本書從計算機組成與交互計算的基本概念入手，全面講解了計算機硬件與軟件的組成、數(shù)據的表示與運算、存儲系統(tǒng)與總線連接、指令系統(tǒng)與處理器原理等核心知識。本書通過引入智能交互計算的概念，逐步引導讀者理解計算機系統(tǒng)的智能化發(fā)展趨勢，深入探討智能芯片、AI大模型及新一代智能計算系統(tǒng)的技術與應用。全書共12章，每章內容既注重基礎理論的講解，又結合實踐應用與發(fā)展趨勢展開。本書主要內容包括計算機組成與交互計算概論、計算系統(tǒng)的發(fā)展歷程、數(shù)據的表示、計算機的“四則運算”、數(shù)據的讀寫——存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)與智能交互、交互計算的核心——處理器、交互計算的鏈接——總線系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)和交互接口、交互計算的決策——控制單元、智能芯片和AI大模型、新一代智能交互計算系統(tǒng)。本書可作為高等學校計算機相關課程的教材，也可作為研究生入學考試參考用書，還可作為從事計算機技術開發(fā)與研究工作人員的參考資料。
本書是一本為廣大讀者量身定制的教材，旨在讓人工智能、計算機、軟件工程、信息安全、物聯(lián)網等領域的學生和從業(yè)人員深入了解計算機的構造和交互式計算。該書涵蓋了從計算機基礎架構到交互計算的前沿技術，旨在闡釋隱藏在計算機系統(tǒng)龐雜表象之下的核心原理。
前言
人工智能的迅猛發(fā)展正在深刻改變社會的方方面面，而交互計算作為連接人類與人工智能系統(tǒng)的關鍵技術，正發(fā)揮著越來越重要的作用。交互計算通過構建直觀、高效的人機交互方式，使人工智能技術能夠更好地滿足人類需求，同時推動智能系統(tǒng)在多個領域的廣泛應用。面對這一趨勢，高等教育的使命不再局限于培養(yǎng)適應技術變革的人才，更需要主動擁抱交互計算的前沿理論，為未來的科技發(fā)展提供理論支持和創(chuàng)新動力。計算機組成提供了交互計算所需的基礎硬件和軟件平臺，包括處理器、存儲器、I/O設備以及操作系統(tǒng)等關鍵組成部分。交互計算則利用這些資源，實現(xiàn)人與計算機之間的信息交換和智能處理。
本書是為了滿足人工智能、計算機科學與技術、軟件工程、信息安全、智能科學與技術等專業(yè)學生、從業(yè)人員以及對計算機結構和交互計算感興趣的讀者的需求而編寫的，旨在為讀者揭開計算機系統(tǒng)復雜外衣下的核心機理，對從計算機的基本組成到交互計算的前沿技術進行全面而深入的解讀。
本書既是一本介紹計算機組成基礎知識的教科書，也是一本探討計算機組成前沿技術的專業(yè)參考書。在這里，我們將一起探索計算機的歷史脈絡，理解其運算表示和處理過程，深入存儲系統(tǒng)的原理與設計，解析指令系統(tǒng)與智能交互的發(fā)展，詳細研究中央處理器的復雜機制，以及總線、I/O系統(tǒng)和交互接口的關鍵作用。書中不僅闡述了這些組件的工作原理，還探討了它們如何相互作用，實現(xiàn)了高效能和智能化計算的跨越。最后，我們將展望新一代智能計算系統(tǒng)，這些系統(tǒng)預示著未來計算技術的發(fā)展方向和可能達到的新高度。
本書的四大特點如下。
一、 立足經典計算機組成知識體系，融合交互計算前沿技術
本書以經典的計算機組成知識體系為根基，系統(tǒng)講解計算機硬件結構、體系設計與運行機制等核心內容，幫助讀者全面掌握計算機系統(tǒng)的基本原理與構造邏輯。在介紹傳統(tǒng)知識與理論的同時，本書緊跟技術發(fā)展潮流，深入結合交互計算這一前沿領域，探索人與計算機之間高效、智能的交互方式，將傳統(tǒng)的計算機組成理論與現(xiàn)代技術實踐深度融合。通過這一結合，讀者不僅能夠理解計算機系統(tǒng)的底層設計與優(yōu)化原理，還能掌握如何將這些知識應用于智能交互技術的實際開發(fā)，為未來在計算機科學與人機交互領域的創(chuàng)新實踐奠定扎實的基礎。
二、 配套“學堂在線”精品課程資源，實現(xiàn)理論與實踐高效融合
本書依托“學堂在線”平臺，配套高質量的精品課程資源，為讀者提供全方位的學習體驗。每章節(jié)均配有對應的視頻講解，由知名教學團隊傾力授課，內容覆蓋書中重點與難點，幫助讀者更深入地理解復雜理論。課程結合實際案例與操作演示，將理論與實踐緊密結合，使學習不再局限于紙面。課程資源兼具靈活性與系統(tǒng)性，支持隨時隨地碎片化學習，并提供詳盡的課后練習與實踐指導，幫助讀者鞏固知識、提升動手能力。通過“書本學習+在線課程”的雙軌模式，讀者不僅能夠系統(tǒng)掌握計算機組成與交互計算的核心知識，還能快速應用于技術實踐，實現(xiàn)理論與實踐的高效融合。
三、 配套10組仿真實驗，代碼與實驗指導書雙保障
本書以10個精心設計的實驗模塊為主線，全面覆蓋計算機組成原理的核心知識及其實際應用。每個實驗均配備詳細的實驗指導書與完整的代碼支持，從狀態(tài)機設計到運算器實現(xiàn)，從存儲器操作到外部中斷與鍵盤輸入，再到傳感器讀取與顯示屏控制，內容涵蓋硬件設計、微處理器交互與外圍設備控制等關鍵主題。通過具體實驗，如點亮流水燈、漢字交互顯示，以及復雜的硬布線控制器設計等，讀者不僅能夠學習和掌握單片機、存儲器與控制器的工作原理，還能在實踐中實現(xiàn)對計算機系統(tǒng)各組成部分的深刻理解。本書通過分步講解與配套仿真，幫助讀者將理論知識轉化為動手能力，同時為進一步學習計算機體系結構與嵌入式開發(fā)奠定堅實基礎。
四、 習題緊扣考研大綱要求，構建高效互動交流社區(qū)
本書精心設計了豐富的習題體系，緊貼考研大綱，全面覆蓋計算機組成原理的核心考點，如指令系統(tǒng)、存儲器結構、數(shù)據通路與控制、流水線等重點內容。習題形式多樣，涵蓋選擇題、填空題、分析與綜合設計題等，注重基礎鞏固的同時突出高頻難點與綜合應用能力的培養(yǎng)。為進一步提升學習效果，本書依托在線學習平臺，構建了高效互動交流社區(qū)，提供習題解析、實驗演示與在線答疑等功能，幫助讀者解決疑難問題、分享學習經驗，打造從知識學習到考研備考的全鏈條支持體系。
本書由“北京聯(lián)合大學教材資助項目”提供資助,由北京聯(lián)合大學機器人學院（人工智能學院）、北京市信息服務工程重點實驗室智能交互團隊出品，由北京強強源起科技有限公司提供技術支持，由“學堂在線”提供相關資源和后續(xù)服務。
本書提供如下資源:
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編者
2025年5月
徐成，工學博士，碩士研究生導師，IEEE、CCF、CAAI、IEICE等會員，北京市信息服務工程重點實驗室視覺智能研究所所長，北京數(shù)字科普協(xié)會人工智能專委會執(zhí)行秘書長，中國計算機用戶協(xié)會網絡分會理事，CCF分布式計算與系統(tǒng)專業(yè)委員會委員。主持和參加多個、省部級項目，發(fā)表SCI期刊20篇，發(fā)明專利7項，軟件著作權6項。近來在國等項目支持下，完成研發(fā)i10系列自動駕駛平臺。在新工科項目支持下研發(fā)“聯(lián)合彩虹”系列輪式機器人，用于與人工智能和機器人技術相關的專業(yè)的教學體驗、實驗、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和師生科研開發(fā)。
目錄
第1章計算機組成與交互計算概論/1
1.1計算機組成的基本概念和原理1
1.1.1計算機的硬件系統(tǒng)1
1.1.2計算機的軟件系統(tǒng)7
1.1.3計算機的主要性能指標9
1.1.4計算機的工作原理12
1.2交互計算的基本概念和特點13
1.2.1交互計算的概念13
1.2.2并行計算的發(fā)展14
1.2.3交互計算典型應用領域15
1.2.4人機交互與智能計算16
1.2.5智能計算系統(tǒng)21
1.3計算機組成與人工智能24
1.4本章小結26
1.4.1內容總結26
1.4.2常見問題27
1.4.3思考題27
第2章計算系統(tǒng)的發(fā)展歷程/29
2.1計算機的發(fā)展歷程和特點29
2.1.1計算機的發(fā)展歷史29
2.1.2發(fā)展階段的主要特征33
2.1.3計算機的發(fā)展趨勢33
2.2計算機處理器的發(fā)展與演變35
2.2.1處理器的發(fā)展歷史35
2.2.2處理器發(fā)展趨勢分析37
2.2.3多核處理器的演變38
2.2.4新興技術對CPU發(fā)展的影響40
2.3計算機的未來發(fā)展和創(chuàng)新44
2.3.1高性能處理器的演進與智能計算需求442.3.2存儲器系統(tǒng)的優(yōu)化與智能計算任務56
2.3.3I/O設備的改進與智能交互需求56
2.4本章小結60
2.4.1內容總結60
2.4.2常見問題61
2.4.3思考題61
第3章數(shù)據的表示/62
3.1數(shù)據表示的作用62
3.2無符號數(shù)和有符號數(shù)62
3.2.1無符號數(shù)62
3.2.2有符號數(shù)63
3.3數(shù)的定點表示和浮點表示67
3.3.1定點表示67
3.3.2浮點表示69
3.4計算機中的數(shù)據類型73
3.4.1匯編語言中的數(shù)據類型73
3.4.2高級語言中的數(shù)據類型74
3.4.3非數(shù)值數(shù)據表示76
3.4.4數(shù)據信息的校驗78
3.5本章小結86
3.5.1內容總結86
3.5.2常見問題86
3.5.3思考題87
第4章計算機的“四則運算”/88
4.1定點運算88
4.1.1移位運算88
4.1.2加減法運算90
4.1.3乘法運算92
4.1.4除法運算99
4.2浮點四則運算103
4.2.1浮點加減運算103
4.2.2浮點乘除運算105
4.3算術邏輯單元106
4.3.1ALU電路106
4.3.2快速進位鏈107
4.4本章小結111
4.4.1內容總結111
4.4.2常見問題112
4.4.3思考題112
第5章數(shù)據的讀寫——存儲系統(tǒng)/113
5.1存儲器的分類和層次結構113
5.1.1存儲器的分類114
5.1.2存儲器層次結構116
5.2主存儲器119
5.2.1主存儲器概述119
5.2.2半導體存儲芯片概述121
5.2.3隨機存取存儲器123
5.2.4只讀存儲器132
5.2.5存儲器與CPU的連接134
5.2.6存儲器的校驗136
5.2.7提高訪存速度的措施137
5.3高速緩沖存儲器（Cache）141
5.3.1概述141
5.3.2Cache—主存的地址映射145
5.3.3替換算法151
5.4輔助存儲器154
5.4.1概述154
5.4.2磁記錄原理和記錄方式155
5.5本章小結157
5.5.1內容總結158
5.5.2常見問題159
5.5.3思考題159
第6章指令系統(tǒng)與智能交互/160
6.1機器指令160
6.1.1指令系統(tǒng)概述160
6.1.2指令的一般格式161
6.1.3指令字長164
6.2操作數(shù)類型和操作類型164
6.2.1操作數(shù)類型164
6.2.2數(shù)據在存儲器中的存放方式165
6.2.3指令分類方法166
6.2.4操作類型167
6.3尋址方式170
6.3.1指令尋址170
6.3.2數(shù)據尋址170
6.4指令格式舉例176
6.4.1設計指令格式時應考慮的各種因素176
6.4.2指令格式舉例177
6.5RISC技術179
6.5.1RISC的產生和發(fā)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的比較180
6.6MIPS技術181
6.6.1MIPS指令概述181
6.6.2MIPS體系結構中的寄存器182
6.6.3MIPS指令格式182
6.6.4MIPS指令尋址方式183
6.7交互計算系統(tǒng)183
6.7.1計算: AI算力載體與核心183
6.7.2網絡: 核心器件突破算力瓶頸185
6.7.3存儲: 半導體產業(yè)獨立自主構建生態(tài)壁壘189
6.8本章小結191
6.8.1內容總結191
6.8.2常見問題192
6.8.3思考題192
第7章交互計算的核心——處理器/194
7.1CPU的基礎組成和工作原理194
7.1.1CPU的結構194
7.1.2CPU中的主要寄存器195
7.1.3操作控制器與時序產生器197
7.2指令周期197
7.2.1指令周期的基本概念197
7.2.2指令周期的數(shù)據流199
7.3指令流水200
7.3.1指令流水原理201
7.3.2影響流水線性能的因素203
7.3.3流水線性能207
7.3.4流水線中的多發(fā)技術208
7.3.5流水線結構210
7.4中斷系統(tǒng)211
7.4.1概述211
7.4.2中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯212
7.4.3中斷服務程序入口地址的尋找213
7.4.4中斷響應214
7.4.5保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場215
7.4.6中斷屏蔽技術216
7.5本章小結220
7.5.1內容總結220
7.5.2常見問題221
7.5.3思考題221
第8章交互計算的鏈接——總線系統(tǒng)/222
8.1總線的概念和結構222
8.1.1總線基本概念222
8.1.2總線分類223
8.1.3總線的特性及性能指標224
8.1.4總線結構225
8.2總線標準與技術229
8.2.1總線標準229
8.2.2新一代總線技術231
8.3總線控制233
8.3.1判優(yōu)控制233
8.3.2通信控制234
8.4本章小結236
8.4.1內容總結236
8.4.2常見問題237
8.4.3思考題238
第9章I/O系統(tǒng)和交互接口/239
9.1I/O系統(tǒng)的概念與組成239
9.1.1I/O系統(tǒng)基本概念239
9.1.2I/O系統(tǒng)基本組成240
9.2I/O設備基本組成240
9.2.1輸入設備與其工作原理240
9.2.2輸入方式242
9.2.3輸出設備與其工作原理244
9.2.4輸出方式248
9.3I/O設備與主機信息傳送的控制方式249
9.3.1程序查詢方式249
9.3.2程序中斷方式252
9.3.3DMA方式256
9.4I/O設備與主機的聯(lián)系方式259
9.4.1I/O設備編址方式260
9.4.2設備尋址261
9.4.3傳送方式261
9.4.4聯(lián)絡方式261
9.5I/O接口262
9.5.1I/O接口基本組成和主要功能262
9.5.2I/O接口類型263
9.6人機交互接口267
9.6.1基礎人機交互接口267
9.6.2新一代人機交互接口269
9.7本章小結270
9.7.1內容總結270
9.7.2常見問題271
9.7.3思考題271
第10章交互計算的決策——控制單元/272
10.1微操作命令的分析272
10.1.1取指周期272
10.1.2間址周期273
10.1.3執(zhí)行周期273
10.1.4中斷周期275
10.2控制單元的功能275
10.2.1控制單元的外特性275
10.2.2控制信號舉例276
10.2.3多級時序系統(tǒng)279
10.2.4控制方式281
10.2.5多級時序系統(tǒng)實例分析283
10.3控制單元的設計286
10.3.1組合邏輯設計286
10.3.2微操作的節(jié)拍安排287
10.3.3組合邏輯設計的步驟287
10.4微程序設計288
10.4.1硬布線控制器與微程序控制器288
10.4.2微程序控制單元框圖及工作原理289
10.4.3微指令的編碼方式、序列地址的形成及格式291
10.4.4靜態(tài)微程序設計、動態(tài)微程序設計和毫微程序設計295
10.4.5串并行微程序控制和微程序設計舉例296
10.5本章小結297
10.5.1內容總結297
10.5.2常見問題298
10.5.3思考題298
第11章智能芯片和AI大模型/300
11.1算力芯片的架構300
11.1.1通用架構301
11.1.2高性能計算架構304
11.1.3AI專用架構312
11.2AI大模型319
11.2.1AI開發(fā)框架與開發(fā)平臺319
11.2.2AI大模型的應用領域331
11.2.3DeepSeek開源大模型引領技術突破334
11.2.4AI大模型的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展335
11.3鯤鵬系列處理器337
11.3.1架構和特點337
11.3.2鯤鵬系列芯片338
11.3.3鯤鵬在人工智能領域的應用339
11.4本章小結340
11.4.1內容總結340
11.4.2常見問題341
11.4.3思考題341
第12章新一代智能交互計算系統(tǒng)/342
12.1無人駕駛和智能交通系統(tǒng)342
12.1.1無人駕駛系統(tǒng)342
12.1.2AI大模型賦能智能交通系統(tǒng)352
12.2智能服務機器人355
12.2.1服務機器人的類別356
12.2.2通用人形機器人358
12.2.3未來人形機器人的重要市場363
12.3具身智能364
12.3.1具身機器人的控制單元366
12.3.2具身機器人的算力和存儲366
12.3.3具身機器人的大模型370
12.3.4具身機器人的未來展望375
12.4本章小結379
12.4.1內容總結380
12.4.2常見問題380
12.4.3思考題381
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