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编辑推荐

　　本书集作者25年相关课程教学之经验，汇国内外相关资料之精华，内容新颖、充实，结构清晰、完整，文字通俗、简洁。本书既可作为“计算机组成原理”、“计算机组成与系统结构”等课程的教材，也可作为“计算机组成原理实验”和“计算机系统结构”等课程的教学参考书。本书主要特色如下。
　　1．从程序员角度提出硬件设计问题
　　打破国内现有教材的写作思路，从程序员角度提出问题，用硬件实现原理和方法给出对问题的解释，不仅让读者了解硬件怎样实现，而且清楚为什么这样实现，同时还能了解到硬件和软件如何关联。
　　2．将基本原理和大量实例相结合
　　实现一个功能或功能部件有很多具体方法，但这些方法又可归纳出普遍存在的共同的基本原理。本教材在介绍基本原理的基础上，尽可能通过大量实例来说明基本原理的具体运用。
　　3．以MIPS体系为主线，加强CPU设计内容
　　以MIPS体系为主线，在高级语言→汇编语言→机器语言→数据通路和控制器之间建立了密切关系，使读者对程序转换、指令系统和数据通路及控制器的设计有全面、清晰的认识，较好地建立完整的计算机系统的整机概念。
　　4．以历史的、系统的观点全面深入介绍相关内容
　　对现有国内相关教材中使用不一致的概念、术语进行说明，并对相关技术、知识进行归纳、总结和比较，力求系统性地给出各知识点的全貌或框架。
　　5.提供丰富的教学辅助资源和教学支撑环境
　　书后给出了部分国际一流大学以及南京大学的相关课程网站网址，可以到这些网站找到课堂讲义、习题参考答案，以及更多的相关教辅资料，以帮助教师备课，辅助学生学习，并提供学习交流平台。
　　教学资源：
　　《计算机组成与系统结构习题解答与教学指导（第2版）》：对主教材中每一章的内容进行了概括总结，给出6个方面的教学辅助内容：教学目标和内容安排；主要内容提要；基本术语解释；常见问题解答；单项选择题；分析应用题。本书作为主教材的教学辅助资料，可以与主教材配套使用。同时，本书相对独立、自成体系，因此也可单独使用。既可作为“计算机组成原理”或“计算机组成与系统结构”课程的教师参考书，也可作为学生学习“计算机组成原理”或“计算机组成与系统结构”课程时的学习参考书。
　　PPT电子课件：可在清华大学出版社网站下载。
　　课程教学网站：课程网站获江苏省优秀多媒体课件特等奖。
　　在线教学资源：清华大学出版社为第2版的在线教学版配套开发了丰富的在线教学资源，可以在清华大学出版社的在线教学平台上进行练习与测试，实现教学互动、智能学习。
　　本书是学习“计算机组成原理”与“计算机组成与系统结构”等课程的优秀教材，配套教学资源丰富。本书的PPT电子课件、配套的源代码，可到清华大学出版社官网下载；学生也可以在清华大学出版社的在线教学平台上进行练习与测试，实现教学互动、智能学习。

内容简介

　　《计算机组成与系统结构（第2版）》主要介绍计算机组成与系统结构涉及的相关概念、理论和技术内容，主要包括指令集体系结构、数据的表示和存储，以及实现指令集体系结构的计算机各部件的内部工作原理、组成结构及其相互连接关系。全书共9章：第1章对计算机系统及其性能评价进行概述性介绍，第2、3章主要介绍数据的机器级表示、运算以及运算部件的结构与设计，第4～6章介绍指令系统以及各种CPU设计技术，第7章主要介绍包含主存、cache和虚拟存储器在内的存储器分层体系结构，第8章介绍总线互连以及输入输出系统，第9章介绍并行处理计算系统的基本硬件结构和并行程序设计编程模型。
　　《计算机组成与系统结构（第2版）》内容详尽，概念清楚，通俗易懂，实例丰富，并提供大量典型习题供读者练习。《计算机组成与系统结构（第2版）》可以作为计算机专业本科或大专院校学生计算机组成原理与系统结构课程的教材，也可以作为有关专业研究生或计算机技术人员的参考书。

作者简介

　　袁春风，南京大学计算机科学与技术系教授。1984年和1987年分别获得南京大学计算机科学与技术系理学学士和工学硕士学位，毕业后在南京大学任教至今。主要研究领域为大数据并行处理、云计算以及Web信息检索与本文挖掘技术等。在相关领域已承担科研项目30多项，发表论文80多篇，获江苏省科技进步二等奖2项，江苏省优秀软件一等奖1项。编写出版《计算机组成与系统结构》（“十一五”、“十二五”国家级规划教材，江苏省精品教材）、《计算机系统基础》（江苏省“十二五”重点建设教材）等计算机专业教材6本，获教育部优秀教材二等奖1次。从事“计算机组成原理”和“计算机组成与系统结构”课程的教学工作25年。所负责的“计算机组成原理”课程为教育部一微软精品课程。所负责的“计算机组成与系统结构”课程为江苏省精品课程，其课程网站曾获江苏省高等学校优秀多媒体教学课件特等奖，。

内页插图

目录

第1章 计算机系统概述
1.1 计算机的发展历程
1.1.1 通用电子计算机的诞生
1.1.2 第一代计算机
1.1.3 第二代计算机
1.1.4 第三代计算机
1.1.5 第四代计算机
1.2 计算机系统的基本组成
1.2.1 计算机硬件
1.2.2 计算机软件
1.3 计算机系统的层次结构
1.3.1 计算机系统抽象层的转换
1.3.2 计算机系统的不同用户
1.4 程序开发与执行过程
1.4.1 从源程序到可执行程序
1.4.2 可执行文件的启动和执行
1.4.3 程序与指令的关系
1.4.4 指令的执行过程
1.5 计算机系统性能评价
1.5.1 计算机性能的定义
1.5.2 计算机性能的测试
1.5.3 用指令执行速度进行性能评估
1.5.4 用基准程序进行性能评估
1.6 本章小结
习题

第2章 数据的机器级表示
2.1 数制和编码
……
第3章 运算方法和运算部件
第4章 指令系统
第5章 中央处理器
第6章 指令流水线
第7章 存储器分层体系结构
第8章 互连及输入输出组织
第9章 并行处理系统
参考文献

前言/序言

　　FOREWORD计算机组成(computer organization)是指计算机主要功能部件的组成结构、逻辑设计及功能部件间的相互连接关系。计算机系统结构(computer architecture)的经典定义是指程序设计者(主要指低级语言程序员或编译程序设计者)所看到的计算机系统的属性，即计算机的功能特性和概念性结构，也称指令集体系结构(Instruction Set Architecture，ISA)，包括数据类型及数据格式，指令格式，寻址方式和可访问空间大小，程序可访问的寄存器个数、位数和编号，控制寄存器的定义，I/O空间的编址方式，中断结构，机器工作状态的定义和切换，输入输出数据传送方式，存储保护方式等。
　　本书主要介绍计算机组成与系统结构涉及的相关内容。在计算机系统层次结构中，这些内容位于软件和硬件的结合处，不仅涉及计算机硬件设计和指令系统设计，还涉及操作系统、编译程序和程序设计等部分软件设计技术，是整个计算机系统中最核心的部分。
　　1. 本书的写作思路和内容组织
　　计算机组成与系统结构这两部分涉及的内容相互融合，密不可分。无论是国内还是国外，很多高校都逐渐把计算机组成原理和系统结构课程的内容有机结合起来；甚至国外一些经典教材还把与之密切相关的软件设计的内容也融合进来。这种方式可以加深读者对计算机软、硬件系统的整体化理解，并有效地增强对学生的计算机系统设计能力的培养。
　　本书在总结和借鉴国外著名高校使用的教材、教案、教学理念和教学方法的基础上，力图以“培养学生现代计算机系统设计能力”为目标，贯彻“从程序设计视角出发、强调软硬件关联与协同、以CPU设计为核心”的组织思路，试图改变国内同类教材通常的就硬件讲硬件、软硬件分离的传统内容组织方式，以系统化观点全面地介绍计算机组成和系统结构的相关知识和技术。
　　为了体现以上目标和思路，本书在以下几个方面进行了重点考虑和内容组织:
　　(1) 首先基于“高级语言程序→汇编语言程序→机器指令序列→控制信号”的路线展现程序从编程设计、转换翻译到最终在CPU上运行的整个过程；在此基础上，用计算机系统层次化的观点阐述计算机组成与系统结构课程在整个计算机系统中的位置、内容和作用，从而为清晰了解本课程的内容和作用、为全面建立计算机软件和硬件系统的整体概念打下基础。
　　(2) 将指令执行过程和异常、中断、存储访问、I/O访问等重要概念和技术结合起来进行介绍，力求清晰地说明CPU执行指令过程中硬件与操作系统相互切换和协同工作的处理过程，使读者深刻理解软硬件系统之间的关系与协同工作过程。
　　(3) 在讲述与程序设计有密切关系的体系结构内容(如数据表示、信息存放、操作数寻址、过程调用、程序访问局部性等)时，试图通过对硬件设计与程序设计的关系的说明，使读者建立 “从程序员视角理解计算机硬件系统设计，从硬件设计的视角理解程序设计与执行”的思想，力图在提高读者硬件设计能力的同时，也增强其进行高效的和系统化的程序设计的能力。
　　前言计算机组成与系统结构（第2版）(4) 在国内“计算机组成原理”教材传统内容基础上增加指令流水线设计的详细内容，依照“最简单的IAS计算机CPU→总线式CPU→单周期CPU→多周期CPU→基本流水线CPU→动态超标量超流水线CPU”的次序，循序渐进地介绍CPU设计技术及其发展过程，以MIPS处理器和Pentium 4处理器为蓝本，力图使读者全面深入地掌握现代计算机的CPU设计技术。
　　(5) 结合指令流水线技术介绍基于流水线的编译优化技术，使读者对编译技术与指令流水线实现技术之间的密切关系有一定的认识和理解。
　　2. 各章节主要内容
　　本书共有9章，各章主要内容如下:
　　第1章(计算机系统概述)主要介绍冯·诺依曼结构的特点、计算机硬件的基本组成、计算机软件设计和执行过程、计算机系统层次结构以及系统性能评价方法。
　　第2章(数据的机器级表示)主要介绍无符号数和带符号整数的表示、IEEE 754浮点数标准、西文字符和汉字的编码表示、大端/小端存放顺序及对齐方式以及常用检/纠错码表示与使用方法等。
　　第3章(运算方法和运算部件)主要介绍各类定点数和浮点数的运算方法和相应的运算部件，以及核心运算部件ALU的功能和设计实现等。
　　第4章(指令系统)主要介绍高级语言与低级语言的关系、指令格式、操作数类型、寻址方式、操作类型、硬件对过程的支持、用户程序在虚存空间的配置和划分等技术。
　　第5章(中央处理器)主要介绍CPU的基本功能和内部结构、指令执行过程、数据通路的基本组成和定时、单周期和多周期数据通路、硬连线路和微程序控制器、异常和中断等概念和技术。
　　第6章(指令流水线)主要介绍指令流水线的基本原理、流水段寄存器的概念、流水线数据通路的设计、流水线的控制信号、结构冒险及其处理、数据冒险及其处理、转发技术、控制冒险及其处理、分支预测原理、超标量和动态流水线的概念和技术。
　　第7章(存储器分层体系结构)主要介绍存储器分层结构的概念、半导体存储器的组织、多模块存储器、cache的基本原理、cache和主存间的映射关系及替换算法、虚拟存储器的基本概念、页表结构、缺页异常、TLB的实现技术。
　　第8章(互连及输入输出组织)主要介绍常用输入输出外设和磁盘存储器的工作原理、现代计算机内部互连结构、I/O接口的结构、I/O端口编址方式、程序查询I/O方式、中断I/O方式、DMA方式以及内核I/O软件概述等。
　　第9章(并行处理系统)主要介绍UMA(对称)多处理器、CC�睳UMA多处理器、片级多处理器和多线程技术、集群多计算机、网格多计算机、向量处理机和SIMD技术，还对并行处理编程模型进行了概述。
　　3. 第2版修订内容
　　近几年来，计算机组成与系统结构领域发生了一些变革，一些技术有了新的发展。为了反映技术的进步，拓宽本领域知识的覆盖面，并更加合理地构建知识框架，本书第2版在第1版的基础上进行了若干修订。
　　首先，对第1版的章节顺序进行了一些调整。因为数据的运算、指令系统、中央处理器以及指令流水线的关系比较密切，所以将第1版中原来的第4章存储器层次结构的内容调到了指令流水线的后面。
　　此外，在内容上对一些知识点进行了增、删、改，主要包括以下几个方面。
　　(1) 程序的开发和执行过程。第1章中增加了对hello程序执行过程的描述，并举例对程序和指令的关系进行了说明，同时还增加了一个冯·诺依曼结构模型机，利用该模型机对指令的执行过程进行了详细讲解。
　　(2) 运算方法和运算部件。对第3章进行了较大的调整。为了突出ALU中算术运算所生成的标志信息的作用，增加了对带标志加法器的描述；简化了对单级先行进位加法器、两级先行进位加法器、原码加减法、移码加减法、原码两位乘法、补码两位乘法、原码除法、十进制加减运算等的描述。
　　(3) 标志信息的生成与使用。第4章中增强了对标志信息处理问题的说明，增加了IA��32指令系统中的条件转移指令功能描述，结合第3章中ALU生成的标志信息，比较透彻地说明了标志信息的生成与使用问题。
　　(4) 指令系统举例。第4章中保留了目前最流行的PC处理器指令系统IA��32，增加了嵌入式处理器指令系统ARM，并将Intel处理器架构中的MMX、SSE等SIMD指令集移到了新增加的第9章中，作为并行处理技术的一部分来介绍。
　　(5) DRAM芯片技术。第7章中增加了对DDR2和DDR3 SDRAM芯片的描述。
　　(6) 存储器芯片的扩展及其与CPU的连接。对第7章中的这部分内容进行了大幅度修订，删去了陈旧的内容和举例，增加了目前系统中实际使用情况的描述。
　　(7) cache结构举例。第7章中增加了新的多核处理器芯片Core i7中cache结构的举例。
　　(8) 系统总线。系统内部的互连技术发展非常快，很多传统的概念已经过时，为此，对第1版中第8章(系统总线)的内容进行了大幅度修改，并将其合并到后面的输入输出组织一章中。总线裁决、总线定时、PCI总线标准和SCSI接口等内容被取消或弱化。增加了有关PCI�睧xpress、QPI等互连技术的介绍。
　　(9) 外部设备。第8章中删除或弱化了CRT显示器、磁带存储器和光盘存储器等内容。
　　(10) I/O接口。第8章中删除有关I/O接口的分类、并行接口和串行接口、I/O接口的举例的内容。
　　(11) I/O控制方式。第8章中删除了关于通道方式和I/O处理器方式的内容。增加了对I/O子系统的介绍，简要描述了从高级语言层到I/O设备层之间的一个转换过程。
　　(12) 并行处理系统。增加了一章专门介绍各类并行处理系统的硬件结构以及涉及的硬件互连、软件通信及并行编程等技术问题。
　　4. 关于本书使用的一些建议
　　本书可作为“计算机组成原理”课程的教材，也可作为“计算机组成原理实验”课程和“计算机系统结构”课程的教学参考书。特别是对于不专门开设“计算机系统结构”课程的院校，使用本书作为“计算机组成与系统结构”课程的教材是比较合适的。
　　对于本书的使用，具体建议如下:
　　(1) 课堂教学应以主干内容为主，力求完整地给出知识框架体系，并着重讲清楚相关概念之间的联系。
　　(2) 标注为*的内容是可以跳过而不影响阅读连贯性的部分，主要有以下三类: 简单易懂的基础性内容、具体实现方面的细节内容和在技术层面上更加深入的内容。这些内容对深入理解课程的整体核心内容是非常有帮助的。因此，在课时允许的情况下，可以选择其中的一部分进行课堂讲解；在课时不允许的情况下，也尽量安排学生进行课后阅读。
　　(3) 书中每个重要的知识点和概念后面都有一些例子，可选择部分重要的、难懂的例子在课堂上讲解，而大部分可留给学生自学。
　　(4) 习题中列出的概念术语基本涵盖了相应章节的主要概念，可以让学生对照检查是否全部清楚其含义；习题中列出的简答问题是相应章节重要的基本问题，可以通过对照检查以判断学生对相应章节内容的掌握程度；对于综合运用题，如果与程序设计相关，则可用编程方式来求解或验证，这样做，对学生深刻理解课程内容有帮助。
　　(5) 本书在CPU设计方面给出了比较具体的实现方案，相关内容可以作为基于FPGA和硬件描述语言进行CPU设计实验的参考资料。
　　(6) 书后给出了部分国际一流大学相关课程网站网址，可以到这些网站找到课堂讲义、习题参考答案以及更多的相关教辅资料。
　　5. 作者及致谢
　　参与本书编写工作的有袁春风、杨若瑜、王帅、唐杰、杨杰和樊士庆。全书由袁春风担任主编，负责全书内容的组织、统稿和编审。
　　在本书的编写过程中，得到了张福炎教授的悉心指导；黄宜华教授从书稿的篇章结构到内容各方面都提出了许多宝贵的意见，进行了修改，并对全书内容进行了全面细致的审核和校对；书中有关CPU设计的最初图稿和内容组织思路由陈贵海教授提供；此外，武港山教授、杨若瑜、俞建新、吴海军、张泽生、蔡晓燕等老师也对本书提出了许多宝贵的意见；杨晓亮、肖韬、翁基伟、刘长辉、宗恒、莫志刚、叶俊杰等研究生对相关章节的内容和习题分别进行了校对和试做，并提出了许多宝贵的意见和修改建议。在此对以上各位老师和研究生一并表示衷心的感谢。
　　本书是作者在南京大学从事“计算机组成与系统结构”课程教学20多年来所积累的讲稿内容的基础上编写而成的，感谢各位同仁和各届学生对讲稿内容所提出的宝贵的反馈和改进意见，使得本教材的内容得以不断地改进和完善。
　　6. 结束语
　　本书广泛参考了国内外相关的经典教材和教案，在内容上力求做到取材先进并反映技术发展现状；在内容的组织和描述上力求概念准确、语言通俗易懂、实例深入浅出，并尽量利用图示和实例来解释和说明问题。但是，由于计算机组成与系统结构相关的基础理论和技术在不断发展，新的思想、概念、技术和方法不断涌现，加之作者水平有限，在编写中难免存在不当或遗漏之处，恳请广大读者对本书的不足之处给予指正，以便在后续的版本中予以改进。
　　作者2015年6月于南京

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