第1章計算機繫統概述1
1.1計算機的發展歷程1
1.1.1通用電子計算機的誕生1
1.器件的更新與體繫結構的發展2
1.2計算機繫統的基本組成3
1.2.1計算機硬件的基本組成4
1.2.2計算機軟件7
1.3計算機繫統層次結構7
1.3.1計算機繫統抽像層的轉換8
1.3.2計算機繫統的不同用戶9
1.4程序開發與執行過程11
1.4.1從源程序到可執行程序11
1.4.2可執行文件的啟動和執行12
1.4.3程序與指令及控制信號的關繫13
1.4.4指令的執行過程14
1.5計算機繫統性能評價16
1.5.1計算機性能的定義16
1.5.2用指令執行速度進行性能評估18
1.5.3用基準程序進行性能評估18
1.5.4Amdahl定律19
1.6本章小結20
習題20
第2章數據的機器級表示23
2.1數制和編碼23
2.1.1信息的二進制編碼23
2.1.2進位記數制24
2.1.3定點和浮點表示27
2.1.4定點數的編碼27
2.2整數的表示32
2.2.1無符號整數的表示32
2.2.2帶符號整數的表示32
2.2.3C語言中的整數類型33
2.3實數的表示34
2.3.1浮點數的表示格式34
2.3.2浮點數的規格化36
2.3.3IEEE 754浮點數標準36
2.3.4C語言中的浮點數類型39
2.4非數值數據的編碼表示40
2.4.1邏輯值41
2.4.2西文字符41
2.4.3漢字字符42
2.5數據的寬度和存儲44
2.5.1數據的寬度和單位44
2.5.2數據的存儲和排列順序46
2.6本章小結48
習題49
目錄計算機組成與繫統結構（第3版）第3章運算方法和運算部件52
3.1高級語言和機器指令中的運算52
3.1.1C語言程序中涉及的運算52
3.1.2MIPS指令中涉及的運算54
3.2基本運算部件55
3.2.1全加器和加法器55
3.2.2並行進位加法器56
3.2.3帶標志加法器58
3.2.4算術邏輯部件59
3.3定點數運算59
3.3.1補碼加減運算60
3.3.2原碼加減運算61
3.3.3原碼乘法運算62
3.3.4補碼乘法運算65
3.3.5快速乘法器67
3.3.6原碼除法運算69
3.3.7補碼除法運算74
3.4整數乘除運算76
3.4.1乘除運算溢出判斷76
3.4.2常量的乘除運算78
3.5浮點數運算80
3.5.1浮點數加減運算80
3.5.2浮點運算的精度和舍入83
3.5.3浮點數乘/除運算85
3.6本章小結87
習題88
第4章指令繫統91
4.1指令格式設計91
4.1.1指令地址碼的個數91
4.1.2指令格式設計原則92
4.2指令繫統設計92
4.2.1基本設計問題92
4.2.2操作數類型93
4.2.3尋址方式94
4.2.4操作類型96
4.2.5操作碼編碼97
4.2.6標志信息的生成與使用98
4.2.7指令繫統設計風格99
4.2.8異常和中斷處理機制101
4.3程序的機器級表示102
4.3.1MIPS彙編語言和機器語言103
4.3.2選擇結構的機器代碼表示107
4.3.3循環結構的機器代碼表示108
4.3.4過程調用的機器代碼表示109
4.4指令繫統實例： RISCV架構115
4.4.1RISCV指令繫統概述115
4.4.2RISCV指令參考卡116
4.4.3基礎整數指令集119
4.5本章小結124
習題124
第5章中央處理器129
5.1CPU概述129
5.1.1CPU的基本功能129
5.1.2CPU的基本組成130
5.1.3數據通路與時序控制132
5.2單周期處理器設計133
5.2.1指令功能的描述134
5.2.2數據通路的設計135
5.2.3控制器的設計143
5.2.4時鐘周期的確定149
5.3多周期處理器設計150
5.3.1多周期處理器設計思想150
5.3.2多周期數據通路設計151
5.3.3硬連線控制器設計154
5.3.4微程序控制器設計156
5.4帶異常處理的處理器設計158
5.4.1CPU對異常和中斷的處理158
5.4.2帶異常處理的數據通路設計160
5.4.3帶異常處理的有限狀態機161
5.5本章小結162
習題162
第6章指令流水線165
6.1流水線概述165
6.1.1流水線的執行效率165
6.1.2適合流水線的指令集特征166
6.2流水線處理器的實現167
6.2.1每條指令的流水段分析167
6.2.2流水線數據通路的設計168
6.2.3流水線控制器的設計173
6.3流水線冒險及其處理174
6.3.1結構冒險174
6.3.2數據冒險176
6.3.3控制冒險182
6.4高級流水線技術191
6.4.1靜態多發射處理器191
6.4.2動態多發射處理器195
6.4.3Pentium 4處理器的流水線結構199
6.5本章小結202
習題203
第7章存儲器層次結構206
7.1存儲器概述206
7.1.1存儲器的分類206
7.1.2主存儲器的組成和基本操作207
7.1.3存儲器的層次化結構208
7.2半導體隨機存取存儲器209
7.2.1基件209
7.2.2SRAM芯片和DRAM芯片210
7.2.3SDRAM芯片技術213
7.2.4內存條和內存條插槽214
7.2.5存儲器芯片的擴展215
7.2.6多模塊存儲器217
7.3外部輔助存儲器218
7.3.1磁盤存儲器的結構219
7.3.2磁盤存儲器的性能指標220
7.3.3磁盤存儲器的連接222
7.3.4冗餘磁盤陣列222
7.3.5Flash存儲器和U盤223
7.3.6固態硬盤225
7.4存儲器的數據校驗225
7.4.1數據校驗基本原理225
7.4.2奇偶校驗碼226
7.4.3海明校驗碼227
7.4.4循環冗餘校驗碼231
7.5高速緩衝存儲器233
7.5.1程序訪問的局部性233
7.5.2cache的基本工作原理235
7.5.3cache行和主存塊之間的映射方式237
7.5.4cache中主存塊的替換算法244
7.5.5cache的一致性問題247
7.5.6cache缺失對總體性能的影響248
7.5.7cache設計應考慮的問題249
7.5.8cache結構舉例251
7.6虛擬存儲器252
7.6.1虛擬存儲器的基本概念252
7.6.2進程的虛擬地址空間253
7.6.3虛擬存儲器的實現255
7.6.4存儲保護263
7.7本章小結267
習題267
第8章繫統互連及輸入輸出組織273
8.1外部設備的分類與特點273
8.1.1外設的分類273
8.1.2外設的特點274
8.2常用輸入輸出設備274
8.2.1鍵盤274
8.2.2打印機275
8.2.3顯示器277
8.3外設與CPU和主存的互連278
8.3.1總線的基本概念278
8.3.2基於總線的互連結構280
8.3.3I/O接口的功能283
8.3.4I/O接口的通用結構285
8.3.5I/O端口及其編址286
8.4I/O數據傳送控制方式288
8.4.1程序直接控制I/O方式288
8.4.2中斷控制I/O方式291
8.4.3DMA方式301
8.5內核空間I/O軟件304
8.5.1I/O子繫統概述304
8.5.2與設備無關的I/O軟件306
8.5.3設備驅動程序308
8.5.4中斷服務程序309
8.6本章小結309
習題310
第9章並行處理繫統313
9.1並行處理繫統概述313
9.1.1並行處理的主要技術問題313
9.1.2並行處理繫統的分類315
9.2多處理器繫統317
9.2.1UMA多處理器結構318
9.2.2NUMA多處理器結構320
9.2.3多處理器繫統中的互連網絡322
9.2.4多核處理器和硬件多線程技術323
9.2.5共享存儲器的同步控制325
9.3多計算機繫統329
9.3.1集群多計算機繫統330
9.3.2網格多計算機繫統333
9.4向量處理機和SIMD技術333
9.4.1向量計算機334
9.4.2Intel架構中的SIMD技術335
9.4.3GPU架構338
9.5並行處理編程模式簡介340
9.6本章小結343
參考文獻345

計算機組成（computer organization）是指計算機主要功能部件的組成結構、邏輯設計及功能部件之間的相互連接關繫。計算機繫統結構 （computer architecture）的經典定義是指程序設計者（主要指低級語言程序員或繫統軟件設計者）所看到的計算機繫統的屬性，即計算機的功能特性和概念性結構，也稱指令集體繫結構（instruction set architecture，ISA）。指令集體繫結構規定的內容主要包括： 指令操作類型、指令處理的數據類型、指令格式、尋址方式和可訪問空間大小、通用寄存器個數和位數、控制和狀態寄存器的定義、I/O空間的編址方式、異常和中斷機制、機器工作狀態的定義和切換、輸入輸出數據傳送方式、存儲保護方式等。
本書主要介紹計算機組成與繫統結構涉及的相關內容。在計算機繫統層次結構中，這些內容位於軟件和硬件的結合處，不僅涉及計算機硬件設計和指令繫統設計，還涉及操作繫統、編譯程序和程序設計等部分軟件技術，是整個計算機繫統中核心的部分。
1. 本書的寫作思路和內容組織
計算機組成與繫統結構這兩部分涉及的內容相互融合，密不可分。無論是國內還是國外，很多高校都逐漸把計算機組成原理和繫統結構課程的內容有機結合起來；甚至國外一些經典教材還把與前兩者密切相關的軟件設計內容也融合在一起。這種方式可以加深讀者對計算機軟硬件繫統的整體化理解，並有效地增強對學生的計算機繫統設計能力的培養。
本書在總結和借鋻國外著名高校使用的教材、教案、教學理念和教學方法的基礎上，力圖以“培養學生現代計算機繫統設計能力”為目標，貫徹“從程序設計視角出發，強調軟硬件關聯與協同，以CPU設計為核心”的組織思路，試圖改變同類傳統教材就硬件講硬件、軟硬件分離的內容組織方式，以繫統化觀點全面地介紹計算機組成與繫統結構相關知識和技術。
為了體現以上思路和目標，本書在以下幾方面進行重點考慮和內容組織。
（1） 首先基於“高級語言程序→彙編語言程序→機器指令序列→控制信號”的路線展現程序從編程設計、翻譯轉換，到終在CPU上運行的整個過程。在此基礎上，用計算機繫統層次化的觀點闡述“計算機組成原理”和“計算機組成與繫統結構”課程在整個計算機繫統中的位置、內容和作用，從而為清晰了解本課程的內容和作用、為全面建立計算機軟硬件繫統的整體概念打下基礎。
（2） 將指令執行過程和異常、中斷、存儲訪問、I/O訪問等重要概念和技術結合起來進行介紹，力求清晰說明CPU執行指令過程中硬件與操作繫統相互切換和協同工作的處理過程，使讀者深刻理解軟硬件繫統之間的關繫與協同工作過程。
（3） 講述與程序設計有密切關繫的體繫結構內容（如數據表示、信息存放、操作數尋址、過程調用、程序訪問局部性等）時，試圖通過對硬件設計與程序設計之間關繫的說明，使讀者建立 “從程序員視角理解計算機硬件繫統設計，從硬件設計的視角理解程序設計與執行”的思想，力圖在提高讀者硬件設計能力的同時，也增強其進行高效的和繫統化的程序設計的能力。
前言計算機組成與繫統結構（第3版）（4） 在“計算機組成原理”教材傳統內容的基礎上增加指令流水線設計相關的詳細內容，依照“簡單的IAS計算機CPU→總線式CPU→單周期CPU→多周期CPU→基本流水線CPU→動態超標量超流水線CPU”的次序，循序漸進地介紹CPU設計技術及其發展過程，以MIPS處理器和Pentium 4處理器為藍本，力圖使讀者全面深入地掌握現代計算機的CPU設計技術。
（5） 結合指令流水線技術介紹基於流水線的編譯優化技術，使讀者對編譯技術與指令流水線實現技術之間的密切關繫有一定的認識和理解。
（6） 在詳細介紹單處理器計算機組成與繫統結構原理的基礎上，對並行處理繫統進行簡要介紹，為讀者進一步學習高級體繫結構打下必要的基礎。
考慮到很多讀者需要參考國外同類教材，為了使讀者在閱讀國外教材時不用對其中的門電路符號進行切換，以方便讀者快速理解電路圖，本書中的門電路符號未使用國標，而是采用了美標。
2. 各章節主要內容
本書共有9章，各章主要內容如下。
第1章（計算機繫統概述）主要介紹馮?瘙簚諾依曼結構的特點、計算機硬件的基本組成、計算機繫統層次結構、程序開發與執行過程以及繫統性能評價方法。
第2章（數據的機器級表示）主要介紹無符號數和有符號整數的表示、IEEE 754浮點數標準、西文字符和漢字的編碼表示、數據的寬度和存儲方式。
第3章（運算方法和運算部件）主要介紹核心運算部件ALU的功能和設計、各類定點數和浮點數的運算方法和相應的運算部件。
第4章（指令繫統）主要介紹高級語言與低級語言的關繫、指令格式、操作數類型、尋址方式、操作類型、異常和中斷處理機制，並以MIPS架構為例介紹C語言程序的機器級表示。
第5章（中央處理器）主要介紹CPU的基本功能和內部結構、指令執行過程、數據通路的基本組成和定時、單周期和多周期數據通路、控制器的設計、帶異常處理的處理器設計。
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、流水線數據通路的設計、流水線的控制信號、結構冒險及其處理、數據冒險及其處理、轉發技術、控制冒險及其處理、分支預測原理、超標量和動態流水線的概念和技術。
第7章（存儲器層次結構）主要介紹存儲器層次結構的概念、半導體存儲器的組織、多模塊存儲器、磁盤和固態硬盤、存儲器的數據校驗、cache的基本原理和相應的實現技術、虛擬存儲器的基本概念、進程的虛擬地址空間、虛擬存儲器的實現和存儲保護。
第8章（繫統互連及輸入輸出組織）主要介紹常用輸入輸出設備的基本原理、外設與主機的互連、I/O接口的功能和結構、I/O端口編址方式、程序查詢I/O方式、中斷I/O方式、DMA方式以及內核I/O軟件的基本概述等。
第9章（並行處理繫統）主要介紹UMA多處理器、CCNUMA多處理器、多核處理器和硬件多線程技術、共享存儲器的同步控制、集群、網格、CPU、向量處理機和SIMD等相關基本概念，以及並行處理編程模型簡介。
3. 第3版修訂內容
近幾年來，計算機組成與繫統結構領域發生了一些變革，一些技術有了新的發展。為了反映技術的進步，淘汰陳舊過時的內容，拓寬本領域知識的覆蓋面，並更加合理地構建知識框架，特別是在進一步體現軟硬件融合的教學理念方面，第3版進行了相應修訂，主要包括以下幾方面。
在第1章關於計算機繫統性能評價一節中，簡化了對計算機性能測試方面的介紹，同時增加了對Amdahl定律的介紹，並提供了相關例題。
對第2章進行了一些調整。因為目前通用計算機的用戶程序幾乎不會使用像BCD碼等十進制數來表示數據，所以新版中刪除了“十進制數的表示”一節。此外，由於各類存儲器設計時都必須考慮數據校驗碼的問題，因而將“數據校驗碼”從第2章移到了介紹存儲器層次結構的第7章。
第3章增加了對整數乘除運算溢出判斷處理內容的介紹，從高級語言程序、編譯器、指令繫統和底層乘除運算電路等多個層面相互關聯展開討論，通過對溢出判斷相關例子的分析，能讓讀者深刻理解計算機繫統各層次之間的關聯關繫。此外，第3章刪除了傳統教材中的4位定點運算器這種中規模集成電路芯片的內容。
在第4章關於指令繫統設計一節中，增加了異常/中斷處理機制的介紹，改變了傳統教材中將異常和中斷相關內容放在輸入輸出部分重點介紹的做法，強調了異常/中斷相關內容在指令繫統設計中的重要性。在第4章的指令繫統實例部分，將原來對IA32和ARM兩種架構的簡要介紹，改為對新型指令集架構RISCV的比較全面的介紹。
對於第5章，因為第2版教材對多周期處理器設計，特別是微程序控制器設計方面的內容講解過於細化和具體，而引入多周期處理器的主要目的隻是為了便於介紹帶異常處理的處理器設計，因此，第3版中簡化了不太重要的多周期處理器和微程序控制器方面的內容。
第7章的內容調整比較多。首先，將第2版中第7.2節～第7.5節合並為一節，並壓縮調整了其中的一部分內容，使得內容更加簡潔緊湊，邏輯性更強。其次，將第2版的8.3節“外部存儲設備”作為存儲器層次結構中的一層移到介紹存儲器層次結構的第7章中，從邏輯上來說更加合理。再次，將第2章的“數據校驗碼”移到第7章，並增加了針對固態硬盤進行海明校驗的基本方法介紹。後，在“虛擬存儲器”這一節，刪除了第2版中關於進程上下文切換、分區和分頁存儲管理等內容的介紹，增加了存儲管理總體結構介紹，將可執行文件、進程虛擬地址空間、鏈接器、程序的生成和加載、頁表、地址轉換等許多計算機繫統核心概念貫穿起來，以引導並加深讀者對計算機繫統層次結構的理解。此外，還增加了對RISCV虛擬存儲管理機制的介紹。
在第9章的“多處理器繫統”一節，增加了“共享存儲器的同步控制”相關內容，介紹了RISCV架構中針對事務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，通過實例介紹了如何利用這些指令實現共享存儲器的同步控制。
4. 關於本書使用的一些建議
本書可作為“計算機組成原理”課程的教材，也可作為“計算機組成原理實驗”和“計算機繫統結構”等課程的教學參考書。特別是對於不專門開設“計算機繫統結構”課程的院校，使用本書作為“計算機組成與繫統結構”課程的教材是比較合適的。
對於本書的使用，具體建議如下。
（1） 課堂教學應以主干內容為主，力求完整給出知識框架體繫，並著重講清楚相關概念之間的聯繫。
 （2） 標注為的內容是可以跳過而不影響閱讀連貫性的部分，主要有3類： 簡單易懂的基礎性內容，具體實現方面比較細節的內容，在技術層面上更加深入的內容。這些內容對深入理解課程的整體核心內容是非常有幫助的。因此，在課時允許的情況下，可以選擇其中的一部分進行課堂講解；在課時不允許的情況下，也可安排學生進行課後閱讀。
（3） 書中每個重要的知識點和概念後面都有一些例子（答案分析過程以#結束），可選擇部分重要的、難懂的例子在課堂上講解，而大部分可留給學生自學。
（4） 習題中列出的概念術語基本涵蓋了相應章節的主要概念，可以讓學生對照檢查是否全部清楚其含義；習題中列出的簡答問題是相應章節重要的基本問題，可以通過對照檢查以判斷學生對相應章節內容的掌握程度；對於綜合運用題，如果與程序設計相關，則可用編程方式來求解或驗證，這樣做，對學生深刻理解課程內容有幫助。
（5） 本書在CPU設計方面提供了比較具體的實現方案，相關內容可以作為基於FPGA和硬件描述語言進行CPU設計實驗的參考資料。
5. 致謝
在本書的編寫過程中，得到了張福炎教授的悉心指導；黃宜華教授從書稿的篇章結構到內容各方面都提出了許多寶貴的意見，進行了修改，並對全書內容進行了全面細致的審核和校對；書中有關CPU設計的初圖稿和內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、蔡曉燕等老師也對本書提出了許多寶貴的意見；楊曉亮、肖韜、翁基偉、劉長輝、宗恆、莫志剛、葉俊傑等研究生對相關章節的內容和習題分別進行了校對和試做，並提出了許多寶貴的意見和修改建議。在此對以上各位老師和研究生一並表示衷心的感謝。
本書是基於作者在南京大學從事“計算機組成原理”和“計算機組成與繫統結構”課程教學20多年來所積累的講稿內容編寫而成的，感謝各位同仁和各屆學生對講稿內容所提出的寶貴意見，使得本教材的內容得以不斷地改進和完善。
6. 結束語
本書廣泛參考了國內外相關的經典教材和教案，在內容上力求做到取材先進，並反映技術發展現狀；在內容的組織和描述上力求概念準確、語言通俗易懂、實例深入淺出，並盡量利用圖示和實例來解釋和說明問題。由於計算機組成與繫統結構相關的基礎理論和技術在不斷發展，新的思想、概念、技術和方法不斷湧現，加之作者水平有限，書中難免存在不當或遺漏之處，懇請廣大讀者對本書的不足之處給予指正，以便在後續的版本中予以改進。

作者2021年10月於南京