前言

電子科技大學(xué)于2016年啟動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng) 復(fù)合型精英人才培養(yǎng)計(jì)劃，以互聯(lián)網(wǎng) 復(fù)合培養(yǎng)專業(yè)為載體，旨在培養(yǎng)具有良好的人文精神和互聯(lián)網(wǎng)思維、扎實(shí)的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識(shí)、寬厚的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)知識(shí)和信息深度分析與應(yīng)用能力、扎實(shí)的互聯(lián)網(wǎng) 核心知識(shí)與能力，以及良好的國(guó)際視野和創(chuàng)新能力，面向互聯(lián)網(wǎng) 國(guó)家戰(zhàn)略需求的復(fù)合型精英人才。本書的參編教師承擔(dān)了該培養(yǎng)計(jì)劃中平臺(tái)核心課程計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)的建設(shè)工作，因此本書也作為該課程的配套教材。

早在2010年，電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院在全國(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)改革浪潮中也開始了對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的硬件系列課程的教學(xué)改革，改革內(nèi)容包括教學(xué)思路、內(nèi)容和教學(xué)方法的全面更新。本書的參編教師均為承擔(dān)相關(guān)教學(xué)改革研究的一線教師，具有多年的豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，取得了較為豐碩的教學(xué)成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

本書融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的三門核心硬件課程（數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）的重要知識(shí)點(diǎn)，擯棄了這三門課程傳統(tǒng)內(nèi)容中不太相關(guān)的瑣碎知識(shí)點(diǎn)，引入了最新的技術(shù)知識(shí)和數(shù)據(jù)，以數(shù)字電路基礎(chǔ)、處理器的基本電路模塊構(gòu)成、指令的數(shù)據(jù)通路和控制邏輯作為本書的講述主線，邏輯清晰且自然連貫，再輔以性能計(jì)算公式貫穿全書，作為各工作部件優(yōu)化方案的理論依據(jù)，全面介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基本原理、設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)。

本書在編寫過程中還注重對(duì)考研要求的相關(guān)考點(diǎn)進(jìn)行盡量多的覆蓋，并對(duì)處理器的相關(guān)章節(jié)從基本原理到設(shè)計(jì)方法再到代碼實(shí)現(xiàn)的完整過程進(jìn)行了系統(tǒng)性的詳細(xì)講述。在正文中還穿插了快速練習(xí)等提示，提示讀者進(jìn)行進(jìn)一步的思考。部分章節(jié)還配有課后閱讀材料，對(duì)正文中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充或進(jìn)一步的解釋。

作者充分查閱和對(duì)比了目前國(guó)內(nèi)外主流組成原理類和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類教材以及相關(guān)材料，進(jìn)行了多方面的研討，從而確定了內(nèi)容的編排和編寫的分工。除了教學(xué)工作外，作者還承擔(dān)了繁重的科研工作，因此，書中難免出現(xiàn)疏漏和錯(cuò)誤，懇請(qǐng)讀者理解和海涵。

教材的內(nèi)容

全書共9章，其中第1章、第3章、第4章、第6章、7.2節(jié)和7.4節(jié)由桂盛霖編寫，第5章、第7章剩余部分以及第8章由陳愛國(guó)編寫，第2章和第9章由肖堃編寫。全書由桂盛霖負(fù)責(zé)統(tǒng)稿。

本書的內(nèi)容包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三個(gè)方面的內(nèi)容，圍繞現(xiàn)代處理器的設(shè)計(jì)方法和過程進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，具體內(nèi)容如下：

第1章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，芯片的主要制造過程，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及計(jì)算公式。

第2章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用的幾種進(jìn)位計(jì)數(shù)制，不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換計(jì)算方法，二進(jìn)制整數(shù)的表示方法和運(yùn)算規(guī)則，浮點(diǎn)數(shù)的表示和規(guī)格化的存儲(chǔ)方式，以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)的原理。

第3章介紹數(shù)字電路的基本門電路的邏輯功能，邏輯代數(shù)的基本公式和基本定理，邏輯函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式，邏輯電路的化簡(jiǎn)方法以及數(shù)字電路兩種邏輯系列的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

第4章介紹多路選擇器、譯碼器、編碼器、加法器、減法器、移位器等的功能、輸入/輸出接口、內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的電路圖及代碼，以及Sn-Rn鎖存器和觸發(fā)器的原理與實(shí)現(xiàn)，給出了時(shí)鐘同步時(shí)序電路的功能分析方法和寄存器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

第5章介紹處理器中指令的格式、尋址方式、寄存器、地址空間分配，對(duì)軟件三個(gè)方面的重要支持，MIPS風(fēng)格的單周期模型機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，處理器的異常和中斷概念及其處理機(jī)制。

第6章介紹流水線的基本概念，單周期模型機(jī)的流水線擴(kuò)展，解決結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn)、數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)和控制冒險(xiǎn)的策略與實(shí)現(xiàn)，以及兩類更先進(jìn)的指令級(jí)并行的流水線架構(gòu)。

第7章介紹存儲(chǔ)器的分類和存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，包括Cache、主存、虛擬存儲(chǔ)器、外存和ROM的工作機(jī)制與性能指標(biāo)。

第8章介紹I/O設(shè)備的相關(guān)概念及屬性指標(biāo)，總線的概念和分類，總線仲裁的原理和方式，I/O接口的功能、結(jié)構(gòu)、編址和訪問方式，以及三類常見的I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式。

第9章討論并行硬件的基本分類，常見的并行技術(shù)，多處理器的互連方式，Cache一致性問題，以及多核微處理器和云平臺(tái)的架構(gòu)。

由于作者水平有限，成稿時(shí)間較短，書中難免有錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，懇請(qǐng)各位專家和廣大讀者批評(píng)指正，我們不勝感激。如有問題請(qǐng)直接與作者郵件聯(lián)系：shenglin_gui@uestc.edu.cn。

致謝

本書在編寫過程中得到了電子科技大學(xué)教務(wù)處、互聯(lián)網(wǎng) 專業(yè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和老師的大力支持和鼓勵(lì)，還有電子工業(yè)出版社對(duì)本教材出版工作的積極配合和辛勤工作，在此一并表示誠(chéng)摯的謝意。

此外還感謝實(shí)驗(yàn)室裴亞琳、方丹、劉一飛等研究生在教材配圖和習(xí)題等方面的制作和整理。

作 者

于電子科技大學(xué)