名譽(yù)主任：陳火旺主任：李曉明副主任：錢德沛焦金生委員：（按姓氏筆畫排序）

　　馬殿富王志英王曉東寧洪劉辰

　　孫茂松李大友李仲麟?yún)浅瘯熀窝紫?

　　宋方敏張大方張長海周興社侯文永

　　袁開榜錢樂秋黃國興蔣宗禮曾明

　　廖明宏樊孝忠秘書：張瑞慶

　　本書主審：李曉明

　　前言FOREWORD對這一版的書名做了一點變動，增加了“基本原理、設(shè)計技術(shù)與工程實現(xiàn)”的副標(biāo)題，特意指出書中提供3類不同性質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容。第一類是計算機(jī)組成原理與運(yùn)行機(jī)制的核心知識，屬于學(xué)生一定要掌握的原理性基礎(chǔ)知識，在絕大多數(shù)的同類教材中都會重點講解。第二類是計算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)，多數(shù)同類教材中講解不多也欠具體應(yīng)用實例。第三類是計算機(jī)硬件系統(tǒng)的入門性工程實現(xiàn)問題，同類教材中較少涉及，我們希望在這一版的教材中對上述3類內(nèi)容都有適度的講解，其中的工程實現(xiàn)問題只在主教材中簡單提及，主要部分將放到《計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)實驗指導(dǎo)》教材中。這種安排體現(xiàn)了作者多年堅守的教學(xué)理念，從如下3個方面予以說明。

　　(1)針對計算機(jī)組成原理這一類含有較多技術(shù)性、工程性、實踐性內(nèi)容的課程，教學(xué)安排不宜過分局限于教師課堂講課、學(xué)生課上聽講和課后背書的學(xué)習(xí)方式，應(yīng)該在講課聽課的基礎(chǔ)上再較大幅度地加強(qiáng)教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)課程內(nèi)容的實用性，促成學(xué)生用課堂學(xué)到的理論知識，設(shè)計實現(xiàn)一臺組成簡單完整、原理清晰實用、實驗操作方便、支持匯編語言編程的簡小計算機(jī)系統(tǒng)，促使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識、掌握設(shè)計技術(shù)、提升實踐能力等諸方面得到全面成長。

　　(2)在講解計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成和功能實現(xiàn)時，應(yīng)該把口語性的一般講解和硬件描述語言的嚴(yán)謹(jǐn)描述恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來，鼓勵選用硬件描述語言設(shè)計計算機(jī)控制器和描述整機(jī)系統(tǒng)，既能體現(xiàn)計算機(jī)的最新設(shè)計技術(shù)和實現(xiàn)手段，保證教學(xué)內(nèi)容適度的先進(jìn)性，又可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式和對硬件問題的深入理解和準(zhǔn)確闡述，這有利于提高授課質(zhì)量，降低學(xué)習(xí)和實驗的難度。

　　(3)在課程的教學(xué)安排中，需要處理好硬件子系統(tǒng)（重點部分）和軟件子系統(tǒng)（配合部分）的關(guān)系，不能完全局限于硬件系統(tǒng)本身，還需要包含必要的軟件內(nèi)容，匯編語言程序設(shè)計應(yīng)該占有一定分量，加深對硬、軟件兩類資源各自在計算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用的理解。指令系統(tǒng)是連接硬、軟件系統(tǒng)的紐帶，匯編語言編程有助于深入了解指令系統(tǒng)、計算機(jī)整機(jī)組成與運(yùn)行控制機(jī)制。因此在教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)中配備了3個基本程序:PC仿真終端程序、交叉匯編程序、監(jiān)控程序，對多數(shù)同學(xué)來說做到會使用它們就夠了，鼓勵有余力的同學(xué)探索這幾個程序的實現(xiàn)思路和方法。

　　本書包括了數(shù)字電路基礎(chǔ)、計算機(jī)組成、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)3部分內(nèi)容，共13章。

　　第1章是全書內(nèi)容的概述部分，簡要介紹計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)的基本概念，從實現(xiàn)功能的角度介紹計算機(jī)硬件系統(tǒng)的5個功能部件;從功能和層次的觀點來講解計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)各自需要研究和解決的問題，并簡要說明了本課程的教學(xué)目標(biāo)和對學(xué)習(xí)方法的建議。

　　第2章簡明講解數(shù)字電路基礎(chǔ)知識和幾種常用的電路芯片，是為講解計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)做電子線路方面的準(zhǔn)備，沒有這些知識是很難學(xué)懂計算機(jī)硬件的組成和運(yùn)行原理的。

　　第3章的數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算、第4章的運(yùn)算器部件共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第1個知識單元，主要圍繞承擔(dān)數(shù)據(jù)運(yùn)算功能的運(yùn)算器部件進(jìn)行講解，在給出通用的基本原理知識的同時，還提供了設(shè)計實現(xiàn)一個原理性的8位運(yùn)算器模型和一個4位位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器芯片兩個實例，展現(xiàn)運(yùn)算器部件的設(shè)計過程和實現(xiàn)方法，提升學(xué)生的實踐能力。

　　前言計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（第3版）第5章的指令系統(tǒng)和第6章的控制器部件共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第2個知識單元，主要圍繞指令格式選擇、指令系統(tǒng)設(shè)計，以及硬件系統(tǒng)中的硬布線方案的控制器部件進(jìn)行講解，而對微程序方案控制器只作適當(dāng)介紹。在給出通用的基本原理知識的同時，提供了一套簡單實用的基本指令系統(tǒng)。硬件方面，選用多指令周期方案實現(xiàn)這套指令系統(tǒng)的控制器部件的具體例子，展現(xiàn)控制器部件的設(shè)計過程和實現(xiàn)方法，提升學(xué)生的實踐能力。軟件方面，使用這套指令系統(tǒng)設(shè)計了教學(xué)機(jī)的監(jiān)控程序，可以支持匯編語言程序設(shè)計；若再擴(kuò)展一部分指令，也可以支持解釋執(zhí)行的BASIC高級語言程序設(shè)計，能支持浮點數(shù)運(yùn)算和多種基本數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算。針對這門課程的教學(xué)要求來說，此時的教學(xué)機(jī)的硬軟件系統(tǒng)已經(jīng)比較完整，包括了計算機(jī)硬件軟件系統(tǒng)全部6個層次的基本內(nèi)容。

　　第7章的主存、第8章的高速緩存和虛存、第9章的輔助存儲器設(shè)備共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第3個知識單元，主要圍繞計算機(jī)3級結(jié)構(gòu)的存儲器件系統(tǒng)和外存儲器設(shè)備進(jìn)行講解，還給出了通過字、位擴(kuò)展技術(shù)，用靜態(tài)芯片構(gòu)建內(nèi)存儲器部件的具體例子，支持存儲器與CPU同步運(yùn)行，展現(xiàn)內(nèi)存儲器的功能和經(jīng)總線連接CPU的具體方法。

　　第10章的輸入輸出設(shè)備和第11章的輸入輸出系統(tǒng)共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第4個知識單元，主要圍繞承擔(dān)計算機(jī)的輸入輸出功能的設(shè)備或者部件進(jìn)行講解，給出了用于連接計算機(jī)各個部件的單總線結(jié)構(gòu)的實際例子，具體介紹了串行接口的內(nèi)部線路組成和使用方法，并通過串口連接PC仿真終端，選用程序查詢方式控制入出設(shè)備，使教學(xué)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)具備了輸入輸出操作功能。

　　第12章的流水線技術(shù)和第13章的并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第5個知識單元，對應(yīng)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的基礎(chǔ)知識，針對提高計算機(jī)系統(tǒng)的性能，更多地強(qiáng)調(diào)基本概念、提出問題的思路和解決問題的方案，基本上止步于定性說明。

　　教學(xué)過程中，可以根據(jù)不同的課程安排和教學(xué)要求，合理分配教材中3部分內(nèi)容的課時比例。針對把計算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合并成一門課程的安排，教材第3～13章的內(nèi)容都屬于必學(xué)知識，建議教學(xué)學(xué)時安排為70~90。若只是用于計算機(jī)組成原理課程，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容另外開課，則只需講解第3～11章中的知識，建議課內(nèi)學(xué)時安排為60~70，另外安排約16個實驗學(xué)時。

　　第2章用于復(fù)習(xí)先修課程的內(nèi)容，簡明介紹數(shù)字電路與邏輯設(shè)計知識，約占教材總篇幅的7%，是學(xué)習(xí)計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)一定會用到的電路基礎(chǔ)知識，也許要求并不太多也不深，但如果完全不了解這些內(nèi)容，要聽懂課堂授課內(nèi)容難度很大，設(shè)計實現(xiàn)一個小計算機(jī)系統(tǒng)更無從談起。

　　第1章、第3～11章是課程的主體部分，約占教材總篇幅的73%，主要是計算機(jī)組成方面較為完整的系統(tǒng)知識，重點圍繞基本計算機(jī)硬件系統(tǒng)5個功能部件的功能和組成進(jìn)行分析講解。

　　第12章和第13章是本課程的提高部分，約占教材總篇幅的20%，主要是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的基礎(chǔ)知識，重點介紹提高計算機(jī)系統(tǒng)性能的各種可行思路與基本途徑。

　　在教學(xué)環(huán)節(jié)安排中，需要處理好理論教學(xué)和教學(xué)實驗的關(guān)系，可以考慮（并非一定如此）用約四分之三的課內(nèi)學(xué)時（例如48學(xué)時）講授計算機(jī)組成與運(yùn)行機(jī)制的核心知識，四分之一的課內(nèi)學(xué)時中的一小部分（例如6學(xué)時）用于講解構(gòu)建整機(jī)系統(tǒng)用到的設(shè)計技術(shù)和工程實現(xiàn)問題。剩余的部分（例如10學(xué)時）和16個實驗學(xué)時統(tǒng)一安排用于教學(xué)實驗，在教師的指導(dǎo)下去完成設(shè)計實現(xiàn)小計算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心工作，更好地貫徹理論指導(dǎo)實踐，通過實踐再進(jìn)一步深入理解理論的認(rèn)知過程，做到學(xué)習(xí)知識和增長能力的雙豐收。

　　本教材配套的有:①內(nèi)容詳盡的教學(xué)實驗指導(dǎo)教材；②教學(xué)實驗設(shè)備（由清華大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)銷售，型號是TEC�瞂P�并颍�，選用教材第1～4個知識單元的部件實例組合而成，能夠確保課堂授課內(nèi)容和教學(xué)實驗項目完美的結(jié)合；③PowerPoint教學(xué)課件；④指令級軟件模擬系統(tǒng)，可以直接在PC系統(tǒng)中運(yùn)行，實現(xiàn)了與硬件設(shè)備相同的運(yùn)行功能。良好的教學(xué)實踐環(huán)境和實驗條件，可以有效地加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，并使得學(xué)生在一定程度上獲得開展研究工作和開展計算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計的實際經(jīng)驗，全面提高解決實際問題和創(chuàng)新思維的能力。

　　本書的第1～3章、第7～13章由宋佳興修訂，第4～6章由王誠修訂，作者有多年從事本專業(yè)教學(xué)和科研工作的經(jīng)歷。

　　由于時間和作者水平所限，加上時間倉促，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

　　編者2016年6月于清華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系這是第二版前言，不知要否，如果要，就可以用下面的前言FOREWORD作為“21世紀(jì)大學(xué)本科計算機(jī)專業(yè)系列教材”，遵照本系列教材評審組專家的意見，本書包括了數(shù)字電路基礎(chǔ)、計算機(jī)組成、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)3個部分內(nèi)容。本書讀者對象主要是學(xué)習(xí)計算機(jī)課程的大學(xué)生，包括計算機(jī)系的學(xué)生、軟件學(xué)院的學(xué)生和非計算機(jī)專業(yè)選修計算機(jī)課程的學(xué)生。可以根據(jù)不同的課程和教學(xué)要求，合理分配本教材中3部分內(nèi)容的課時比例。全書共13章，其中第2章屬于先修內(nèi)容，約占教材總量的7%，若是學(xué)生課前未曾學(xué)習(xí)過數(shù)字電路與邏輯設(shè)計課程，還是應(yīng)該用少量學(xué)時對教材第2章的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)講解；第3～11章是課程的主體部分，約占教材總量的73%，主要是計算機(jī)組成方面的知識，重點圍繞基本計算機(jī)硬件系統(tǒng)5個功能部件的功能和組成進(jìn)行講解分析；第12～13章是本課程的提高部分，約占教材總量的20%，主要是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的基礎(chǔ)知識，重點介紹提高計算機(jī)系統(tǒng)性能的各種可行思路與基本途徑。其中的指令流水線的淺顯內(nèi)容已經(jīng)出現(xiàn)在計算機(jī)組成原理課程之中，但多數(shù)人還是愿意把較為具體深入的指令流水技術(shù)安排到計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中講授。

　　針對把計算機(jī)組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合并成一門課程的情形，教材第3～13章的內(nèi)容都屬于必學(xué)知識，建議教學(xué)學(xué)時安排為70～90學(xué)時。若只是用于計算機(jī)組成原理課程，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容另外開課，則只需講解第3～11章中的知識，建議教學(xué)學(xué)時安排為60～70學(xué)時。教材主體部分的內(nèi)容是按照基本通用原理、簡明原理示例、典型產(chǎn)品現(xiàn)狀這樣3個層次來處理的。

　　基本通用原理是基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)與理解計算機(jī)組成與運(yùn)行機(jī)制的核心知識。其特點是穩(wěn)定性（不隨時間變遷而改變）和通用性（不隨具體機(jī)型而變化），是學(xué)生一定要掌握的部分。要把通用原理轉(zhuǎn)化成真實的計算機(jī)系統(tǒng)，還有許多技術(shù)與工程、性能價格比的平衡關(guān)系等需要解決。

　　在簡明原理示例這個層次，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用學(xué)習(xí)到的基本原理知識，學(xué)懂或者設(shè)計實現(xiàn)一臺硬軟件基本完整、實現(xiàn)簡單（易懂、價廉）、但不一定是最理想（不追求更完備的性能、更好的實用價值）的計算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)與過程，增加對所學(xué)知識的理解深度和應(yīng)用能力，力求把學(xué)習(xí)知識和增長實踐能力結(jié)合起來。

　　在典型產(chǎn)品現(xiàn)狀這個層次，將選擇某些典型計算機(jī)系統(tǒng)中的實例，給出其設(shè)計實現(xiàn)的結(jié)果及其外特性，可以體現(xiàn)用到的基本原理，更強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生了解計算機(jī)當(dāng)前的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀。對三個層次的教學(xué)要求不盡相同，對優(yōu)化學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)各自發(fā)揮不同的作用。

　　在講解計算機(jī)組成和功能時，把通常的文字?jǐn)⑹龊驼Z言VHDL描述結(jié)合起來，體現(xiàn)計算機(jī)的最新設(shè)計手段和實現(xiàn)技術(shù)，保證教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，并盡量在提高授課質(zhì)量，降低實驗、學(xué)習(xí)的難度方面做出新的探索。

　　教材內(nèi)容具體安排如下。

　　第1章是全書內(nèi)容的概述部分，簡要介紹計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)的基本概念，從實現(xiàn)功能的角度來講解計算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成；從功能和層次的觀點來講解計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)各自需要研究和解決的問題，并簡要說明了本課程的教學(xué)目標(biāo)和對學(xué)習(xí)方法的建議。

　　第2章簡明講解數(shù)字電路基礎(chǔ)知識和幾種常用的電路芯片，是為講解計算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)作電子線路方面的準(zhǔn)備，沒有這些知識是很難學(xué)懂計算機(jī)硬件的組成和運(yùn)行原理的。

　　第3章的數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算和第4章的運(yùn)算器部件共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第1個知識單元。主要圍繞計算機(jī)硬件系統(tǒng)中承擔(dān)數(shù)據(jù)運(yùn)算功能的部件進(jìn)行講解，在給出通用的基本原理知識的同時，還給出運(yùn)算器部件的具體例子，展示運(yùn)算器部件的設(shè)計過程和實現(xiàn)方法，提升學(xué)生的實踐能力。

　　前言計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（第3版）第5章的指令系統(tǒng)和第6章的控制器部件共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第2個知識單元。主要圍繞計算機(jī)硬件系統(tǒng)中承擔(dān)指揮控制功能的硬連線方案的控制器部件進(jìn)行講解，而對微程序控制器只作適當(dāng)介紹。在給出通用的基本原理知識的同時，還給出控制器部件的具體例子，展示控制器部件的設(shè)計過程和實現(xiàn)方法，提升學(xué)生的實踐能力。

　　第7章的主存、第8章的高速緩存和虛存以及第9章的輔助存儲器設(shè)備共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第3個知識單元。主要圍繞計算機(jī)3級結(jié)構(gòu)的存儲器件系統(tǒng)和外存儲器設(shè)備進(jìn)行講解，還給出了通過字、位擴(kuò)展技術(shù)，用存儲器芯片構(gòu)建內(nèi)存儲器的具體例子。

　　第10章的輸入輸出設(shè)備和第11章的輸入輸出系統(tǒng)共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第4個知識單元。主要圍繞承擔(dān)計算機(jī)的輸入輸出功能的設(shè)備或者部件進(jìn)行講解，給出了用于連接計算機(jī)各個部件的總線構(gòu)成的實際例子，具體介紹了串行接口的內(nèi)部線路的組成和使用方法。

　　第12章的流水線技術(shù)和第13章的并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成本書核心內(nèi)容的第5個知識單元。對應(yīng)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的主要知識，針對提高計算機(jī)系統(tǒng)的性能，更多地強(qiáng)調(diào)基本概念、提出問題的思路和解決問題的方案，基本上止步于定性說明。

　　通過本教材，學(xué)生可以學(xué)到數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識，了解某些電路芯片的功能和用法，初步認(rèn)識到某些邏輯功能是能夠使用數(shù)字電路實現(xiàn)的；可以從層次的觀點，掌握必要的基礎(chǔ)知識，計算機(jī)組成和運(yùn)行機(jī)制方面的知識，以及必要的專業(yè)知識基礎(chǔ)，為下一步的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步提高實際工作能力做好準(zhǔn)備；可以從系統(tǒng)的觀點，了解計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本知識，理解提高計算機(jī)的部件和整機(jī)硬件性能的各種可行途徑，理解計算機(jī)系統(tǒng)中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關(guān)系，能站在更高的層次上思考與解決學(xué)習(xí)、工作中遇到的問題。

　　為方便教學(xué)，本教材配有PowerPoint電子教案。除此之外，還有硬件實現(xiàn)的教學(xué)計算機(jī)設(shè)備，這個設(shè)備就是選用本教材第1～4個知識單元的實際例子組合而成的，確保課堂授課內(nèi)容和教學(xué)實驗項目能夠完美結(jié)合。還有內(nèi)容詳盡的教學(xué)實驗指導(dǎo)書和通過軟件模擬實現(xiàn)的相同功能的模擬系統(tǒng)。良好的教學(xué)實踐環(huán)境和實驗條件，能夠有效地加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，并使得學(xué)生在一定程度上獲得開展研究工作和計算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計的實際經(jīng)驗，全面提高解決實際問題和創(chuàng)新思維的能力。

　　本書的第1～6章由王誠教授修訂，第7～13章由宋佳興副教授修訂，作者有多年從事本專業(yè)教學(xué)和科研工作的經(jīng)歷。

　　由于時間和作者水平所限，書中難免存在不足之處，敬請廣大讀者批評指正。

　　作者2011年4月于清華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系