本书的核心是计算机系统的硬件技术，与其他教科书相比具有三个鲜明的特色：1）深入浅出、循序渐进、实例丰富，从简单的数字逻辑电路设计开始，进阶组合逻辑和时序逻辑电路的设计、计算机组成的基本原理和计算机体系结构的相关概念；2）关注系统安全问题，深入探讨了现代计算机系统如何利用硬件支持安全的体系结构；3）突出现代计算机的设计理念，通过实例来展示如何应用流水线和并行化技术提升并发处理能力，并揭示了处理器体系结构和编译器、编程方法及性能之间的关系。
计算机系统硬件课程对于教师和学生都是一大挑战，本书是迎难而上的一部力作，展现了作者对硬件的精妙理解，既涵盖数字逻辑设计与计算机组成这些传统内容，又创新式地引入了安全体系结构问题。本书的深度高于大部分同类教材，但同时深度与广度更为平衡，循序渐进地铺就了从基础电路到计算机系统的硬件/软件贯通之路。
本书特色
面向教学的内容组织模式。从组合电路、时序电路的简单设计逐步进阶复杂设计，包含丰富的实例和练习，并配有Verilog代码，同时鼓励学生使用各类工具来提高设计效率。
关注系统视角的安全问题。用完整的一章深入探讨计算机系统如何利用硬件来支持安全的体系结构，包含访问控制、硬件安全策略机制以及加密技术等诸多概念和方法。
突出现代计算机设计理念。移动计算和高性能计算对计算机基础结构的影响日益深远，本书对这一趋势的关注和解读，对于学生学习后续课程和从事相关工作都大有助益。
作者简介
尼克罗斯·法拉菲（Nikrouz Faroughi） 计算机科学和工程领域教授，拥有密歇根州立大学电子工程博士学位，现任职于加利福尼亚州立大学萨克拉门托分校，曾在Intel公司担任顾问和技术经理。
编写本书的目的是让读者通过一本教科书全面理解数字逻辑设计和计算机组成。此外，本书还有独立的一章介绍安全的计算机体系结构。
本书涵盖数字逻辑设计的基本原理和Verilog硬件描述语言设计。各个章节分别讨论简单和复杂的组合电路和时序电路的设计方法。本书概述了电路设计的现代工具和方法，而Verilog实例仅用于展示该语言的基本特性和可综合特性。如有需要，教师可以选择用VHDL替代。不过，本书并不要求使用硬件描述语言。
本书内容包括存储器组织、处理器核心和处理器组织结构，以及硬件支持的计算机安全等。由于技术的进步以及对高速和低功耗设计的需求改变了计算机组织结构的基础，因此本书尝试不仅提供简单的实例用于展示基本的设计概念，而且揭示对现代计算机设计目标的理解。
本书还从指令集体系结构角度讨论了计算机体系结构的概念，包括支持安全指令执行的架构、流水线和并行化，以及存储器层次结构。本书尝试提供大量实例来展示如何应用流水线和并行化技术来提升并发处理能力并降低或隐藏延迟（这是两个影响性能的因素）。程序代码实例也用于展示CPU体系结构与编译器、编程方法和性能之间的关系。
各章节概述
本书一共有11章。第1章概述了数字系统、计算创新、数码系统、数字逻辑设计和计算机组成/体系结构及安全。
第2章和第3章涵盖简单和复杂的组合电路，包括整型和浮点算术运算。在第2章讨论小型电路的设计方法时，假定若需要化简超过4个输入变量的真值表，学生可以利用逻辑化简软件，例如从互联网上免费下载的Espresso。这一章还介绍了设计工具、结构级和行为级设计模型，以及利用可编程逻辑器件的电路设计，也包括Verilog设计实例及其综合和仿真结果。第3章涵盖设计大型组合电路的方法和整型及浮点数计算机算术运算，同样给出了设计实例。
第4～6章涵盖了简单和复杂的时序电路，从基本模型到复杂的数据通路与控制，再到时序约束、设计效率和功耗利用。第4章介绍了锁存器、触发器及其时序要求。第5章介绍了有限状态机（FSM）设计及其时序要求和异步输入的处理。第6章介绍了单周期、多周期和流水线数据通路与控制。设计实例展示了数据通路和基于FSM、微程序及流水线的三种控制单元组织，此外还给出了几个数据通路设计实例，包括无符号和带符号乘法运算以及二维虚拟目标旋转。
第7章专注于存储器，包括SDRAM技术，以及包括交叉和多通道在内的存储器设计。这一章也介绍了存储器通信协议、性能，以及均匀存储器存取（UMA）和非均匀存储器存取（NUMA）组织；还讨论了一些编程方法实例，这些实例可以利用NUMA组织结构的优势来提高性能。
第8章讲解CPU设计，从单周期和流水线到精简指令集计算机（RISC）、深度流水和分支预测，再到静态和动态指令集并行（ILP），直到多线程。章中包括CPU数据通路实例的设计和仿真，并给出了编程代码实例来说明通过编译器优化改进性能、分支预测、ILP和多线程。
第9章专注于微型计算机体系结构，内容从简单的总线结构到集成结构再到现代点到点结构的历史脉络，也包括I/O端口寻址、中断驱动I/O和直接存储器访问（DMA），以及现代“即插即用”设备控制器接口，例如USB主机控制器接口。这一章还讨论了中断和相关操作系统任务，中断处理CPU的数据通路和指令集也被用作实例来解释简单计算机的体系结构和操作。
第10章涵盖存储器层次结构的原理及其组织。这一章还讨论了单处理器系统中的cache一致性，也介绍了共享存储器多处理器系统中的cache一致性问题，通过实例从缺失率、硬件数量和功耗等方面说明不同的cache映射技术的优势，还介绍了虚地址转换、页表管理和用于转换虚地址的可选处理器的组织结构。
第11章从应用在计算机体系结构中的安全工程方法的基本概念入手，接着引出访问控制、安全策略模型、硬件安全策略机制和软件/物理攻击机制，并介绍了加密技术。这一章还介绍了基于安全协处理器（用于实现安全数据存储和通信等）或者安全通用处理器实现的可信计算基（TCB）架构，也详细介绍了实现程序（指令和数据）机密性和完整性的安全处理器的体系结构。
虽然第11章的内容被编排在一起以方便读者阅读，但其内容也同时包含在其他章节中。例如，当学到时序电路设计技术时，学生就可以设计简单的加密电路。还有一些该章涉及的内容也在其他章节中出现过，包括硬件木马和硬件安全策略机制、存储器认证、中断的安全处理、安全协处理器和安全处理器架构等。为了给出第11章内容与其他章节相关内容的关联，第1章、第3章、第5～10章的练习部分都列出了第11章的练习，并加注说明为“计算机安全”。教师在这些章节中可以选择所列的习题。
为便于参考，关键字在第一次出现时会加粗显示。缩写的关键字不加粗，但少数会标出完整术语，便于读者阅读。选择本书为其课程必修教材的学术机构的教师可获得练习答案和PowerPoint幻灯片。
如何阅读本书
大多数人认为，本书对于数字设计和计算机组成的讨论深度明显高于市面上相似的教材。对于这两个主题，本教材的目标是在覆盖的广度和深度方面更加平衡。在一个学期中，教师既能审慎地选择知识点，也可以选择其课程中需要强调的每个知识点的深度和广度。本教材也包含了足够的内容来适应两个季度或两个学期的课程安排，以便深入讲授数字逻辑设计和计算机组成/体系结构两部分内容，也使学生有更多的时间来深入理解设计练习。下面是对读者阅读本书的方式的几点建议：
1.对于没有或只有有限的数字逻辑基础的本科生，课程内容可以包括第1～5章和第6～9章的部分知识点，以及其余章节中的典型知识点。某些章节和设计实例可以跳过。
2.对于具备一些数字逻辑基础的计算机科学和计算机工程的本科生，课程内容可以包括第1章、复习或选讲第2～5章中的部分知识点、第6～10章全部知识点和第11章的部分知识点。
3.对于那些向没有或只有有限的数字逻辑设计和计算机组成基础的研究生授予学位的学术机构，本书是一本理想的教科书，因为其将数字逻辑设计和计算机组成及体系结构整合到了一本书中。
4.希望更新其数字逻辑和计算机组成及体系结构知识以及希望学习安全相关的计算机体系结构概念的专业人士可以从本书中获益。
[美]尼克罗斯?法拉菲（Nikrouz Faroughi）著：
尼克罗斯·法拉菲（Nikrouz Faroughi） 计算机科学和工程领域教授，拥有密歇根州立大学电子工程博士学位，现任职于加利福尼亚州立大学萨克拉门托分校，曾在Intel公司担任顾问和技术经理。
戴志涛 张通 黄梦凡 徐继彬 等译：暂无简介
