本书系统介绍计算机组成与体系结构的基本概念和使用方法。主要内容包括：计算机中的运算方法和运算器组成、指令系统、CPU、存储系统、输入输出设备和系统、流水线技术、并行处理技术和多核技术等。 本书依据课程教学的特点、难点和要点，着重“厚基础、宽专业、重能力”的编写方针。加强理论教学与实践教学相结合，力图反映新技术、新理念，以适应计算机技术快速发展的需要。
本书适合作为高等院校计算机相关专业的本科生教材，也适合广大读者学习计算机体系结构时使用。
计算机组成与体系结构
宋宜斌 邱秀芹 潘庆先 刘霄◎编著
精品课程网站 http://zcy1.ytu.edu.cn
“计算机组成与体系结构”课程的教学，具有知识面广、内容多、难度大、更新快等特点。计算机科学技术的发展日新月异，而体现新思维、新技术、新特点、新要求的教材对于提高课程教学水平，促进计算机学科的发展起着十分重要的作用。为此，本书作者结合多年的课程教学经验和教学需求，从传授基础知识和培养能力的目标出发，并结合本课程教学的特点、难点和要点，本着“厚基础、宽专业、重能力”的写作方针编写了本教材。通过本教材的学习，学生可以从层次的观点，掌握基本的计算机组成和运行机制方面的知识，奠定必要的专业知识基础，为下一步课程的学习打好基础。同时，可以从系统的观点，了解计算机组成与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，学会在更高的层次上思考与解决工作中所遇到的问题。
为了适应计算机技术的快速发展，“计算机组成与体系结构”课程将“计算机组成原理”与“计算机体系结构”两门重要课程合并，作为计算机科学与技术学科的重要核心课程之一。从课程地位来说，它在先导课和后续课之间起着承上启下和继往开来的作用。
“计算机组成与体系结构”课程的教学，具有知识面广、内容多、难度大、更新快等特点，尤其是多核技术和并行处理技术的快速发展与应用，对本课程的内容设置提出了新的要求。另外，体现新特点、新要求的教材对于提高课程教学水平，促进计算机学科的发展起着十分重要的作用。为此，我们结合多年的课程教学经验和教学需求编写了此教材，期望能为课程建设做一点工作。在编写过程中，力争体现出如下特色：
1) 内容全面准确，基本概念清楚；
2) 注重知识的系统性，使学生能建立计算机整机结构概念；
3) 注重知识结构的合理性，为进一步深入学习有关计算机后续课程打下良好的基础；
4) 加强理论教学与实践教学相结合，注意学生的综合能力启发与培养；
5) 力图反映新技术、新理念，以适应计算机技术快速发展的需要。
计算机科学技术的发展日新月异，新思维、新技术、新器件不断问世，因而，课程教材的部分内容不可避免会出现过时、老化，需要及时更新。同时，学科专业教学体系和课程内容的组合与调整，也在客观上对课程教材提出了新的要求。为此，我们决定编写适应新的课程教学的《计算机组成与体系结构》教材。本书内容安排与中国计算机学会教育委员会、全国高等学校计算机教育研究会联合推荐的《计算机学科教学计划1993》和《2008全国计算机专业综合考试大纲》要求是相一致的。
从传授基础知识和培养能力的目标出发，并结合本课程教学的特点、难点和要点，编者在教材编写过程中坚持“厚基础、宽专业、重能力”的九字方针。所谓“厚基础”，是指教材必须具有合理的知识结构，学生必须掌握宽厚的硬件基础知识和整机概念；所谓“宽专业”，是指拓宽专业知识的覆盖面，学生要了解相关技术的基本内容；所谓“重能力”，是指培养学生的硬件分析、设计和调试能力。
本书内容具体安排如下：
第1章是全书内容的概述部分，简要介绍计算机组成与体系结构的基本概念，从实现功能的角度说明计算机硬件系统的基本组成，从功能和层次的观点讲解计算机组成与体系结构各自需要研究和解决的问题。本章建议学时数：计算机专业4学时；非计算机专业2~4学时。
第2章介绍计算机中的运算方法和运算器组成，这是本课程的第一个重点知识单元。该章以运算方法及运算器为主要内容，讨论计算机实现各类运算的基本方法与实现原理。本章建议学时数：计算机专业6~8学时；非计算机专业4~6学时。
第3章讨论指令系统，该章从计算机组成与结构原理角度，讨论计算机完成各类操作所需要的命令及其产生方法。本章建议学时数：计算机专业6~8学时；非计算机专业4~6学时。
第4章讨论CPU，该章与第3章一起，共同构成本课程的第二个重点知识单元：计算机中控制信号的产生与实现方法。本章建议学时数：计算机专业6~8学时；非计算机专业4~6学时。
第5章介绍存储系统，是本课程的第三个重点知识单元。主要讨论多级结构的存储器体系结构和高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器原理。本章建议学时数：计算机专业8~10学时；非计算机专业6~10学时。
第6章的输入输出设备和第7章的输入输出系统，共同构成本书的第四个知识单元。主要围绕计算机的输入和输出功能进行讲解，给出了常用接口芯片的功能与分析方法。第6章建议学时数：计算机专业6学时；非计算机专业4~6学时。第7章建议学时数：计算机专业8~10学时；非计算机专业6~10学时。
第8章的流水线结构与技术及第9章的并行处理技术和多核技术，共同构成本书的第五个基本知识单元。在内容设置上，以计算机系统结构的基本概念介绍为主，介绍问题提出的思路和解决问题的方案以及对性能的影响等，主要进行定性说明。其中，多核技术作为新的扩展内容，供教学参考之用。第8章建议学时数：计算机专业6学时；非计算机专业4学时。第9章建议学时数：计算机专业4~8学时；非计算机专业2学时。
通过本教材，学生可以从层次的观点，掌握基本的计算机组成和运行机制方面的知识，奠定必要的专业知识基础，为下一步课程的学习打好基础。同时，可以从系统的观点，了解计算机组成与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，学会在更高的层次上思考与解决学习与工作中遇到的问题的方法。
本课程的基本教学目标是:
1)使学生从数字电路和逻辑设计、数据在计算机内的表示和运算算法、指令系统和汇编语言程序设计、计算机硬件系统的基本组成和指令执行过程的控制与实现、计算机系统最底层硬软件的配合与功能划分等多个方面(层次)，系统地了解计算机组成的基本原理与内部运行机制。
2)努力提高学生在计算机硬件设计和实现方面的能力，适当了解提高计算机的部件和整机硬件性能的各种可行途径，在一定程度上掌握计算机体系结构的基本知识。
3)使学生对当前计算机最新的研究、发展与应用趋势有一个概括的认识。
对学习方法的建议
1)认真听课并仔细阅读教材是学好课程的重要环节，适当参阅PowerPoint格式的课件是有益的，有利于分清教学内容的主次关系，把握好关键知识点。
2)充分发挥教学实验设备的作用，包括硬件实现的设备和软件实现的相同功能的模拟系统，认真完成规定的教学实验项目，有意识地增强自己从实践中学习知识、增长才干的能力。后一点在这一课程学习过程中更有其现实而重要的意义。
3)这门课程主体上属于硬件课程，同时还应适当关注计算机最底层的软件的一些内容（如微程序设计等），学会软硬件相互配合、融会贯通的方法，这也是学好后续专业课程的重要基础。
教材使用说明
1）本教材主要是针对计算机、软件工程等本科专业的“计算机组成与体系结构”课程的教学需求，并参考了2009年全国计算机科学与技术学科研究生入学专业基础综合考试大纲编写而成。建议课堂教学安排54~68学时，实验课时安排10~16学时，另外，建议加设一周的课程设计时间。不同学校可以根据自身的教学计划和要求，自行调整授课时间和内容。
2）非计算机专业的学生在使用本教材时，可以适当降低教学要求，主要学习内容建议为：运算方法和运算器、指令系统、CPU，对存储系统和I/O系统内容可以适当简化，其他内容可自行确定。
课堂教学建议
1）本课程重点为第2~5章和第7章，第6章和第8章内容可以根据教学需要做适当增减。
2）第9章为相对独立的内容，可以根据实际需要进行内容和学时的调整。
实验教学建议
1）课程实验是吸收消化课程内容的重要训练环节，建议开设如下基本单元实验（10~16学时）：
实验一：多位加法器单元设计
实验二：数据通路与控制单元设计
实验三：基本存储系统设计
实验四：微程序控制器设计
2）如果可能，建议在学期末开设一周时间的综合课程设计，完成一个简单计算机系统的设计，实现4~5条机器指令。
本教材由宋宜斌、邱秀芹、潘庆先、刘霄编写。宋宜斌负责第1章、第8章、第9章的编写；邱秀芹负责第2章、第4章的编写；潘庆先负责第3章、第5章的编写；刘霄负责第6章、第7章的编写，还有部分研究生参加了本教材的编写、绘图工作。由于我们经验不足，难免在编写中存在问题，欢迎读者批评指正。
编者
2009年6月
精品课程网站：http://zcy1.ytu.edu.cn
“计算机组成与体系结构”课程的教学，具有知识面广、内容多、难度大、更新快等特点。计算机科学技术的发展日新月异，而体现新思维、新技术、新特点、新要求的教材对于提高课程教学水平，促进计算机学科的发展起着十分重要的作用。为此，本书作者结合多年的课程教学经验和教学需求，从传授基础知识和培养能力的目标出发，并结合本课程教学的特点、难点和要点，本着“厚基础、宽专业、重能力”的写作方针编写了本教材。通过本教材的学习，学生可以从层次的观点，掌握基本的计算机组成和运行机制方面的知识，奠定必要的专业知识基础，为下一步课程的学习打好基础。同时，可以从系统的观点，了解计算机组成与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，学会在更高的层次上思考与解决工作中遇到的问题的方法。
出版者的话
前言
第1章绪论
1.1计算机发展与应用
1.2计算机系统的基本组成及其
层次结构
1.2.1计算机系统的基本功能
1.2.2计算机系统的基本
硬件结构
1.2.3计算机系统的基本
软件结构
1.3计算机的体系结构与发展
1.3.1计算机的体系结构
1.3.2计算机组成与实现
1.3.3现代计算机体系结构
1.4 新型计算机与技术研究进展
本章小结
习题
第2章运算方法与运算器
2.1数据的表示——常用的
信息编码
2.1.1数值数据的表示
2.1.2字符类型数据的表示
2.1.3逻辑数据的表示
2.1.4校验码
2.2定点加、减法运算
2.2.1补码加、减运算
2.2.2溢出的概念与检测方法
2.2.3基本的二进制加/减法器
2.2.4十进制加法器
2.3定点乘法运算
2.3.1原码并行乘法
2.3.2补码并行乘法
2.4定点除法运算
2.4.1原码除法运算原理
2.4.2并行除法器
2.5定点运算器的组成
2.5.1逻辑运算
2.5.2多功能算术/逻辑运算单元
2.6浮点运算方法和浮点运算器
2.6.1浮点加、减法运算
2.6.2浮点乘、除法运算
2.6.3浮点运算流水线
2.6.4浮点运算器实例
本章小结
习题
第3章指令系统
3.1指令系统概述
3.1.1指令系统的发展
3.1.2指令系统的设计要求
3.1.3计算机语言与硬件结构
的关系
3.2指令格式
3.2.1操作码
3.2.2地址码
3.2.3指令字长度
3.2.4指令助记符
3.2.5指令格式举例
3.3寻址方式
3.3.1指令的寻址方式
3.3.2操作数寻址方式
3.3.3堆栈寻址方式
3.3.4寻址方式应用举例
3.4指令系统
3.4.1指令的分类
3.4.2精简指令系统
3.4.3指令系统和汇编程序
的设计
本章小结
习题
第4章中央处理器
4.1CPU的组成和功能
4.1.1CPU的功能
4.1.2CPU的组成及基本寄存器
4.1.3操作控制器与时序产生器
4.2指令周期
4.2.1指令周期的基本概念
4.2.2典型指令的指令周期分析
4.2.3指令周期的方框图
表示方法
4.3时序及控制信号
4.3.1控制部件的功能和组成
4.3.2时序信号的作用和
分级体制
4.3.3时序信号产生器
4.3.4控制信号的产生方法及
控制方式
4.4硬布线控制器部件
4.4.1硬布线控制器的基本组成和
工作原理
4.4.2硬布线控制器的设计与
实现
4.5微程序控制器部件
4.5.1微程序控制器的基本组成和
工作原理
4.5.2微命令编码方式
4.5.3微地址的形成方法
4.5.4微指令的格式
4.5.5动态微程序设计
本章小结
习题
第5章存储系统
5.1存储器系统概述
5.1.1存储器的分类
5.1.2存储器的分级结构
5.2主存储器的组成与设计
5.2.1主存储器的作用及分类
5.2.2静态存储器
5.2.3动态存储器
5.2.4主存储器与CPU的连接
5.2.5主存的读写周期
5.2.6主存储器的技术指标
5.2.7提高主存储器性能的途径
5.2.8内存条
5.3高速缓冲存储器
5.3.1高速缓冲存储器的
运行原理
5.3.2高速缓冲存储器的
映射方式
5.3.3替换策略
5.4只读存储器和闪速存储器
5.4.1只读存储器
5.4.2闪速存储器
5.5虚拟存储器
5.5.1虚拟存储器的运行原理
5.5.2段式存储管理
5.5.3页式存储管理
5.5.4段页式存储管理
5.6存储保护
5.6.1存储区域保护
5.6.2访问方式保护
5.7辅助存储器
本章小结
习题
第6章输入输出设备
6.1概述
6.1.1输入输出设备的一般功能
6.1.2输入输出设备的分类
6.2显示设备的组成和工作原理
6.2.1显示设备概述
6.2.2字符/图形显示器
6.2.3图像显示器
6.2.4IBM PC系列机的显示
系统
6.3打印机设备的组成和基本原理
6.3.1针式打印机
6.3.2喷墨打印机
6.3.3激光打印机
6.4计算机的输入设备
6.4.1键盘
6.4.2鼠标设备
6.5外部存储设备
6.5.1外部存储设备概述
6.5.2磁盘设备
6.5.3光盘设备
本章小结
习题
第7章输入输出系统
7.1输入输出系统概述
7.2计算机总线的功能与组成
7.2.1计算机总线概述
7.2.2计算机总线的构成
7.2.3总线仲裁和数据传输控制
7.3输入输出接口概述
7.3.1输入输出接口的基本功能
7.3.2通用可编程接口的
一般组成
7.3.3接口实例
7.4常用的输入输出方式概述
7.4.1程序查询方式
7.4.2程序中断方式
7.4.3DMA方式
7.4.4通道方式
本章小结
习题
第8章流水线结构与技术
8.1流水线的基本概念
8.1.1流水线简介
8.1.2流水线工作原理
8.2流水线的分类方法
8.2.1流水线的分级
8.2.2流水线的功能
8.2.3流水线的结构特征
8.3流水线的性能指标
8.3.1流水线的吞吐率
8.3.2流水线的加速比
8.3.3流水线的效率
8.4流水线中的相关问题
8.4.1资源相关
8.4.2数据相关
8.4.3控制相关
本章小结
习题
第9章并行计算基础与多核技术
9.1并行计算基础
9.1.1并行计算机体系结构
9.1.2并行计算模型
9.2并行编程环境
9.2.1编程语言与编译器
9.2.2HPF:数据并行编程
9.2.3OpenMP: 共享存储
并行编程
9.3并行计算性能评测
9.3.1并行程序执行时间
9.3.2加速比性能定律
9.3.3并行程序性能评价方法
9.4并行超级计算机
9.5超大规模集成电路与系统
芯片发展
9.5.1超大规模集成电路技术
9.5.2系统芯片
9.6多核体系结构发展概况
9.6.1多核芯片
9.6.2片上多核处理器体系结构
9.6.3芯片组对多核的支持
9.7系统软件对多核处理器的
支持方法
9.7.1调度与中断
9.7.2输入输出系统
9.7.3存储管理与文件系统
9.7.4虚拟化技术
9.7.5典型的支持多核的
操作系统
本章小结
习题
参考文献
