计算机组成与体系结构_宋佳兴, 王诚编著_9787302465546

本书包括数字电路基础 (是先修)、计算机组成 (是主体)、计算机体系结构 (属于提高) 3部分内容, 划分在13章中, 重点讲解计算机系统的完整组成和提高性能的可行途径。

　　名誉主任：陈火旺主任：李晓明副主任：钱德沛焦金生委员：（按姓氏笔画排序）

　　马殿富王志英王晓东宁洪刘辰

　　孙茂松李大友李仲麟吴朝晖何炎祥

　　宋方敏张大方张长海周兴社侯文永

　　袁开榜钱乐秋黄国兴蒋宗礼曾明

　　廖明宏樊孝忠秘书：张瑞庆

　　本书主审：李晓明

　　前言FOREWORD对这一版的书名做了一点变动，增加了“基本原理、设计技术与工程实现”的副标题，特意指出书中提供3类不同性质的教学内容。第一类是计算机组成原理与运行机制的核心知识，属于学生一定要掌握的原理性基础知识，在绝大多数的同类教材中都会重点讲解。第二类是计算机硬件系统的基本设计技术，多数同类教材中讲解不多也欠具体应用实例。第三类是计算机硬件系统的入门性工程实现问题，同类教材中较少涉及，我们希望在这一版的教材中对上述3类内容都有适度的讲解，其中的工程实现问题只在主教材中简单提及，主要部分将放到《计算机组成与体系结构实验指导》教材中。这种安排体现了作者多年坚守的教学理念，从如下3个方面予以说明。

　　(1)针对计算机组成原理这一类含有较多技术性、工程性、实践性内容的课程，教学安排不宜过分局限于教师课堂讲课、学生课上听讲和课后背书的学习方式，应该在讲课听课的基础上再较大幅度地加强教学实践环节，增强课程内容的实用性，促成学生用课堂学到的理论知识，设计实现一台组成简单完整、原理清晰实用、实验操作方便、支持汇编语言编程的简小计算机系统，促使学生在学习理论知识、掌握设计技术、提升实践能力等诸方面得到全面成长。

　　(2)在讲解计算机硬件系统组成和功能实现时，应该把口语性的一般讲解和硬件描述语言的严谨描述恰当地结合起来，鼓励选用硬件描述语言设计计算机控制器和描述整机系统，既能体现计算机的最新设计技术和实现手段，保证教学内容适度的先进性，又可以培养学生严谨的思维方式和对硬件问题的深入理解和准确阐述，这有利于提高授课质量，降低学习和实验的难度。

　　(3)在课程的教学安排中，需要处理好硬件子系统（重点部分）和软件子系统（配合部分）的关系，不能完全局限于硬件系统本身，还需要包含必要的软件内容，汇编语言程序设计应该占有一定分量，加深对硬、软件两类资源各自在计算机系统中的地位和作用的理解。指令系统是连接硬、软件系统的纽带，汇编语言编程有助于深入了解指令系统、计算机整机组成与运行控制机制。因此在教学计算机系统中配备了3个基本程序:PC仿真终端程序、交叉汇编程序、监控程序，对多数同学来说做到会使用它们就够了，鼓励有余力的同学探索这几个程序的实现思路和方法。

　　本书包括了数字电路基础、计算机组成、计算机体系结构3部分内容，共13章。

　　第1章是全书内容的概述部分，简要介绍计算机组成和体系结构的基本概念，从实现功能的角度介绍计算机硬件系统的5个功能部件;从功能和层次的观点来讲解计算机组成和体系结构各自需要研究和解决的问题，并简要说明了本课程的教学目标和对学习方法的建议。

　　第2章简明讲解数字电路基础知识和几种常用的电路芯片，是为讲解计算机组成和体系结构做电子线路方面的准备，没有这些知识是很难学懂计算机硬件的组成和运行原理的。

　　第3章的数据表示和运算、第4章的运算器部件共同构成本书核心内容的第1个知识单元，主要围绕承担数据运算功能的运算器部件进行讲解，在给出通用的基本原理知识的同时，还提供了设计实现一个原理性的8位运算器模型和一个4位位片结构的运算器芯片两个实例，展现运算器部件的设计过程和实现方法，提升学生的实践能力。

　　前言计算机组成与体系结构（第3版）第5章的指令系统和第6章的控制器部件共同构成本书核心内容的第2个知识单元，主要围绕指令格式选择、指令系统设计，以及硬件系统中的硬布线方案的控制器部件进行讲解，而对微程序方案控制器只作适当介绍。在给出通用的基本原理知识的同时，提供了一套简单实用的基本指令系统。硬件方面，选用多指令周期方案实现这套指令系统的控制器部件的具体例子，展现控制器部件的设计过程和实现方法，提升学生的实践能力。软件方面，使用这套指令系统设计了教学机的监控程序，可以支持汇编语言程序设计；若再扩展一部分指令，也可以支持解释执行的BASIC高级语言程序设计，能支持浮点数运算和多种基本数学函数运算。针对这门课程的教学要求来说，此时的教学机的硬软件系统已经比较完整，包括了计算机硬件软件系统全部6个层次的基本内容。

　　第7章的主存、第8章的高速缓存和虚存、第9章的辅助存储器设备共同构成本书核心内容的第3个知识单元，主要围绕计算机3级结构的存储器件系统和外存储器设备进行讲解，还给出了通过字、位扩展技术，用静态芯片构建内存储器部件的具体例子，支持存储器与CPU同步运行，展现内存储器的功能和经总线连接CPU的具体方法。

　　第10章的输入输出设备和第11章的输入输出系统共同构成本书核心内容的第4个知识单元，主要围绕承担计算机的输入输出功能的设备或者部件进行讲解，给出了用于连接计算机各个部件的单总线结构的实际例子，具体介绍了串行接口的内部线路组成和使用方法，并通过串口连接PC仿真终端，选用程序查询方式控制入出设备，使教学机整机系统具备了输入输出操作功能。

　　第12章的流水线技术和第13章的并行计算机体系结构共同构成本书核心内容的第5个知识单元，对应计算机体系结构课程的基础知识，针对提高计算机系统的性能，更多地强调基本概念、提出问题的思路和解决问题的方案，基本上止步于定性说明。

　　教学过程中，可以根据不同的课程安排和教学要求，合理分配教材中3部分内容的课时比例。针对把计算机组成和系统结构合并成一门课程的安排，教材第3～13章的内容都属于必学知识，建议教学学时安排为70~90。若只是用于计算机组成原理课程，计算机体系结构的内容另外开课，则只需讲解第3～11章中的知识，建议课内学时安排为60~70，另外安排约16个实验学时。

　　第2章用于复习先修课程的内容，简明介绍数字电路与逻辑设计知识，约占教材总篇幅的7%，是学习计算机组成和体系结构一定会用到的电路基础知识，也许要求并不太多也不深，但如果完全不了解这些内容，要听懂课堂授课内容难度很大，设计实现一个小计算机系统更无从谈起。

　　第1章、第3～11章是课程的主体部分，约占教材总篇幅的73%，主要是计算机组成方面较为完整的系统知识，重点围绕基本计算机硬件系统5个功能部件的功能和组成进行分析讲解。

　　第12章和第13章是本课程的提高部分，约占教材总篇幅的20%，主要是计算机体系结构方面的基础知识，重点介绍提高计算机系统性能的各种可行思路与基本途径。

　　在教学环节安排中，需要处理好理论教学和教学实验的关系，可以考虑（并非一定如此）用约四分之三的课内学时（例如48学时）讲授计算机组成与运行机制的核心知识，四分之一的课内学时中的一小部分（例如6学时）用于讲解构建整机系统用到的设计技术和工程实现问题。剩余的部分（例如10学时）和16个实验学时统一安排用于教学实验，在教师的指导下去完成设计实现小计算机硬件系统的核心工作，更好地贯彻理论指导实践，通过实践再进一步深入理解理论的认知过程，做到学习知识和增长能力的双丰收。

　　本教材配套的有:①内容详尽的教学实验指导教材；②教学实验设备（由清华大学科教仪器厂生产销售，型号是TECXPⅡ），选用教材第1～4个知识单元的部件实例组合而成，能够确保课堂授课内容和教学实验项目完美的结合；③PowerPoint教学课件；④指令级软件模拟系统，可以直接在PC系统中运行，实现了与硬件设备相同的运行功能。良好的教学实践环境和实验条件，可以有效地加深对课堂教学内容的理解，并使得学生在一定程度上获得开展研究工作和开展计算机硬件系统设计的实际经验，全面提高解决实际问题和创新思维的能力。

　　本书的第1～3章、第7～13章由宋佳兴修订，第4～6章由王诚修订，作者有多年从事本专业教学和科研工作的经历。

　　由于时间和作者水平所限，加上时间仓促，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

　　编者2016年6月于清华大学计算机科学与技术系这是第二版前言，不知要否，如果要，就可以用下面的前言FOREWORD作为“21世纪大学本科计算机专业系列教材”，遵照本系列教材评审组专家的意见，本书包括了数字电路基础、计算机组成、计算机体系结构3个部分内容。本书读者对象主要是学习计算机课程的大学生，包括计算机系的学生、软件学院的学生和非计算机专业选修计算机课程的学生。可以根据不同的课程和教学要求，合理分配本教材中3部分内容的课时比例。全书共13章，其中第2章属于先修内容，约占教材总量的7%，若是学生课前未曾学习过数字电路与逻辑设计课程，还是应该用少量学时对教材第2章的内容进行适当讲解；第3～11章是课程的主体部分，约占教材总量的73%，主要是计算机组成方面的知识，重点围绕基本计算机硬件系统5个功能部件的功能和组成进行讲解分析；第12～13章是本课程的提高部分，约占教材总量的20%，主要是计算机体系结构方面的基础知识，重点介绍提高计算机系统性能的各种可行思路与基本途径。其中的指令流水线的浅显内容已经出现在计算机组成原理课程之中，但多数人还是愿意把较为具体深入的指令流水技术安排到计算机系统结构课程中讲授。

　　针对把计算机组成和系统结构合并成一门课程的情形，教材第3～13章的内容都属于必学知识，建议教学学时安排为70～90学时。若只是用于计算机组成原理课程，计算机体系结构的内容另外开课，则只需讲解第3～11章中的知识，建议教学学时安排为60～70学时。教材主体部分的内容是按照基本通用原理、简明原理示例、典型产品现状这样3个层次来处理的。

　　基本通用原理是基础，是学习与理解计算机组成与运行机制的核心知识。其特点是稳定性（不随时间变迁而改变）和通用性（不随具体机型而变化），是学生一定要掌握的部分。要把通用原理转化成真实的计算机系统，还有许多技术与工程、性能价格比的平衡关系等需要解决。

　　在简明原理示例这个层次，强调运用学习到的基本原理知识，学懂或者设计实现一台硬软件基本完整、实现简单（易懂、价廉）、但不一定是最理想（不追求更完备的性能、更好的实用价值）的计算机系统的技术与过程，增加对所学知识的理解深度和应用能力，力求把学习知识和增长实践能力结合起来。

　　在典型产品现状这个层次，将选择某些典型计算机系统中的实例，给出其设计实现的结果及其外特性，可以体现用到的基本原理，更强调让学生了解计算机当前的技术水平和发展现状。对三个层次的教学要求不尽相同，对优化学生的知识结构各自发挥不同的作用。

　　在讲解计算机组成和功能时，把通常的文字叙述和语言VHDL描述结合起来，体现计算机的最新设计手段和实现技术，保证教学内容的先进性，并尽量在提高授课质量，降低实验、学习的难度方面做出新的探索。

　　教材内容具体安排如下。

　　第1章是全书内容的概述部分，简要介绍计算机组成和体系结构的基本概念，从实现功能的角度来讲解计算机硬件系统的基本组成；从功能和层次的观点来讲解计算机组成和体系结构各自需要研究和解决的问题，并简要说明了本课程的教学目标和对学习方法的建议。

　　第2章简明讲解数字电路基础知识和几种常用的电路芯片，是为讲解计算机组成和体系结构作电子线路方面的准备，没有这些知识是很难学懂计算机硬件的组成和运行原理的。

　　第3章的数据表示和运算和第4章的运算器部件共同构成本书核心内容的第1个知识单元。主要围绕计算机硬件系统中承担数据运算功能的部件进行讲解，在给出通用的基本原理知识的同时，还给出运算器部件的具体例子，展示运算器部件的设计过程和实现方法，提升学生的实践能力。

　　前言计算机组成与体系结构（第3版）第5章的指令系统和第6章的控制器部件共同构成本书核心内容的第2个知识单元。主要围绕计算机硬件系统中承担指挥控制功能的硬连线方案的控制器部件进行讲解，而对微程序控制器只作适当介绍。在给出通用的基本原理知识的同时，还给出控制器部件的具体例子，展示控制器部件的设计过程和实现方法，提升学生的实践能力。

　　第7章的主存、第8章的高速缓存和虚存以及第9章的辅助存储器设备共同构成本书核心内容的第3个知识单元。主要围绕计算机3级结构的存储器件系统和外存储器设备进行讲解，还给出了通过字、位扩展技术，用存储器芯片构建内存储器的具体例子。

　　第10章的输入输出设备和第11章的输入输出系统共同构成本书核心内容的第4个知识单元。主要围绕承担计算机的输入输出功能的设备或者部件进行讲解，给出了用于连接计算机各个部件的总线构成的实际例子，具体介绍了串行接口的内部线路的组成和使用方法。

　　第12章的流水线技术和第13章的并行计算机体系结构共同构成本书核心内容的第5个知识单元。对应计算机体系结构课程的主要知识，针对提高计算机系统的性能，更多地强调基本概念、提出问题的思路和解决问题的方案，基本上止步于定性说明。

　　通过本教材，学生可以学到数字电路的基础知识，了解某些电路芯片的功能和用法，初步认识到某些逻辑功能是能够使用数字电路实现的；可以从层次的观点，掌握必要的基础知识，计算机组成和运行机制方面的知识，以及必要的专业知识基础，为下一步的学习和进一步提高实际工作能力做好准备；可以从系统的观点，了解计算机体系结构领域的基本知识，理解提高计算机的部件和整机硬件性能的各种可行途径，理解计算机系统中硬件、软件的功能划分和相互配合关系，能站在更高的层次上思考与解决学习、工作中遇到的问题。

　　为方便教学，本教材配有PowerPoint电子教案。除此之外，还有硬件实现的教学计算机设备，这个设备就是选用本教材第1～4个知识单元的实际例子组合而成的，确保课堂授课内容和教学实验项目能够完美结合。还有内容详尽的教学实验指导书和通过软件模拟实现的相同功能的模拟系统。良好的教学实践环境和实验条件，能够有效地加深对课堂教学内容的理解，并使得学生在一定程度上获得开展研究工作和计算机硬件系统设计的实际经验，全面提高解决实际问题和创新思维的能力。

　　本书的第1～6章由王诚教授修订，第7～13章由宋佳兴副教授修订，作者有多年从事本专业教学和科研工作的经历。

　　由于时间和作者水平所限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。

　　作者2011年4月于清华大学计算机科学与技术系

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