第3版前言

本次修訂再版的主要動因是補充精簡指令集計算機（RISC）方面的內(nèi)容。雖然第2版也有RISC相關(guān)的內(nèi)容，但僅限于指令系統(tǒng)特性的介紹，未涉及RISC的數(shù)據(jù)通路和控制器的設(shè)計。第3版以RISC�睼開源指令集架構(gòu)為例，介紹了單周期和流水線的數(shù)據(jù)通路以及控制器的設(shè)計方法，并且將第2版指令流水線的相關(guān)內(nèi)容合并到RISC這一章，補充了解決數(shù)據(jù)沖突的數(shù)據(jù)通路實例。

為了使讀者能夠更清楚地理解指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通路以及控制器設(shè)計方法上的內(nèi)在聯(lián)系，在章節(jié)組織上，將微程序控制的復(fù)雜指令集計算機和硬布線控制的精簡指令集計算機各獨立為一章，均從指令系統(tǒng)到一般性原理，再到具體實例，使讀者從中體會微架構(gòu)的發(fā)展變化。同時，第3版改變了以總線等信息傳送通道分類數(shù)據(jù)通路的方法，不再強調(diào)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)的單總線或多路徑，而是強調(diào)控制方法和性能的差別，分為單周期、多周期和流水線的數(shù)據(jù)通路。
第3版的另一個主要修訂是JUC系列教學(xué)模型機，將第2版的JUC�并蚰Ｐ蜋C改進(jìn)為JUC��3。為便于教學(xué)實施，JUC��3分成基本模塊和擴展模塊，本書主要介紹基本模塊，擴展模塊留待實驗環(huán)節(jié)討論。JUC��3主要對ALU電路進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)通路設(shè)計，相應(yīng)地修改了微指令格式，此外還有一些細(xì)節(jié)修改。
本次修訂延續(xù)了前兩版理論與實踐結(jié)合的特點。書中介紹的RISC�睼單周期和流水線結(jié)構(gòu)以及
JUC��3模型機已經(jīng)在FPGA上設(shè)計實現(xiàn)，并且經(jīng)過了兩輪實驗教學(xué)的檢驗。
課程組開發(fā)了遠(yuǎn)程FPGA虛擬實驗平臺，建設(shè)了實驗
慕課資源，與理論課程配合開展實驗教學(xué)。

各章的具體修訂情況如下。第1章中計算機的主要性能指標(biāo)增加了平均指令周期，這個概念在第2版中是放在控制器一章的，改到第1章便于理解與其他性能指標(biāo)的聯(lián)系。第2章補充了多媒體數(shù)據(jù)的表示。第3章擴充了例題和習(xí)題。第4章的修訂主要涉及
4.1.3節(jié)補碼加減運算的邏輯實現(xiàn)和4.6節(jié)運算器的組織，修改了算術(shù)運算電路和ALU電路實例，它們將用于JUC��3教學(xué)模型機； 補充了數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)類型，通過一個簡單的例子闡明單周期、多周期、流水線數(shù)據(jù)通路的概念，為第7章的硬布線控制打基礎(chǔ)。第5章修訂了非易失性半導(dǎo)體存儲器的相關(guān)內(nèi)容，并且將原第8章中的多模塊存儲器改到這一章。第6章抽取了第2版微程序控制和復(fù)雜指令系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，教學(xué)模型機升級為JUC��3，內(nèi)容上進(jìn)行了精簡。第7章從單周期、多周期和流水線的角度重寫了硬布線控制方法，增加了RISC�睼開源指令集構(gòu)架、RISC�睼的單周期微架構(gòu)設(shè)計和RISC�睼的流水線微架構(gòu)設(shè)計，同時將第2版第6章RISC相關(guān)內(nèi)容和第7章流水線相關(guān)內(nèi)容融合到這一章。第8章主要修改了高速緩存三種映像方式的組織結(jié)構(gòu)圖，相應(yīng)地重寫了文字講解并補充了例題； 虛擬存儲器部分沒有修改。第9章基本沒有修改。后增加了一個附錄，比較詳細(xì)地介紹了RISC�睼的指令系統(tǒng)。

第3版的修訂工作主要由肖鐵軍、丁偉、葛桂萍和馬學(xué)文完成。肖鐵軍負(fù)責(zé)第1章、第4章、第6章和第8章的修訂，丁偉負(fù)責(zé)第2章、第3章的修訂，葛桂萍負(fù)責(zé)第5章的修訂，第7 章的修訂工作由丁偉、葛桂萍和肖鐵軍合作完成，馬學(xué)文編寫了附錄。肖鐵軍和丁偉承擔(dān)了全書的統(tǒng)稿工作。鄒婷婷、楊旭東參加了本書第1版和第2版的編寫工作。

由于編者的水平有限，尤其RISC�睼是近年的新架構(gòu)，如果書中有疏漏之處，歡迎讀者提出意見和建議。
本書配套微課視頻，請讀者先用手機微信掃描封底刮刮卡，獲得權(quán)限，再掃描書中章節(jié)標(biāo)題
旁的二維碼，即可觀看相應(yīng)的教學(xué)視頻。其他教學(xué)資源可掃描下方二維碼獲得。本書還配套了在線作業(yè)系統(tǒng)，讀者可掃描封底刮刮卡，登錄作業(yè)系統(tǒng)，即可在線答題。

教學(xué)資源

編者
2021年7月

第2版前言

本書第1版出版后不少教師和讀者發(fā)來電子郵件，提出了許多寶貴的意見和建議。為了使本書能夠更好地適應(yīng)不同學(xué)校、專業(yè)的教學(xué)計劃，反映計算機技術(shù)的發(fā)展，第2版對書中內(nèi)容做了一些補充和修改、調(diào)整。第2版還配套了實踐教程，便于結(jié)合理論課開展實踐教學(xué)，倡導(dǎo)從設(shè)計的角度理解計算機的組成和工作原理的教學(xué)理念。
近年有些學(xué)校嘗試教學(xué)改革，將硬件相關(guān)基礎(chǔ)課程打通為一門計算機組成原理或計算機硬件基礎(chǔ)，為此本書第2版增加了信息表示和邏輯電路基礎(chǔ)兩章，其中信息表示一章除了介紹進(jìn)位計數(shù)制和定點數(shù)、浮點數(shù)的表示等內(nèi)容外，還增加了如何理解C語言數(shù)據(jù)類型的內(nèi)容。邏輯電路基礎(chǔ)一章除了邏輯代數(shù)基礎(chǔ)知識外，著重從應(yīng)用的角度介紹計算機中常用的基本邏輯模塊的功能�？紤]到有的專業(yè)沒有單獨開設(shè)匯編語言課程，指令系統(tǒng)這一章補充了匯編語言程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識。存儲器與存儲體系分為兩章，存儲器一章增加了相變存儲器等新型非易失性存儲器； 存儲體系一章重點對高速緩存做了修改。控制器和中央處理器一章介紹的模型機升級為JUC�并�，該模型機已經(jīng)在FPGA上實現(xiàn)，配套實踐教程設(shè)計了相應(yīng)的實驗和課程設(shè)計項目； 這一章安排在存儲體系之前，有利于更早地建立整機的概念，更好地理解高速緩存、虛擬存儲與CPU的關(guān)系。將第1版的輸入輸出系統(tǒng)和系統(tǒng)總線兩章合并為一章，刪除了教學(xué)中一般較少涉及的輸入輸出設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理以及I/O通道等內(nèi)容，重新組織了內(nèi)容。
本書第2版主要由肖鐵軍、丁偉、鄒婷婷、楊旭東、馬學(xué)文共同編寫，劉芳參加了第9章的部分編寫工作。歡迎讀者一如既往地對本書提出意見和建議。
編者
2014年9月

第1版前言

本書適用于高等院校計算機類各專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的本科生。計算機組成原理作為計算機專業(yè)的一門重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要討論計算機從部件到整機的組織結(jié)構(gòu)和工作原理，在課程體系中起著承上啟下的作用。

本書講述的是一般性原理，并不針對任何具體的商業(yè)機型，而是綜合了國內(nèi)外計算機類型中較為成熟的先進(jìn)技術(shù)，兼顧計算機發(fā)展的新技術(shù)、新成果，力求做到深入淺出。為了避免一般性的抽象原理不利于分析理解，本書既從面上反映不同的典型結(jié)構(gòu)，也有深入的分析，點面結(jié)合； 通過一個模型機的實例將相關(guān)章節(jié)聯(lián)系起來，終形成一個整機的概念，系統(tǒng)性較強。本書設(shè)計的JU�睠1教學(xué)微處理器已經(jīng)在FPGA上設(shè)計實現(xiàn)，可用于配套的實踐教學(xué)。
本書共分7章，授課學(xué)時為70～90學(xué)時，在教學(xué)中可根據(jù)具體情況對書中內(nèi)容進(jìn)行取舍。
第1章計算機系統(tǒng)概論首先透過計算機的發(fā)展歷程探究計算機技術(shù)飛速發(fā)展的動力所在，然后介紹了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的基本組成，使讀者建立整體概念，了解計算機各部件之間的關(guān)系，有利于后續(xù)的學(xué)習(xí)。
第2章討論運算方法和運算器，包括數(shù)制與編碼的基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)的表示方法和校驗方法、定點數(shù)和浮點數(shù)的四則運算及溢出判斷方法、運算器的組織結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)加工流程。
第3章介紹存儲器和存儲體系。存儲器以存儲位元存儲器芯片主存儲器為主線，講述相關(guān)的半導(dǎo)體存儲器原理和主存儲器的構(gòu)成； 存儲體系以高速緩存主存虛擬存儲為層次，討論如何解決速度與容量的矛盾。
第4章是指令系統(tǒng)，講述指令系統(tǒng)的一般設(shè)計原則、尋址技術(shù)，后以JU�睠1教學(xué)模型機為例，介紹了它的指令系統(tǒng)。
第5章是很關(guān)鍵的一章，通過這一章的學(xué)習(xí)將建立起計算機主機的概念，并通過指令執(zhí)行流程，理解計算機的工作原理。在講述了控制器的基本原理之后，以JU�睠1教學(xué)模型機為例，具體講解了微程序控制器設(shè)計方法。這一章的后還介紹了指令流水線。
第6章和第7章講解輸入輸出系統(tǒng)和系統(tǒng)總線，包括常用外部設(shè)備、輔助存儲器、主機與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送方式、總線仲裁等內(nèi)容。
本書由計算機組成原理課程組的6位老師合作編寫，第1章和第5章由肖鐵軍編寫，第2章由鄒婷婷編寫，第3章主要由楊旭東編寫，第4章由丁偉編寫，第6章由袁曉云編寫，馬學(xué)文編寫了第7章以及第3章的一部分。研究生于洋參加了JU�睠1教學(xué)模型機的FPGA設(shè)計和驗證工作。由于編者水平有限，書中難免有疏漏之處，敬請讀者批評指正。
編者
2010年3月