　　本書集作者25年相關課程教學之經驗，匯國內外相關資料之精華，內容新穎、充實，結構清晰、完整，文字通俗、簡潔。本書既可作為“計算機組成原理”、“計算機組成與係統結構”等課程的教材，也可作為“計算機組成原理實驗”和“計算機係統結構”等課程的教學參考書。本書主要特色如下。
　　1．從程序員角度提齣硬件設計問題
　　打破國內現有教材的寫作思路，從程序員角度提齣問題，用硬件實現原理和方法給齣對問題的解釋，不僅讓讀者瞭解硬件怎樣實現，而且清楚為什麼這樣實現，同時還能瞭解到硬件和軟件如何關聯。
　　2．將基本原理和大量實例相結閤
　　實現一個功能或功能部件有很多具體方法，但這些方法又可歸納齣普遍存在的共同的基本原理。本教材在介紹基本原理的基礎上，盡可能通過大量實例來說明基本原理的具體運用。
　　3．以MIPS體係為主綫，加強CPU設計內容
　　以MIPS體係為主綫，在高級語言→匯編語言→機器語言→數據通路和控製器之間建立瞭密切關係，使讀者對程序轉換、指令係統和數據通路及控製器的設計有全麵、清晰的認識，較好地建立完整的計算機係統的整機概念。
　　4．以曆史的、係統的觀點全麵深入介紹相關內容
　　對現有國內相關教材中使用不一緻的概念、術語進行說明，並對相關技術、知識進行歸納、總結和比較，力求係統性地給齣各知識點的全貌或框架。
　　5.提供豐富的教學輔助資源和教學支撐環境
　　書後給齣瞭部分國際一流大學以及南京大學的相關課程網站網址，可以到這些網站找到課堂講義、習題參考答案，以及更多的相關教輔資料，以幫助教師備課，輔助學生學習，並提供學習交流平颱。
　　教學資源：
　　《計算機組成與係統結構習題解答與教學指導（第2版）》：對主教材中每一章的內容進行瞭概括總結，給齣6個方麵的教學輔助內容：教學目標和內容安排；主要內容提要；基本術語解釋；常見問題解答；單項選擇題；分析應用題。本書作為主教材的教學輔助資料，可以與主教材配套使用。同時，本書相對獨立、自成體係，因此也可單獨使用。既可作為“計算機組成原理”或“計算機組成與係統結構”課程的教師參考書，也可作為學生學習“計算機組成原理”或“計算機組成與係統結構”課程時的學習參考書。
　　PPT電子課件：可在清華大學齣版社網站下載。
　　課程教學網站：課程網站獲江蘇省優秀多媒體課件特等奬。
　　在綫教學資源：清華大學齣版社為第2版的在綫教學版配套開發瞭豐富的在綫教學資源，可以在清華大學齣版社的在綫教學平颱上進行練習與測試，實現教學互動、智能學習。
　　本書是學習“計算機組成原理”與“計算機組成與係統結構”等課程的優秀教材，配套教學資源豐富。本書的PPT電子課件、配套的源代碼，可到清華大學齣版社官網下載；學生也可以在清華大學齣版社的在綫教學平颱上進行練習與測試，實現教學互動、智能學習。

內容簡介

　　《計算機組成與係統結構（第2版）》主要介紹計算機組成與係統結構涉及的相關概念、理論和技術內容，主要包括指令集體係結構、數據的錶示和存儲，以及實現指令集體係結構的計算機各部件的內部工作原理、組成結構及其相互連接關係。全書共9章：第1章對計算機係統及其性能評價進行概述性介紹，第2、3章主要介紹數據的機器級錶示、運算以及運算部件的結構與設計，第4～6章介紹指令係統以及各種CPU設計技術，第7章主要介紹包含主存、cache和虛擬存儲器在內的存儲器分層體係結構，第8章介紹總綫互連以及輸入輸齣係統，第9章介紹並行處理計算係統的基本硬件結構和並行程序設計編程模型。
　　《計算機組成與係統結構（第2版）》內容詳盡，概念清楚，通俗易懂，實例豐富，並提供大量典型習題供讀者練習。《計算機組成與係統結構（第2版）》可以作為計算機專業本科或大專院校學生計算機組成原理與係統結構課程的教材，也可以作為有關專業研究生或計算機技術人員的參考書。

作者簡介

　　袁春風，南京大學計算機科學與技術係教授。1984年和1987年分彆獲得南京大學計算機科學與技術係理學學士和工學碩士學位，畢業後在南京大學任教至今。主要研究領域為大數據並行處理、雲計算以及Web信息檢索與本文挖掘技術等。在相關領域已承擔科研項目30多項，發錶論文80多篇，獲江蘇省科技進步二等奬2項，江蘇省優秀軟件一等奬1項。編寫齣版《計算機組成與係統結構》（“十一五”、“十二五”國傢級規劃教材，江蘇省精品教材）、《計算機係統基礎》（江蘇省“十二五”重點建設教材）等計算機專業教材6本，獲教育部優秀教材二等奬1次。從事“計算機組成原理”和“計算機組成與係統結構”課程的教學工作25年。所負責的“計算機組成原理”課程為教育部一微軟精品課程。所負責的“計算機組成與係統結構”課程為江蘇省精品課程，其課程網站曾獲江蘇省高等學校優秀多媒體教學課件特等奬，。

內頁插圖

第1章計算機係統概述
1.1 計算機的發展曆程
1.1.1 通用電子計算機的誕生
1.1.2 第一代計算機
1.1.3 第二代計算機
1.1.4 第三代計算機
1.1.5 第四代計算機
1.2 計算機係統的基本組成
1.2.1 計算機硬件
1.2.2 計算機軟件
1.3 計算機係統的層次結構
1.3.1 計算機係統抽象層的轉換
1.3.2 計算機係統的不同用戶
1.4 程序開發與執行過程
1.4.1 從源程序到可執行程序
1.4.2 可執行文件的啓動和執行
1.4.3 程序與指令的關係
1.4.4 指令的執行過程
1.5 計算機係統性能評價
1.5.1 計算機性能的定義
1.5.2 計算機性能的測試
1.5.3 用指令執行速度進行性能評估
1.5.4 用基準程序進行性能評估
1.6 本章小結
習題

第2章數據的機器級錶示
2.1 數製和編碼
……
第3章運算方法和運算部件
第4章指令係統
第5章中央處理器
第6章指令流水綫
第7章存儲器分層體係結構
第8章互連及輸入輸齣組織
第9章並行處理係統
參考文獻

前言/序言

　　FOREWORD計算機組成(computer organization)是指計算機主要功能部件的組成結構、邏輯設計及功能部件間的相互連接關係。計算機係統結構(computer architecture)的經典定義是指程序設計者(主要指低級語言程序員或編譯程序設計者)所看到的計算機係統的屬性，即計算機的功能特性和概念性結構，也稱指令集體係結構(Instruction Set Architecture，ISA)，包括數據類型及數據格式，指令格式，尋址方式和可訪問空間大小，程序可訪問的寄存器個數、位數和編號，控製寄存器的定義，I/O空間的編址方式，中斷結構，機器工作狀態的定義和切換，輸入輸齣數據傳送方式，存儲保護方式等。
　　本書主要介紹計算機組成與係統結構涉及的相關內容。在計算機係統層次結構中，這些內容位於軟件和硬件的結閤處，不僅涉及計算機硬件設計和指令係統設計，還涉及操作係統、編譯程序和程序設計等部分軟件設計技術，是整個計算機係統中最核心的部分。
　　1. 本書的寫作思路和內容組織
　　計算機組成與係統結構這兩部分涉及的內容相互融閤，密不可分。無論是國內還是國外，很多高校都逐漸把計算機組成原理和係統結構課程的內容有機結閤起來；甚至國外一些經典教材還把與之密切相關的軟件設計的內容也融閤進來。這種方式可以加深讀者對計算機軟、硬件係統的整體化理解，並有效地增強對學生的計算機係統設計能力的培養。
　　本書在總結和藉鑒國外著名高校使用的教材、教案、教學理念和教學方法的基礎上，力圖以“培養學生現代計算機係統設計能力”為目標，貫徹“從程序設計視角齣發、強調軟硬件關聯與協同、以CPU設計為核心”的組織思路，試圖改變國內同類教材通常的就硬件講硬件、軟硬件分離的傳統內容組織方式，以係統化觀點全麵地介紹計算機組成和係統結構的相關知識和技術。
　　為瞭體現以上目標和思路，本書在以下幾個方麵進行瞭重點考慮和內容組織:
　　(1) 首先基於“高級語言程序→匯編語言程序→機器指令序列→控製信號”的路綫展現程序從編程設計、轉換翻譯到最終在CPU上運行的整個過程；在此基礎上，用計算機係統層次化的觀點闡述計算機組成與係統結構課程在整個計算機係統中的位置、內容和作用，從而為清晰瞭解本課程的內容和作用、為全麵建立計算機軟件和硬件係統的整體概念打下基礎。
　　(2) 將指令執行過程和異常、中斷、存儲訪問、I/O訪問等重要概念和技術結閤起來進行介紹，力求清晰地說明CPU執行指令過程中硬件與操作係統相互切換和協同工作的處理過程，使讀者深刻理解軟硬件係統之間的關係與協同工作過程。
　　(3) 在講述與程序設計有密切關係的體係結構內容(如數據錶示、信息存放、操作數尋址、過程調用、程序訪問局部性等)時，試圖通過對硬件設計與程序設計的關係的說明，使讀者建立 “從程序員視角理解計算機硬件係統設計，從硬件設計的視角理解程序設計與執行”的思想，力圖在提高讀者硬件設計能力的同時，也增強其進行高效的和係統化的程序設計的能力。
　　前言計算機組成與係統結構（第2版）(4) 在國內“計算機組成原理”教材傳統內容基礎上增加指令流水綫設計的詳細內容，依照“最簡單的IAS計算機CPU→總綫式CPU→單周期CPU→多周期CPU→基本流水綫CPU→動態超標量超流水綫CPU”的次序，循序漸進地介紹CPU設計技術及其發展過程，以MIPS處理器和Pentium 4處理器為藍本，力圖使讀者全麵深入地掌握現代計算機的CPU設計技術。
　　(5) 結閤指令流水綫技術介紹基於流水綫的編譯優化技術，使讀者對編譯技術與指令流水綫實現技術之間的密切關係有一定的認識和理解。
　　2. 各章節主要內容
　　本書共有9章，各章主要內容如下:
　　第1章(計算機係統概述)主要介紹馮·諾依曼結構的特點、計算機硬件的基本組成、計算機軟件設計和執行過程、計算機係統層次結構以及係統性能評價方法。
　　第2章(數據的機器級錶示)主要介紹無符號數和帶符號整數的錶示、IEEE 754浮點數標準、西文字符和漢字的編碼錶示、大端/小端存放順序及對齊方式以及常用檢/糾錯碼錶示與使用方法等。
　　第3章(運算方法和運算部件)主要介紹各類定點數和浮點數的運算方法和相應的運算部件，以及核心運算部件ALU的功能和設計實現等。
　　第4章(指令係統)主要介紹高級語言與低級語言的關係、指令格式、操作數類型、尋址方式、操作類型、硬件對過程的支持、用戶程序在虛存空間的配置和劃分等技術。
　　第5章(中央處理器)主要介紹CPU的基本功能和內部結構、指令執行過程、數據通路的基本組成和定時、單周期和多周期數據通路、硬連綫路和微程序控製器、異常和中斷等概念和技術。
　　第6章(指令流水綫)主要介紹指令流水綫的基本原理、流水段寄存器的概念、流水綫數據通路的設計、流水綫的控製信號、結構冒險及其處理、數據冒險及其處理、轉發技術、控製冒險及其處理、分支預測原理、超標量和動態流水綫的概念和技術。
　　第7章(存儲器分層體係結構)主要介紹存儲器分層結構的概念、半導體存儲器的組織、多模塊存儲器、cache的基本原理、cache和主存間的映射關係及替換算法、虛擬存儲器的基本概念、頁錶結構、缺頁異常、TLB的實現技術。
　　第8章(互連及輸入輸齣組織)主要介紹常用輸入輸齣外設和磁盤存儲器的工作原理、現代計算機內部互連結構、I/O接口的結構、I/O端口編址方式、程序查詢I/O方式、中斷I/O方式、DMA方式以及內核I/O軟件概述等。
　　第9章(並行處理係統)主要介紹UMA(對稱)多處理器、CC�睳UMA多處理器、片級多處理器和多綫程技術、集群多計算機、網格多計算機、嚮量處理機和SIMD技術，還對並行處理編程模型進行瞭概述。
　　3. 第2版修訂內容
　　近幾年來，計算機組成與係統結構領域發生瞭一些變革，一些技術有瞭新的發展。為瞭反映技術的進步，拓寬本領域知識的覆蓋麵，並更加閤理地構建知識框架，本書第2版在第1版的基礎上進行瞭若乾修訂。
　　首先，對第1版的章節順序進行瞭一些調整。因為數據的運算、指令係統、中央處理器以及指令流水綫的關係比較密切，所以將第1版中原來的第4章存儲器層次結構的內容調到瞭指令流水綫的後麵。
　　此外，在內容上對一些知識點進行瞭增、刪、改，主要包括以下幾個方麵。
　　(1) 程序的開發和執行過程。第1章中增加瞭對hello程序執行過程的描述，並舉例對程序和指令的關係進行瞭說明，同時還增加瞭一個馮·諾依曼結構模型機，利用該模型機對指令的執行過程進行瞭詳細講解。
　　(2) 運算方法和運算部件。對第3章進行瞭較大的調整。為瞭突齣ALU中算術運算所生成的標誌信息的作用，增加瞭對帶標誌加法器的描述；簡化瞭對單級先行進位加法器、兩級先行進位加法器、原碼加減法、移碼加減法、原碼兩位乘法、補碼兩位乘法、原碼除法、十進製加減運算等的描述。
　　(3) 標誌信息的生成與使用。第4章中增強瞭對標誌信息處理問題的說明，增加瞭IA��32指令係統中的條件轉移指令功能描述，結閤第3章中ALU生成的標誌信息，比較透徹地說明瞭標誌信息的生成與使用問題。
　　(4) 指令係統舉例。第4章中保留瞭目前最流行的PC處理器指令係統IA��32，增加瞭嵌入式處理器指令係統ARM，並將Intel處理器架構中的MMX、SSE等SIMD指令集移到瞭新增加的第9章中，作為並行處理技術的一部分來介紹。
　　(5) DRAM芯片技術。第7章中增加瞭對DDR2和DDR3 SDRAM芯片的描述。
　　(6) 存儲器芯片的擴展及其與CPU的連接。對第7章中的這部分內容進行瞭大幅度修訂，刪去瞭陳舊的內容和舉例，增加瞭目前係統中實際使用情況的描述。
　　(7) cache結構舉例。第7章中增加瞭新的多核處理器芯片Core i7中cache結構的舉例。
　　(8) 係統總綫。係統內部的互連技術發展非常快，很多傳統的概念已經過時，為此，對第1版中第8章(係統總綫)的內容進行瞭大幅度修改，並將其閤並到後麵的輸入輸齣組織一章中。總綫裁決、總綫定時、PCI總綫標準和SCSI接口等內容被取消或弱化。增加瞭有關PCI�睧xpress、QPI等互連技術的介紹。
　　(9) 外部設備。第8章中刪除或弱化瞭CRT顯示器、磁帶存儲器和光盤存儲器等內容。
　　(10) I/O接口。第8章中刪除有關I/O接口的分類、並行接口和串行接口、I/O接口的舉例的內容。
　　(11) I/O控製方式。第8章中刪除瞭關於通道方式和I/O處理器方式的內容。增加瞭對I/O子係統的介紹，簡要描述瞭從高級語言層到I/O設備層之間的一個轉換過程。
　　(12) 並行處理係統。增加瞭一章專門介紹各類並行處理係統的硬件結構以及涉及的硬件互連、軟件通信及並行編程等技術問題。
　　4. 關於本書使用的一些建議
　　本書可作為“計算機組成原理”課程的教材，也可作為“計算機組成原理實驗”課程和“計算機係統結構”課程的教學參考書。特彆是對於不專門開設“計算機係統結構”課程的院校，使用本書作為“計算機組成與係統結構”課程的教材是比較閤適的。
　　對於本書的使用，具體建議如下:
　　(1) 課堂教學應以主乾內容為主，力求完整地給齣知識框架體係，並著重講清楚相關概念之間的聯係。
　　(2) 標注為*的內容是可以跳過而不影響閱讀連貫性的部分，主要有以下三類: 簡單易懂的基礎性內容、具體實現方麵的細節內容和在技術層麵上更加深入的內容。這些內容對深入理解課程的整體核心內容是非常有幫助的。因此，在課時允許的情況下，可以選擇其中的一部分進行課堂講解；在課時不允許的情況下，也盡量安排學生進行課後閱讀。
　　(3) 書中每個重要的知識點和概念後麵都有一些例子，可選擇部分重要的、難懂的例子在課堂上講解，而大部分可留給學生自學。
　　(4) 習題中列齣的概念術語基本涵蓋瞭相應章節的主要概念，可以讓學生對照檢查是否全部清楚其含義；習題中列齣的簡答問題是相應章節重要的基本問題，可以通過對照檢查以判斷學生對相應章節內容的掌握程度；對於綜閤運用題，如果與程序設計相關，則可用編程方式來求解或驗證，這樣做，對學生深刻理解課程內容有幫助。
　　(5) 本書在CPU設計方麵給齣瞭比較具體的實現方案，相關內容可以作為基於FPGA和硬件描述語言進行CPU設計實驗的參考資料。
　　(6) 書後給齣瞭部分國際一流大學相關課程網站網址，可以到這些網站找到課堂講義、習題參考答案以及更多的相關教輔資料。
　　5. 作者及緻謝
　　參與本書編寫工作的有袁春風、楊若瑜、王帥、唐傑、楊傑和樊士慶。全書由袁春風擔任主編，負責全書內容的組織、統稿和編審。
　　在本書的編寫過程中，得到瞭張福炎教授的悉心指導；黃宜華教授從書稿的篇章結構到內容各方麵都提齣瞭許多寶貴的意見，進行瞭修改，並對全書內容進行瞭全麵細緻的審核和校對；書中有關CPU設計的最初圖稿和內容組織思路由陳貴海教授提供；此外，武港山教授、楊若瑜、俞建新、吳海軍、張澤生、蔡曉燕等老師也對本書提齣瞭許多寶貴的意見；楊曉亮、肖韜、翁基偉、劉長輝、宗恒、莫誌剛、葉俊傑等研究生對相關章節的內容和習題分彆進行瞭校對和試做，並提齣瞭許多寶貴的意見和修改建議。在此對以上各位老師和研究生一並錶示衷心的感謝。
　　本書是作者在南京大學從事“計算機組成與係統結構”課程教學20多年來所積纍的講稿內容的基礎上編寫而成的，感謝各位同仁和各屆學生對講稿內容所提齣的寶貴的反饋和改進意見，使得本教材的內容得以不斷地改進和完善。
　　6. 結束語
　　本書廣泛參考瞭國內外相關的經典教材和教案，在內容上力求做到取材先進並反映技術發展現狀；在內容的組織和描述上力求概念準確、語言通俗易懂、實例深入淺齣，並盡量利用圖示和實例來解釋和說明問題。但是，由於計算機組成與係統結構相關的基礎理論和技術在不斷發展，新的思想、概念、技術和方法不斷湧現，加之作者水平有限，在編寫中難免存在不當或遺漏之處，懇請廣大讀者對本書的不足之處給予指正，以便在後續的版本中予以改進。
　　作者2015年6月於南京

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