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系。計算機系統(tǒng)結構 （computer architecture）的經(jīng)典定義是指程序設計者（主要指低級語言程序員或系統(tǒng)軟件設計者）所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即計算機的功能特性和概念性結構，也稱指令集體系結構（instruction set architecture，ISA）。指令集體系結構規(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、尋址方式和可訪問空間大小、通用寄存器個數(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、異常和中斷機制、機器工作狀態(tài)的定義和切換、輸入輸出數(shù)據(jù)傳送方式、存儲保護方式等。
本書主要介紹計算機組成與系統(tǒng)結構涉及的相關內(nèi)容。在計算機系統(tǒng)層次結構中，這些內(nèi)容位于軟件和硬件的結合處，不僅涉及計算機硬件設計和指令系統(tǒng)設計，還涉及操作系統(tǒng)、編譯程序和程序設計等部分軟件技術，是整個計算機系統(tǒng)中核心的部分。
1. 本書的寫作思路和內(nèi)容組織
計算機組成與系統(tǒng)結構這兩部分涉及的內(nèi)容相互融合，密不可分。無論是國內(nèi)還是國外，很多高校都逐漸把計算機組成原理和系統(tǒng)結構課程的內(nèi)容有機結合起來；甚至國外一些經(jīng)典教材還把與前兩者密切相關的軟件設計內(nèi)容也融合在一起。這種方式可以加深讀者對計算機軟硬件系統(tǒng)的整體化理解，并有效地增強對學生的計算機系統(tǒng)設計能力的培養(yǎng)。
本書在總結和借鑒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(yǎng)學生現(xiàn)代計算機系統(tǒng)設計能力為目標，貫徹從程序設計視角出發(fā)，強調(diào)軟硬件關聯(lián)與協(xié)同，以CPU設計為核心的組織思路，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)化觀點全面地介紹計算機組成與系統(tǒng)結構相關知識和技術。
為了體現(xiàn)以上思路和目標，本書在以下幾方面進行重點考慮和內(nèi)容組織。
（1） 首先基于高級語言程序匯編語言程序機器指令序列控制信號的路線展現(xiàn)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，用計算機系統(tǒng)層次化的觀點闡述計算機組成原理和計算機組成與系統(tǒng)結構課程在整個計算機系統(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、為全面建立計算機軟硬件系統(tǒng)的整體概念打下基礎。
（2） 將指令執(zhí)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(zhí)行指令過程中硬件與操作系統(tǒng)相互切換和協(xié)同工作的處理過程，使讀者深刻理解軟硬件系統(tǒng)之間的關系與協(xié)同工作過程。
（3） 講述與程序設計有密切關系的體系結構內(nèi)容（如數(shù)據(jù)表示、信息存放、操作數(shù)尋址、過程調(diào)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系的說明，使讀者建立 從程序員視角理解計算機硬件系統(tǒng)設計，從硬件設計的視角理解程序設計與執(zhí)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系統(tǒng)化的程序設計的能力。
前言計算機組成與系統(tǒng)結構（第3版）（4） 在計算機組成原理教材傳統(tǒng)內(nèi)容的基礎上增加指令流水線設計相關的詳細內(nèi)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(tài)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(fā)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(xiàn)代計算機的CPU設計技術。
（5） 結合指令流水線技術介紹基于流水線的編譯優(yōu)化技術，使讀者對編譯技術與指令流水線實現(xiàn)技術之間的密切關系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系統(tǒng)結構原理的基礎上，對并行處理系統(tǒng)進行簡要介紹，為讀者進一步學習高級體系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(jié)主要內(nèi)容
本書共有9章，各章主要內(nèi)容如下。
第1章（計算機系統(tǒng)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、計算機系統(tǒng)層次結構、程序開發(fā)與執(zhí)行過程以及系統(tǒng)性能評價方法。
第2章（數(shù)據(jù)的機器級表示）主要介紹無符號數(shù)和有符號整數(shù)的表示、IEEE 754浮點數(shù)標準、西文字符和漢字的編碼表示、數(shù)據(jù)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(shù)和浮點數(shù)的運算方法和相應的運算部件。
第4章（指令系統(tǒng)）主要介紹高級語言與低級語言的關系、指令格式、操作數(shù)類型、尋址方式、操作類型、異常和中斷處理機制，并以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(nèi)部結構、指令執(zhí)行過程、數(shù)據(jù)通路的基本組成和定時、單周期和多周期數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通路的設計、流水線的控制信號、結構冒險及其處理、數(shù)據(jù)冒險及其處理、轉發(fā)技術、控制冒險及其處理、分支預測原理、超標量和動態(tài)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(tài)硬盤、存儲器的數(shù)據(jù)校驗、cache的基本原理和相應的實現(xiàn)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(xiàn)和存儲保護。
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(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、共享存儲器的同步控制、集群、網(wǎng)格、CPU、向量處理機和SIMD等相關基本概念，以及并行處理編程模型簡介。
3. 第3版修訂內(nèi)容
近幾年來，計算機組成與系統(tǒng)結構領域發(fā)生了一些變革，一些技術有了新的發(fā)展。為了反映技術的進步，淘汰陳舊過時的內(nèi)容，拓寬本領域知識的覆蓋面，并更加合理地構建知識框架，特別是在進一步體現(xiàn)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章關于計算機系統(tǒng)性能評價一節(jié)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，并提供了相關例題。
對第2章進行了一些調(diào)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(shù)來表示數(shù)據(jù)，所以新版中刪除了十進制數(shù)的表示一節(jié)。此外，由于各類存儲器設計時都必須考慮數(shù)據(jù)校驗碼的問題，因而將數(shù)據(jù)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(shù)乘除運算溢出判斷處理內(nèi)容的介紹，從高級語言程序、編譯器、指令系統(tǒng)和底層乘除運算電路等多個層面相互關聯(lián)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系統(tǒng)各層次之間的關聯(lián)關系。此外，第3章刪除了傳統(tǒng)教材中的4位定點運算器這種中規(guī)模集成電路芯片的內(nèi)容。
在第4章關于指令系統(tǒng)設計一節(jié)中，增加了異常/中斷處理機制的介紹，改變了傳統(tǒng)教材中將異常和中斷相關內(nèi)容放在輸入輸出部分重點介紹的做法，強調(diào)了異常/中斷相關內(nèi)容在指令系統(tǒng)設計中的重要性。在第4章的指令系統(tǒng)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�睼的比較全面的介紹。
對于第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(nèi)容講解過于細化和具體，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(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)容更加簡潔緊湊，邏輯性更強。其次，將第2版的8.3節(jié)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(shù)據(jù)校驗碼移到第7章，并增加了針對固態(tài)硬盤進行海明校驗的基本方法介紹。后，在虛擬存儲器這一節(jié)，刪除了第2版中關于進程上下文切換、分區(qū)和分頁存儲管理等內(nèi)容的介紹，增加了存儲管理總體結構介紹，將可執(zhí)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系統(tǒng)核心概念貫穿起來，以引導并加深讀者對計算機系統(tǒng)層次結構的理解。此外，還增加了對RISC�睼虛擬存儲管理機制的介紹。
在第9章的多處理器系統(tǒng)一節(jié)，增加了共享存儲器的同步控制相關內(nèi)容，介紹了RISC�睼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(xiàn)共享存儲器的同步控制。
4. 關于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系統(tǒng)結構等課程的教學參考書。特別是對于不專門開設計算機系統(tǒng)結構課程的院校，使用本書作為計算機組成與系統(tǒng)結構課程的教材是比較合適的。
對于本書的使用，具體建議如下。
（1） 課堂教學應以主干內(nèi)容為主，力求完整給出知識框架體系，并著重講清楚相關概念之間的聯(lián)系。
（2） 標注為�车膬�(nèi)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(nèi)容，具體實現(xiàn)方面比較細節(jié)的內(nèi)容，在技術層面上更加深入的內(nèi)容。這些內(nèi)容對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后閱讀。
（3） 書中每個重要的知識點和概念后面都有一些例子（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(jié)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(jié)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(jié)內(nèi)容的掌握程度；對于綜合運用題，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(nèi)容有幫助。
（5） 本書在CPU設計方面提供了比較具體的實現(xiàn)方案，相關內(nèi)容可以作為基于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(nèi)容各方面都提出了許多寶貴的意見，進行了修改，并對全書內(nèi)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(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、蔡曉燕等老師也對本書提出了許多寶貴的意見；楊曉亮、肖韜、翁基偉、劉長輝、宗恒、莫志剛、葉俊杰等研究生對相關章節(jié)的內(nèi)容和習題分別進行了校對和試做，并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并表示衷心的感謝。
本書是基于作者在南京大學從事計算機組成原理和計算機組成與系統(tǒng)結構課程教學20多年來所積累的講稿內(nèi)容編寫而成的，感謝各位同仁和各屆學生對講稿內(nèi)容所提出的寶貴意見，使得本教材的內(nèi)容得以不斷地改進和完善。
6. 結束語
本書廣泛參考了國內(nèi)外相關的經(jīng)典教材和教案，在內(nèi)容上力求做到取材先進，并反映技術發(fā)展現(xiàn)狀；在內(nèi)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，并盡量利用圖示和實例來解釋和說明問題。由于計算機組成與系統(tǒng)結構相關的基礎理論和技術在不斷發(fā)展，新的思想、概念、技術和方法不斷涌現(xiàn)，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，以便在后續(xù)的版本中予以改進。

作者2021年10月于南京