名譽主任：陳火旺主任：李曉明副主任：錢德沛焦金生委員：（按姓氏筆畫排序）

　　馬殿富王志英王曉東寧洪劉辰

　　孫茂松李大友李仲麟?yún)浅瘯熀窝紫?

　　宋方敏張大方張長海周興社侯文永

　　袁開榜錢樂秋黃國興蔣宗禮曾明

　　廖明宏樊孝忠秘書：張瑞慶

　　本書主審：李曉明

　　前言FOREWORD對這一版的書名做了一點變動，增加了“基本原理、設計技術與工程實現(xiàn)”的副標題，特意指出書中提供3類不同性質(zhì)的教學內(nèi)容。第一類是計算機組成原理與運行機制的核心知識，屬于學生一定要掌握的原理性基礎知識，在絕大多數(shù)的同類教材中都會重點講解。第二類是計算機硬件系統(tǒng)的基本設計技術，多數(shù)同類教材中講解不多也欠具體應用實例。第三類是計算機硬件系統(tǒng)的入門性工程實現(xiàn)問題，同類教材中較少涉及，我們希望在這一版的教材中對上述3類內(nèi)容都有適度的講解，其中的工程實現(xiàn)問題只在主教材中簡單提及，主要部分將放到《計算機組成與體系結構實驗指導》教材中。這種安排體現(xiàn)了作者多年堅守的教學理念，從如下3個方面予以說明。

　　(1)針對計算機組成原理這一類含有較多技術性、工程性、實踐性內(nèi)容的課程，教學安排不宜過分局限于教師課堂講課、學生課上聽講和課后背書的學習方式，應該在講課聽課的基礎上再較大幅度地加強教學實踐環(huán)節(jié)，增強課程內(nèi)容的實用性，促成學生用課堂學到的理論知識，設計實現(xiàn)一臺組成簡單完整、原理清晰實用、實驗操作方便、支持匯編語言編程的簡小計算機系統(tǒng)，促使學生在學習理論知識、掌握設計技術、提升實踐能力等諸方面得到全面成長。

　　(2)在講解計算機硬件系統(tǒng)組成和功能實現(xiàn)時，應該把口語性的一般講解和硬件描述語言的嚴謹描述恰當?shù)亟Y合起來，鼓勵選用硬件描述語言設計計算機控制器和描述整機系統(tǒng)，既能體現(xiàn)計算機的最新設計技術和實現(xiàn)手段，保證教學內(nèi)容適度的先進性，又可以培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃季S方式和對硬件問題的深入理解和準確闡述，這有利于提高授課質(zhì)量，降低學習和實驗的難度。

　　(3)在課程的教學安排中，需要處理好硬件子系統(tǒng)（重點部分）和軟件子系統(tǒng)（配合部分）的關系，不能完全局限于硬件系統(tǒng)本身，還需要包含必要的軟件內(nèi)容，匯編語言程序設計應該占有一定分量，加深對硬、軟件兩類資源各自在計算機系統(tǒng)中的地位和作用的理解。指令系統(tǒng)是連接硬、軟件系統(tǒng)的紐帶，匯編語言編程有助于深入了解指令系統(tǒng)、計算機整機組成與運行控制機制。因此在教學計算機系統(tǒng)中配備了3個基本程序:PC仿真終端程序、交叉匯編程序、監(jiān)控程序，對多數(shù)同學來說做到會使用它們就夠了，鼓勵有余力的同學探索這幾個程序的實現(xiàn)思路和方法。

　　本書包括了數(shù)字電路基礎、計算機組成、計算機體系結構3部分內(nèi)容，共13章。

　　第1章是全書內(nèi)容的概述部分，簡要介紹計算機組成和體系結構的基本概念，從實現(xiàn)功能的角度介紹計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件;從功能和層次的觀點來講解計算機組成和體系結構各自需要研究和解決的問題，并簡要說明了本課程的教學目標和對學習方法的建議。

　　第2章簡明講解數(shù)字電路基礎知識和幾種常用的電路芯片，是為講解計算機組成和體系結構做電子線路方面的準備，沒有這些知識是很難學懂計算機硬件的組成和運行原理的。

　　第3章的數(shù)據(jù)表示和運算、第4章的運算器部件共同構成本書核心內(nèi)容的第1個知識單元，主要圍繞承擔數(shù)據(jù)運算功能的運算器部件進行講解，在給出通用的基本原理知識的同時，還提供了設計實現(xiàn)一個原理性的8位運算器模型和一個4位位片結構的運算器芯片兩個實例，展現(xiàn)運算器部件的設計過程和實現(xiàn)方法，提升學生的實踐能力。

　　前言計算機組成與體系結構（第3版）第5章的指令系統(tǒng)和第6章的控制器部件共同構成本書核心內(nèi)容的第2個知識單元，主要圍繞指令格式選擇、指令系統(tǒng)設計，以及硬件系統(tǒng)中的硬布線方案的控制器部件進行講解，而對微程序方案控制器只作適當介紹。在給出通用的基本原理知識的同時，提供了一套簡單實用的基本指令系統(tǒng)。硬件方面，選用多指令周期方案實現(xiàn)這套指令系統(tǒng)的控制器部件的具體例子，展現(xiàn)控制器部件的設計過程和實現(xiàn)方法，提升學生的實踐能力。軟件方面，使用這套指令系統(tǒng)設計了教學機的監(jiān)控程序，可以支持匯編語言程序設計；若再擴展一部分指令，也可以支持解釋執(zhí)行的BASIC高級語言程序設計，能支持浮點數(shù)運算和多種基本數(shù)學函數(shù)運算。針對這門課程的教學要求來說，此時的教學機的硬軟件系統(tǒng)已經(jīng)比較完整，包括了計算機硬件軟件系統(tǒng)全部6個層次的基本內(nèi)容。

　　第7章的主存、第8章的高速緩存和虛存、第9章的輔助存儲器設備共同構成本書核心內(nèi)容的第3個知識單元，主要圍繞計算機3級結構的存儲器件系統(tǒng)和外存儲器設備進行講解，還給出了通過字、位擴展技術，用靜態(tài)芯片構建內(nèi)存儲器部件的具體例子，支持存儲器與CPU同步運行，展現(xiàn)內(nèi)存儲器的功能和經(jīng)總線連接CPU的具體方法。

　　第10章的輸入輸出設備和第11章的輸入輸出系統(tǒng)共同構成本書核心內(nèi)容的第4個知識單元，主要圍繞承擔計算機的輸入輸出功能的設備或者部件進行講解，給出了用于連接計算機各個部件的單總線結構的實際例子，具體介紹了串行接口的內(nèi)部線路組成和使用方法，并通過串口連接PC仿真終端，選用程序查詢方式控制入出設備，使教學機整機系統(tǒng)具備了輸入輸出操作功能。

　　第12章的流水線技術和第13章的并行計算機體系結構共同構成本書核心內(nèi)容的第5個知識單元，對應計算機體系結構課程的基礎知識，針對提高計算機系統(tǒng)的性能，更多地強調(diào)基本概念、提出問題的思路和解決問題的方案，基本上止步于定性說明。

　　教學過程中，可以根據(jù)不同的課程安排和教學要求，合理分配教材中3部分內(nèi)容的課時比例。針對把計算機組成和系統(tǒng)結構合并成一門課程的安排，教材第3～13章的內(nèi)容都屬于必學知識，建議教學學時安排為70~90。若只是用于計算機組成原理課程，計算機體系結構的內(nèi)容另外開課，則只需講解第3～11章中的知識，建議課內(nèi)學時安排為60~70，另外安排約16個實驗學時。

　　第2章用于復習先修課程的內(nèi)容，簡明介紹數(shù)字電路與邏輯設計知識，約占教材總篇幅的7%，是學習計算機組成和體系結構一定會用到的電路基礎知識，也許要求并不太多也不深，但如果完全不了解這些內(nèi)容，要聽懂課堂授課內(nèi)容難度很大，設計實現(xiàn)一個小計算機系統(tǒng)更無從談起。

　　第1章、第3～11章是課程的主體部分，約占教材總篇幅的73%，主要是計算機組成方面較為完整的系統(tǒng)知識，重點圍繞基本計算機硬件系統(tǒng)5個功能部件的功能和組成進行分析講解。

　　第12章和第13章是本課程的提高部分，約占教材總篇幅的20%，主要是計算機體系結構方面的基礎知識，重點介紹提高計算機系統(tǒng)性能的各種可行思路與基本途徑。

　　在教學環(huán)節(jié)安排中，需要處理好理論教學和教學實驗的關系，可以考慮（并非一定如此）用約四分之三的課內(nèi)學時（例如48學時）講授計算機組成與運行機制的核心知識，四分之一的課內(nèi)學時中的一小部分（例如6學時）用于講解構建整機系統(tǒng)用到的設計技術和工程實現(xiàn)問題。剩余的部分（例如10學時）和16個實驗學時統(tǒng)一安排用于教學實驗，在教師的指導下去完成設計實現(xiàn)小計算機硬件系統(tǒng)的核心工作，更好地貫徹理論指導實踐，通過實踐再進一步深入理解理論的認知過程，做到學習知識和增長能力的雙豐收。

　　本教材配套的有:①內(nèi)容詳盡的教學實驗指導教材；②教學實驗設備（由清華大學科教儀器廠生產(chǎn)銷售，型號是TEC�瞂P�并颍�，選用教材第1～4個知識單元的部件實例組合而成，能夠確保課堂授課內(nèi)容和教學實驗項目完美的結合；③PowerPoint教學課件；④指令級軟件模擬系統(tǒng)，可以直接在PC系統(tǒng)中運行，實現(xiàn)了與硬件設備相同的運行功能。良好的教學實踐環(huán)境和實驗條件，可以有效地加深對課堂教學內(nèi)容的理解，并使得學生在一定程度上獲得開展研究工作和開展計算機硬件系統(tǒng)設計的實際經(jīng)驗，全面提高解決實際問題和創(chuàng)新思維的能力。

　　本書的第1～3章、第7～13章由宋佳興修訂，第4～6章由王誠修訂，作者有多年從事本專業(yè)教學和科研工作的經(jīng)歷。

　　由于時間和作者水平所限，加上時間倉促，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

　　編者2016年6月于清華大學計算機科學與技術系這是第二版前言，不知要否，如果要，就可以用下面的前言FOREWORD作為“21世紀大學本科計算機專業(yè)系列教材”，遵照本系列教材評審組專家的意見，本書包括了數(shù)字電路基礎、計算機組成、計算機體系結構3個部分內(nèi)容。本書讀者對象主要是學習計算機課程的大學生，包括計算機系的學生、軟件學院的學生和非計算機專業(yè)選修計算機課程的學生�？梢愿鶕�(jù)不同的課程和教學要求，合理分配本教材中3部分內(nèi)容的課時比例。全書共13章，其中第2章屬于先修內(nèi)容，約占教材總量的7%，若是學生課前未曾學習過數(shù)字電路與邏輯設計課程，還是應該用少量學時對教材第2章的內(nèi)容進行適當講解；第3～11章是課程的主體部分，約占教材總量的73%，主要是計算機組成方面的知識，重點圍繞基本計算機硬件系統(tǒng)5個功能部件的功能和組成進行講解分析；第12～13章是本課程的提高部分，約占教材總量的20%，主要是計算機體系結構方面的基礎知識，重點介紹提高計算機系統(tǒng)性能的各種可行思路與基本途徑。其中的指令流水線的淺顯內(nèi)容已經(jīng)出現(xiàn)在計算機組成原理課程之中，但多數(shù)人還是愿意把較為具體深入的指令流水技術安排到計算機系統(tǒng)結構課程中講授。

　　針對把計算機組成和系統(tǒng)結構合并成一門課程的情形，教材第3～13章的內(nèi)容都屬于必學知識，建議教學學時安排為70～90學時。若只是用于計算機組成原理課程，計算機體系結構的內(nèi)容另外開課，則只需講解第3～11章中的知識，建議教學學時安排為60～70學時。教材主體部分的內(nèi)容是按照基本通用原理、簡明原理示例、典型產(chǎn)品現(xiàn)狀這樣3個層次來處理的。

　　基本通用原理是基礎，是學習與理解計算機組成與運行機制的核心知識。其特點是穩(wěn)定性（不隨時間變遷而改變）和通用性（不隨具體機型而變化），是學生一定要掌握的部分。要把通用原理轉(zhuǎn)化成真實的計算機系統(tǒng)，還有許多技術與工程、性能價格比的平衡關系等需要解決。

　　在簡明原理示例這個層次，強調(diào)運用學習到的基本原理知識，學懂或者設計實現(xiàn)一臺硬軟件基本完整、實現(xiàn)簡單（易懂、價廉）、但不一定是最理想（不追求更完備的性能、更好的實用價值）的計算機系統(tǒng)的技術與過程，增加對所學知識的理解深度和應用能力，力求把學習知識和增長實踐能力結合起來。

　　在典型產(chǎn)品現(xiàn)狀這個層次，將選擇某些典型計算機系統(tǒng)中的實例，給出其設計實現(xiàn)的結果及其外特性，可以體現(xiàn)用到的基本原理，更強調(diào)讓學生了解計算機當前的技術水平和發(fā)展現(xiàn)狀。對三個層次的教學要求不盡相同，對優(yōu)化學生的知識結構各自發(fā)揮不同的作用。

　　在講解計算機組成和功能時，把通常的文字敘述和語言VHDL描述結合起來，體現(xiàn)計算機的最新設計手段和實現(xiàn)技術，保證教學內(nèi)容的先進性，并盡量在提高授課質(zhì)量，降低實驗、學習的難度方面做出新的探索。

　　教材內(nèi)容具體安排如下。

　　第1章是全書內(nèi)容的概述部分，簡要介紹計算機組成和體系結構的基本概念，從實現(xiàn)功能的角度來講解計算機硬件系統(tǒng)的基本組成；從功能和層次的觀點來講解計算機組成和體系結構各自需要研究和解決的問題，并簡要說明了本課程的教學目標和對學習方法的建議。

　　第2章簡明講解數(shù)字電路基礎知識和幾種常用的電路芯片，是為講解計算機組成和體系結構作電子線路方面的準備，沒有這些知識是很難學懂計算機硬件的組成和運行原理的。

　　第3章的數(shù)據(jù)表示和運算和第4章的運算器部件共同構成本書核心內(nèi)容的第1個知識單元。主要圍繞計算機硬件系統(tǒng)中承擔數(shù)據(jù)運算功能的部件進行講解，在給出通用的基本原理知識的同時，還給出運算器部件的具體例子，展示運算器部件的設計過程和實現(xiàn)方法，提升學生的實踐能力。

　　前言計算機組成與體系結構（第3版）第5章的指令系統(tǒng)和第6章的控制器部件共同構成本書核心內(nèi)容的第2個知識單元。主要圍繞計算機硬件系統(tǒng)中承擔指揮控制功能的硬連線方案的控制器部件進行講解，而對微程序控制器只作適當介紹。在給出通用的基本原理知識的同時，還給出控制器部件的具體例子，展示控制器部件的設計過程和實現(xiàn)方法，提升學生的實踐能力。

　　第7章的主存、第8章的高速緩存和虛存以及第9章的輔助存儲器設備共同構成本書核心內(nèi)容的第3個知識單元。主要圍繞計算機3級結構的存儲器件系統(tǒng)和外存儲器設備進行講解，還給出了通過字、位擴展技術，用存儲器芯片構建內(nèi)存儲器的具體例子。

　　第10章的輸入輸出設備和第11章的輸入輸出系統(tǒng)共同構成本書核心內(nèi)容的第4個知識單元。主要圍繞承擔計算機的輸入輸出功能的設備或者部件進行講解，給出了用于連接計算機各個部件的總線構成的實際例子，具體介紹了串行接口的內(nèi)部線路的組成和使用方法。

　　第12章的流水線技術和第13章的并行計算機體系結構共同構成本書核心內(nèi)容的第5個知識單元。對應計算機體系結構課程的主要知識，針對提高計算機系統(tǒng)的性能，更多地強調(diào)基本概念、提出問題的思路和解決問題的方案，基本上止步于定性說明。

　　通過本教材，學生可以學到數(shù)字電路的基礎知識，了解某些電路芯片的功能和用法，初步認識到某些邏輯功能是能夠使用數(shù)字電路實現(xiàn)的；可以從層次的觀點，掌握必要的基礎知識，計算機組成和運行機制方面的知識，以及必要的專業(yè)知識基礎，為下一步的學習和進一步提高實際工作能力做好準備；可以從系統(tǒng)的觀點，了解計算機體系結構領域的基本知識，理解提高計算機的部件和整機硬件性能的各種可行途徑，理解計算機系統(tǒng)中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關系，能站在更高的層次上思考與解決學習、工作中遇到的問題。

　　為方便教學，本教材配有PowerPoint電子教案。除此之外，還有硬件實現(xiàn)的教學計算機設備，這個設備就是選用本教材第1～4個知識單元的實際例子組合而成的，確保課堂授課內(nèi)容和教學實驗項目能夠完美結合。還有內(nèi)容詳盡的教學實驗指導書和通過軟件模擬實現(xiàn)的相同功能的模擬系統(tǒng)。良好的教學實踐環(huán)境和實驗條件，能夠有效地加深對課堂教學內(nèi)容的理解，并使得學生在一定程度上獲得開展研究工作和計算機硬件系統(tǒng)設計的實際經(jīng)驗，全面提高解決實際問題和創(chuàng)新思維的能力。

　　本書的第1～6章由王誠教授修訂，第7～13章由宋佳興副教授修訂，作者有多年從事本專業(yè)教學和科研工作的經(jīng)歷。

　　由于時間和作者水平所限，書中難免存在不足之處，敬請廣大讀者批評指正。

　　作者2011年4月于清華大學計算機科學與技術系