第3版前言

本次修訂再版的主要?jiǎng)右蚴茄a(bǔ)充精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（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(jì)。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(jì)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(bǔ)充了解決數(shù)據(jù)沖突的數(shù)據(jù)通路實(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)和硬布線控制的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)各獨(dú)立為一章，均從指令系統(tǒng)到一般性原理，再到具體實(shí)例，使讀者從中體會(huì)微架構(gòu)的發(fā)展變化。同時(shí)，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?gòu)?qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)的單總線或多路徑，而是強(qiáng)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(gè)主要修訂是JUC系列教學(xué)模型機(jī)，將第2版的JUC�并蚰Ｐ蜋C(jī)改進(jìn)為JUC��3。為便于教學(xué)實(shí)施，JUC��3分成基本模塊和擴(kuò)展模塊，本書主要介紹基本模塊，擴(kuò)展模塊留待實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)討論。JUC��3主要對(duì)ALU電路進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)，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(shí)踐結(jié)合的特點(diǎn)。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(jī)已經(jīng)在FPGA上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并且經(jīng)過了兩輪實(shí)驗(yàn)教學(xué)的檢驗(yàn)。
課程組開發(fā)了遠(yuǎn)程FPGA虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建設(shè)了實(shí)驗(yàn)
慕課資源，與理論課程配合開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

各章的具體修訂情況如下。第1章中計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)增加了平均指令周期，這個(gè)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(bǔ)充了多媒體數(shù)據(jù)的表示。第3章擴(kuò)充了例題和習(xí)題。第4章的修訂主要涉及
4.1.3節(jié)補(bǔ)碼加減運(yùn)算的邏輯實(shí)現(xiàn)和4.6節(jié)運(yùn)算器的組織，修改了算術(shù)運(yùn)算電路和ALU電路實(shí)例，它們將用于JUC��3教學(xué)模型機(jī)； 補(bǔ)充了數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)類型，通過一個(gè)簡(jiǎn)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(chǔ)器的相關(guān)內(nèi)容，并且將原第8章中的多模塊存儲(chǔ)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(jī)升級(jí)為JUC��3，內(nèi)容上進(jìn)行了精簡(jiǎn)。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(jì)和RISC�睼的流水線微架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)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(bǔ)充了例題； 虛擬存儲(chǔ)器部分沒有修改。第9章基本沒有修改。后增加了一個(gè)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(qǐng)讀者先用手機(jī)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(jì)劃，反映計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，第2版對(duì)書中內(nèi)容做了一些補(bǔ)充和修改、調(diào)整。第2版還配套了實(shí)踐教程，便于結(jié)合理論課開展實(shí)踐教學(xué)，倡導(dǎo)從設(shè)計(jì)的角度理解計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成原理或計(jì)算機(jī)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(jì)數(shù)制和定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)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(shí)外，著重從應(yīng)用的角度介紹計(jì)算機(jī)中常用的基本邏輯模塊的功能�？紤]到有的專業(yè)沒有單獨(dú)開設(shè)匯編語言課程，指令系統(tǒng)這一章補(bǔ)充了匯編語言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)體系分為兩章，存儲(chǔ)器一章增加了相變存儲(chǔ)器等新型非易失性存儲(chǔ)器； 存儲(chǔ)體系一章重點(diǎn)對(duì)高速緩存做了修改�？刂破骱椭醒胩幚砥饕徽陆榻B的模型機(jī)升級(jí)為JUC�并颍�該模型機(jī)已經(jīng)在FPGA上實(shí)現(xiàn)，配套實(shí)踐教程設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目； 這一章安排在存儲(chǔ)體系之前，有利于更早地建立整機(jī)的概念，更好地理解高速緩存、虛擬存儲(chǔ)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(duì)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(jì)算機(jī)類各專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的本科生。計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要討論計(jì)算機(jī)從部件到整機(jī)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(duì)任何具體的商業(yè)機(jī)型，而是綜合了國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)類型中較為成熟的先進(jìn)技術(shù)，兼顧計(jì)算機(jī)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(diǎn)面結(jié)合； 通過一個(gè)模型機(jī)的實(shí)例將相關(guān)章節(jié)聯(lián)系起來，終形成一個(gè)整機(jī)的概念，系統(tǒng)性較強(qiáng)。本書設(shè)計(jì)的JU�睠1教學(xué)微處理器已經(jīng)在FPGA上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可用于配套的實(shí)踐教學(xué)。
本書共分7章，授課學(xué)時(shí)為70～90學(xué)時(shí)，在教學(xué)中可根據(jù)具體情況對(duì)書中內(nèi)容進(jìn)行取舍。
第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論首先透過計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程探究計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的動(dòng)力所在，然后介紹了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本組成，使讀者建立整體概念，了解計(jì)算機(jī)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(yùn)算方法和運(yùn)算器，包括數(shù)制與編碼的基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)據(jù)的表示方法和校驗(yàn)方法、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算及溢出判斷方法、運(yùn)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(chǔ)器和存儲(chǔ)體系。存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)位元存儲(chǔ)器芯片主存儲(chǔ)器為主線，講述相關(guān)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器原理和主存儲(chǔ)器的構(gòu)成； 存儲(chǔ)體系以高速緩存主存虛擬存儲(chǔ)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(jì)原則、尋址技術(shù)，后以JU�睠1教學(xué)模型機(jī)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(jì)算機(jī)主機(jī)的概念，并通過指令執(zhí)行流程，理解計(jì)算機(jī)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(jī)為例，具體講解了微程序控制器設(shè)計(jì)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(chǔ)器、主機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)的FPGA設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。由于編者水平有限，書中難免有疏漏之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編者
2010年3月