.3.2快速进位链107
4.4本章小结111
4.4.1内容总结111
4.4.2常见问题112
4.4.3思考题112
第5章数据的读写——存储系统/113
5.1存储器的分类和层次结构113
5.1.1存储器的分类114
5.1.2存储器层次结构116
5.2主存储器119
5.2.1主存储器概述119
5.2.2半导体存储芯片概述121
5.2.3随机存取存储器123
5.2.4只读存储器132
5.2.5存储器与CPU的连接134
5.2.6存储器的校验136
5.2.7提高访存速度的措施137
5.3高速缓冲存储器（Cache）141
5.3.1概述141
5.3.2Cache—主存的地址映射145
5.3.3替换算法151
5.4辅助存储器154
5.4.1概述154
5.4.2磁记录原理和记录方式155
5.5本章小结157
5.5.1内容总结158
5.5.2常见问题159
5.5.3思考题159
第6章指令系统与智能交互/160
6.1机器指令160
6.1.1指令系统概述160
6.1.2指令的一般格式161
6.1.3指令字长164
6.2操作数类型和操作类型164
6.2.1操作数类型164
6.2.2数据在存储器中的存放方式165
6.2.3指令分类方法166
6.2.4操作类型167
6.3寻址方式170
6.3.1指令寻址170
6.3.2数据寻址170
6.4指令格式举例176
6.4.1设计指令格式时应考虑的各种因素176
6.4.2指令格式举例177
6.5RISC技术179
6.5.1RISC的产生和发展179
6.5.2RISC的主要特征179
6.5.3CISC的主要特征180
6.5.4RISC和CISC的比较180
6.6MIPS技术181
6.6.1MIPS指令概述181
6.6.2MIPS体系结构中的寄存器182
6.6.3MIPS指令格式182
6.6.4MIPS指令寻址方式183
6.7交互计算系统183
6.7.1计算: AI算力载体与核心183
6.7.2网络: 核心器件突破算力瓶颈185
6.7.3存储: 半导体产业独立自主构建生态壁垒189
6.8本章小结191
6.8.1内容总结191
6.8.2常见问题192
6.8.3思考题192
第7章交互计算的核心——处理器/194
7.1CPU的基础组成和工作原理194
7.1.1CPU的结构194
7.1.2CPU中的主要寄存器195
7.1.3操作控制器与时序产生器197
7.2指令周期197
7.2.1指令周期的基本概念197
7.2.2指令周期的数据流199
7.3指令流水200
7.3.1指令流水原理201
7.3.2影响流水线性能的因素203
7.3.3流水线性能207
7.3.4流水线中的多发技术208
7.3.5流水线结构210
7.4中断系统211
7.4.1概述211
7.4.2中断请求标记和中断判优逻辑212
7.4.3中断服务程序入口地址的寻找213
7.4.4中断响应214
7.4.5保护现场和恢复现场215
7.4.6中断屏蔽技术216
7.5本章小结220
7.5.1内容总结220
7.5.2常见问题221
7.5.3思考题221
第8章交互计算的链接——总线系统/222
8.1总线的概念和结构222
8.1.1总线基本概念222
8.1.2总线分类223
8.1.3总线的特性及性能指标224
8.1.4总线结构225
8.2总线标准与技术229
8.2.1总线标准229
8.2.2新一代总线技术231
8.3总线控制233
8.3.1判优控制233
8.3.2通信控制234
8.4本章小结236
8.4.1内容总结236
8.4.2常见问题237
8.4.3思考题238
第9章I/O系统和交互接口/239
9.1I/O系统的概念与组成239
9.1.1I/O系统基本概念239
9.1.2I/O系统基本组成240
9.2I/O设备基本组成240
9.2.1输入设备与其工作原理240
9.2.2输入方式242
9.2.3输出设备与其工作原理244
9.2.4输出方式248
9.3I/O设备与主机信息传送的控制方式249
9.3.1程序查询方式249
9.3.2程序中断方式252
9.3.3DMA方式256
9.4I/O设备与主机的联系方式259
9.4.1I/O设备编址方式260
9.4.2设备寻址261
9.4.3传送方式261
9.4.4联络方式261
9.5I/O接口262
9.5.1I/O接口基本组成和主要功能262
9.5.2I/O接口类型263
9.6人机交互接口267
9.6.1基础人机交互接口267
9.6.2新一代人机交互接口269
9.7本章小结270
9.7.1内容总结270
9.7.2常见问题271
9.7.3思考题271
第10章交互计算的决策——控制单元/272
10.1微操作命令的分析272
10.1.1取指周期272
10.1.2间址周期273
10.1.3执行周期273
10.1.4中断周期275
10.2控制单元的功能275
10.2.1控制单元的外特性275
10.2.2控制信号举例276
10.2.3多级时序系统279
10.2.4控制方式281
10.2.5多级时序系统实例分析283
10.3控制单元的设计286
10.3.1组合逻辑设计286
10.3.2微操作的节拍安排287
10.3.3组合逻辑设计的步骤287
10.4微程序设计288
10.4.1硬布线控制器与微程序控制器288
10.4.2微程序控制单元框图及工作原理289
10.4.3微指令的编码方式、序列地址的形成及格式291
10.4.4静态微程序设计、动态微程序设计和毫微程序设计295
10.4.5串并行微程序控制和微程序设计举例296
10.5本章小结297
10.5.1内容总结297
10.5.2常见问题298
10.5.3思考题298
第11章智能芯片和AI大模型/300
11.1算力芯片的架构300
11.1.1通用架构301
11.1.2高性能计算架构304
11.1.3AI专用架构312
11.2AI大模型319
11.2.1AI开发框架与开发平台319
11.2.2AI大模型的应用领域331
11.2.3DeepSeek开源大模型引领技术突破334
11.2.4AI大模型的挑战与未来发展335
11.3鲲鹏系列处理器337
11.3.1架构和特点337
11.3.2鲲鹏系列芯片338
11.3.3鲲鹏在人工智能领域的应用339
11.4本章小结340
11.4.1内容总结340
11.4.2常见问题341
11.4.3思考题341
第12章新一代智能交互计算系统/342
12.1无人驾驶和智能交通系统342
12.1.1无人驾驶系统342
12.1.2AI大模型赋能智能交通系统352
12.2智能服务机器人355
12.2.1服务机器人的类别356
12.2.2通用人形机器人358
12.2.3未来人形机器人的重要市场363
12.3具身智能364
12.3.1具身机器人的控制单元366
12.3.2具身机器人的算力和存储366
12.3.3具身机器人的大模型370
12.3.4具身机器人的未来展望375
12.4本章小结379
12.4.1内容总结380
12.4.2常见问题380
12.4.3思考题381
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