計(jì)算機(jī)組成（computer organization）是指計(jì)算機(jī)主要功能部件的組成結(jié)構(gòu)、邏輯設(shè)計(jì)及功能部件之間的相互連接關(guān)系。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （computer architecture）的經(jīng)典定義是指程序設(shè)計(jì)者（主要指低級(jí)語(yǔ)言程序員或系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)者）所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即計(jì)算機(jī)的功能特性和概念性結(jié)構(gòu)，也稱指令集體系結(jié)構(gòu)（instruction set architecture，ISA）。指令集體系結(jié)構(gòu)規(guī)定的內(nèi)容主要包括： 指令操作類型、指令處理的數(shù)據(jù)類型、指令格式、尋址方式和可訪問(wèn)空間大小、通用寄存器個(gè)數(shù)和位數(shù)、控制和狀態(tài)寄存器的定義、I/O空間的編址方式、異常和中斷機(jī)制、機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換、輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式、存儲(chǔ)保護(hù)方式等。
本書主要介紹計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涉及的相關(guān)內(nèi)容。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中，這些內(nèi)容位于軟件和硬件的結(jié)合處，不僅涉及計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)和指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還涉及操作系統(tǒng)、編譯程序和程序設(shè)計(jì)等部分軟件技術(shù)，是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中核心的部分。
1. 本書的寫作思路和內(nèi)容組織
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這兩部分涉及的內(nèi)容相互融合，密不可分。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，很多高校都逐漸把計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合起來(lái)；甚至國(guó)外一些經(jīng)典教材還把與前兩者密切相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容也融合在一起。這種方式可以加深讀者對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的整體化理解，并有效地增強(qiáng)對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。
本書在總結(jié)和借鑒國(guó)外著名高校使用的教材、教案、教學(xué)理念和教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，力圖以培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，貫徹從程序設(shè)計(jì)視角出發(fā)，強(qiáng)調(diào)軟硬件關(guān)聯(lián)與協(xié)同，以CPU設(shè)計(jì)為核心的組織思路，試圖改變同類傳統(tǒng)教材就硬件講硬件、軟硬件分離的內(nèi)容組織方式，以系統(tǒng)化觀點(diǎn)全面地介紹計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。
為了體現(xiàn)以上思路和目標(biāo)，本書在以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮和內(nèi)容組織。
（1） 首先基于高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序機(jī)器指令序列控制信號(hào)的路線展現(xiàn)程序從編程設(shè)計(jì)、翻譯轉(zhuǎn)換，到終在CPU上運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化的觀點(diǎn)闡述計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置、內(nèi)容和作用，從而為清晰了解本課程的內(nèi)容和作用、為全面建立計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的整體概念打下基礎(chǔ)。
（2） 將指令執(zhí)行過(guò)程和異常、中斷、存儲(chǔ)訪問(wèn)、I/O訪問(wèn)等重要概念和技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行介紹，力求清晰說(shuō)明CPU執(zhí)行指令過(guò)程中硬件與操作系統(tǒng)相互切換和協(xié)同工作的處理過(guò)程，使讀者深刻理解軟硬件系統(tǒng)之間的關(guān)系與協(xié)同工作過(guò)程。
（3） 講述與程序設(shè)計(jì)有密切關(guān)系的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容（如數(shù)據(jù)表示、信息存放、操作數(shù)尋址、過(guò)程調(diào)用、程序訪問(wèn)局部性等）時(shí)，試圖通過(guò)對(duì)硬件設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)之間關(guān)系的說(shuō)明，使讀者建立 從程序員視角理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從硬件設(shè)計(jì)的視角理解程序設(shè)計(jì)與執(zhí)行的思想，力圖在提高讀者硬件設(shè)計(jì)能力的同時(shí)，也增強(qiáng)其進(jìn)行高效的和系統(tǒng)化的程序設(shè)計(jì)的能力。
前言計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第3版）（4） 在計(jì)算機(jī)組成原理教材傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加指令流水線設(shè)計(jì)相關(guān)的詳細(xì)內(nèi)容，依照簡(jiǎn)單的IAS計(jì)算機(jī)CPU總線式CPU單周期CPU多周期CPU基本流水線CPU動(dòng)態(tài)超標(biāo)量超流水線CPU的次序，循序漸進(jìn)地介紹CPU設(shè)計(jì)技術(shù)及其發(fā)展過(guò)程，以MIPS處理器和Pentium 4處理器為藍(lán)本，力圖使讀者全面深入地掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的CPU設(shè)計(jì)技術(shù)。
（5） 結(jié)合指令流水線技術(shù)介紹基于流水線的編譯優(yōu)化技術(shù)，使讀者對(duì)編譯技術(shù)與指令流水線實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的密切關(guān)系有一定的認(rèn)識(shí)和理解。
（6） 在詳細(xì)介紹單處理器計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)并行處理系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，為讀者進(jìn)一步學(xué)習(xí)高級(jí)體系結(jié)構(gòu)打下必要的基礎(chǔ)。
考慮到很多讀者需要參考國(guó)外同類教材，為了使讀者在閱讀國(guó)外教材時(shí)不用對(duì)其中的門電路符號(hào)進(jìn)行切換，以方便讀者快速理解電路圖，本書中的門電路符號(hào)未使用國(guó)標(biāo)，而是采用了美標(biāo)。
2. 各章節(jié)主要內(nèi)容
本書共有9章，各章主要內(nèi)容如下。
第1章（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述）主要介紹馮?瘙簚諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、程序開(kāi)發(fā)與執(zhí)行過(guò)程以及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法。
第2章（數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示）主要介紹無(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)整數(shù)的表示、IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、西文字符和漢字的編碼表示、數(shù)據(jù)的寬度和存儲(chǔ)方式。
第3章（運(yùn)算方法和運(yùn)算部件）主要介紹核心運(yùn)算部件ALU的功能和設(shè)計(jì)、各類定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法和相應(yīng)的運(yùn)算部件。
第4章（指令系統(tǒng)）主要介紹高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言的關(guān)系、指令格式、操作數(shù)類型、尋址方式、操作類型、異常和中斷處理機(jī)制，并以MIPS架構(gòu)為例介紹C語(yǔ)言程序的機(jī)器級(jí)表示。
第5章（中央處理器）主要介紹CPU的基本功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令執(zhí)行過(guò)程、數(shù)據(jù)通路的基本組成和定時(shí)、單周期和多周期數(shù)據(jù)通路、控制器的設(shè)計(jì)、帶異常處理的處理器設(shè)計(jì)。
第6章（指令流水線）主要介紹指令流水線的基本原理、流水段寄存器的概念、流水線數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)、流水線的控制信號(hào)、結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn)及其處理、數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)及其處理、轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、控制冒險(xiǎn)及其處理、分支預(yù)測(cè)原理、超標(biāo)量和動(dòng)態(tài)流水線的概念和技術(shù)。
第7章（存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)）主要介紹存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的概念、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的組織、多模塊存儲(chǔ)器、磁盤和固態(tài)硬盤、存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)校驗(yàn)、cache的基本原理和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)器的基本概念、進(jìn)程的虛擬地址空間、虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)和存儲(chǔ)保護(hù)。
第8章（系統(tǒng)互連及輸入輸出組織）主要介紹常用輸入輸出設(shè)備的基本原理、外設(shè)與主機(jī)的互連、I/O接口的功能和結(jié)構(gòu)、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(nèi)核I/O軟件的基本概述等。
第9章（并行處理系統(tǒng)）主要介紹UMA多處理器、CC�睳UMA多處理器、多核處理器和硬件多線程技術(shù)、共享存儲(chǔ)器的同步控制、集群、網(wǎng)格、CPU、向量處理機(jī)和SIMD等相關(guān)基本概念，以及并行處理編程模型簡(jiǎn)介。
3. 第3版修訂內(nèi)容
近幾年來(lái)，計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)生了一些變革，一些技術(shù)有了新的發(fā)展。為了反映技術(shù)的進(jìn)步，淘汰陳舊過(guò)時(shí)的內(nèi)容，拓寬本領(lǐng)域知識(shí)的覆蓋面，并更加合理地構(gòu)建知識(shí)框架，特別是在進(jìn)一步體現(xiàn)軟硬件融合的教學(xué)理念方面，第3版進(jìn)行了相應(yīng)修訂，主要包括以下幾方面。
在第1章關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)一節(jié)中，簡(jiǎn)化了對(duì)計(jì)算機(jī)性能測(cè)試方面的介紹，同時(shí)增加了對(duì)Amdahl定律的介紹，并提供了相關(guān)例題。
對(duì)第2章進(jìn)行了一些調(diào)整。因?yàn)槟壳巴ㄓ糜?jì)算機(jī)的用戶程序幾乎不會(huì)使用像BCD碼等十進(jìn)制數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)，所以新版中刪除了十進(jìn)制數(shù)的表示一節(jié)。此外，由于各類存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼的問(wèn)題，因而將數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼從第2章移到了介紹存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的第7章。
第3章增加了對(duì)整數(shù)乘除運(yùn)算溢出判斷處理內(nèi)容的介紹，從高級(jí)語(yǔ)言程序、編譯器、指令系統(tǒng)和底層乘除運(yùn)算電路等多個(gè)層面相互關(guān)聯(lián)展開(kāi)討論，通過(guò)對(duì)溢出判斷相關(guān)例子的分析，能讓讀者深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各層次之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此外，第3章刪除了傳統(tǒng)教材中的4位定點(diǎn)運(yùn)算器這種中規(guī)模集成電路芯片的內(nèi)容。
在第4章關(guān)于指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)一節(jié)中，增加了異常/中斷處理機(jī)制的介紹，改變了傳統(tǒng)教材中將異常和中斷相關(guān)內(nèi)容放在輸入輸出部分重點(diǎn)介紹的做法，強(qiáng)調(diào)了異常/中斷相關(guān)內(nèi)容在指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性。在第4章的指令系統(tǒng)實(shí)例部分，將原來(lái)對(duì)IA��32和ARM兩種架構(gòu)的簡(jiǎn)要介紹，改為對(duì)新型指令集架構(gòu)RISC�睼的比較全面的介紹。
對(duì)于第5章，因?yàn)榈?版教材對(duì)多周期處理器設(shè)計(jì)，特別是微程序控制器設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容講解過(guò)于細(xì)化和具體，而引入多周期處理器的主要目的只是為了便于介紹帶異常處理的處理器設(shè)計(jì)，因此，第3版中簡(jiǎn)化了不太重要的多周期處理器和微程序控制器方面的內(nèi)容。
第7章的內(nèi)容調(diào)整比較多。首先，將第2版中第7.2節(jié)～第7.5節(jié)合并為一節(jié)，并壓縮調(diào)整了其中的一部分內(nèi)容，使得內(nèi)容更加簡(jiǎn)潔緊湊，邏輯性更強(qiáng)。其次，將第2版的8.3節(jié)外部存儲(chǔ)設(shè)備作為存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中的一層移到介紹存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的第7章中，從邏輯上來(lái)說(shuō)更加合理。再次，將第2章的數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼移到第7章，并增加了針對(duì)固態(tài)硬盤進(jìn)行海明校驗(yàn)的基本方法介紹。后，在虛擬存儲(chǔ)器這一節(jié)，刪除了第2版中關(guān)于進(jìn)程上下文切換、分區(qū)和分頁(yè)存儲(chǔ)管理等內(nèi)容的介紹，增加了存儲(chǔ)管理總體結(jié)構(gòu)介紹，將可執(zhí)行文件、進(jìn)程虛擬地址空間、鏈接器、程序的生成和加載、頁(yè)表、地址轉(zhuǎn)換等許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心概念貫穿起來(lái)，以引導(dǎo)并加深讀者對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的理解。此外，還增加了對(duì)RISC�睼虛擬存儲(chǔ)管理機(jī)制的介紹。
在第9章的多處理器系統(tǒng)一節(jié)，增加了共享存儲(chǔ)器的同步控制相關(guān)內(nèi)容，介紹了RISC�睼架構(gòu)中針對(duì)事務(wù)處理和操作原子性需要而提供的屏障指令和原子操作指令集RV32A中的部分指令，通過(guò)實(shí)例介紹了如何利用這些指令實(shí)現(xiàn)共享存儲(chǔ)器的同步控制。
4. 關(guān)于本書使用的一些建議
本書可作為計(jì)算機(jī)組成原理課程的教材，也可作為計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程的教學(xué)參考書。特別是對(duì)于不專門開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的院校，使用本書作為計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教材是比較合適的。
對(duì)于本書的使用，具體建議如下。
（1） 課堂教學(xué)應(yīng)以主干內(nèi)容為主，力求完整給出知識(shí)框架體系，并著重講清楚相關(guān)概念之間的聯(lián)系。
（2） 標(biāo)注為�车膬�(nèi)容是可以跳過(guò)而不影響閱讀連貫性的部分，主要有3類： 簡(jiǎn)單易懂的基礎(chǔ)性內(nèi)容，具體實(shí)現(xiàn)方面比較細(xì)節(jié)的內(nèi)容，在技術(shù)層面上更加深入的內(nèi)容。這些內(nèi)容對(duì)深入理解課程的整體核心內(nèi)容是非常有幫助的。因此，在課時(shí)允許的情況下，可以選擇其中的一部分進(jìn)行課堂講解；在課時(shí)不允許的情況下，也可安排學(xué)生進(jìn)行課后閱讀。
（3） 書中每個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)和概念后面都有一些例子（答案分析過(guò)程以#結(jié)束），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(xué)生自學(xué)。
（4） 習(xí)題中列出的概念術(shù)語(yǔ)基本涵蓋了相應(yīng)章節(jié)的主要概念，可以讓學(xué)生對(duì)照檢查是否全部清楚其含義；習(xí)題中列出的簡(jiǎn)答問(wèn)題是相應(yīng)章節(jié)重要的基本問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)照檢查以判斷學(xué)生對(duì)相應(yīng)章節(jié)內(nèi)容的掌握程度；對(duì)于綜合運(yùn)用題，如果與程序設(shè)計(jì)相關(guān)，則可用編程方式來(lái)求解或驗(yàn)證，這樣做，對(duì)學(xué)生深刻理解課程內(nèi)容有幫助。
（5） 本書在CPU設(shè)計(jì)方面提供了比較具體的實(shí)現(xiàn)方案，相關(guān)內(nèi)容可以作為基于FPGA和硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的參考資料。
5. 致謝
在本書的編寫過(guò)程中，得到了張福炎教授的悉心指導(dǎo)；黃宜華教授從書稿的篇章結(jié)構(gòu)到內(nèi)容各方面都提出了許多寶貴的意見(jiàn)，進(jìn)行了修改，并對(duì)全書內(nèi)容進(jìn)行了全面細(xì)致的審核和校對(duì)；書中有關(guān)CPU設(shè)計(jì)的初圖稿和內(nèi)容組織思路由陳貴海教授提供；此外，武港山教授以及俞建新、吳海軍、張澤生、蔡曉燕等老師也對(duì)本書提出了許多寶貴的意見(jiàn)；楊曉亮、肖韜、翁基偉、劉長(zhǎng)輝、宗恒、莫志剛、葉俊杰等研究生對(duì)相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容和習(xí)題分別進(jìn)行了校對(duì)和試做，并提出了許多寶貴的意見(jiàn)和修改建議。在此對(duì)以上各位老師和研究生一并表示衷心的感謝。
本書是基于作者在南京大學(xué)從事計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)20多年來(lái)所積累的講稿內(nèi)容編寫而成的，感謝各位同仁和各屆學(xué)生對(duì)講稿內(nèi)容所提出的寶貴意見(jiàn)，使得本教材的內(nèi)容得以不斷地改進(jìn)和完善。
6. 結(jié)束語(yǔ)
本書廣泛參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的經(jīng)典教材和教案，在內(nèi)容上力求做到取材先進(jìn)，并反映技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀；在內(nèi)容的組織和描述上力求概念準(zhǔn)確、語(yǔ)言通俗易懂、實(shí)例深入淺出，并盡量利用圖示和實(shí)例來(lái)解釋和說(shuō)明問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)在不斷發(fā)展，新的思想、概念、技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn)，加之作者水平有限，書中難免存在不當(dāng)或遺漏之處，懇請(qǐng)廣大讀者對(duì)本書的不足之處給予指正，以便在后續(xù)的版本中予以改進(jìn)。

作者2021年10月于南京