前言
一臺完整計算機(系統(tǒng))包含硬件和軟件，硬件是功能實現(xiàn)的根基，軟件指示硬件的工作任務(wù)，用于擴展硬件功能。近幾十年，由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，以單臺計算機為基礎(chǔ)，衍生出計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)工程、數(shù)字媒體技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)、空間信息與數(shù)字技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)等專業(yè)，由此形成一個計算機類專業(yè)群�？梢姡�底層(硬件)的結(jié)構(gòu)原理與運行機制及其設(shè)計實現(xiàn)技術(shù)是計算機設(shè)計實現(xiàn)及其應(yīng)用能力建構(gòu)的知識，并已滲透到許多領(lǐng)域，也必將滲透到人類社會活動的方方面面。所以“計算機組成原理”是計算機類各專業(yè)的一門專業(yè)核心課，在計算機硬件課程體系中具有承上啟下的作用，“承”先導(dǎo)課程有“數(shù)字邏輯電路”和“匯編語言程序設(shè)計”，“啟”后繼課程有“計算機體系結(jié)構(gòu)”“微型計算機及其接口技術(shù)”“嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用開發(fā)”“單片機及其應(yīng)用開發(fā)”等。依據(jù)地方本科高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求及其學(xué)生的特點，編寫知識體系適宜、層次結(jié)構(gòu)清晰、文字探究可讀性強、適用于自主研究性學(xué)習(xí)的“計算機組成原理”課程教材是極其必要的。
1. 編寫的基本思想
“計算機組成原理”課程的教學(xué)內(nèi)容不僅繁多復(fù)雜、差異性大、理論性強，而且知識具有難、遠、長的特點�！半y”是知識難以掌握，“遠”是理論與實際相距甚遠，“長”是知識關(guān)系鏈長。根據(jù)地方本科高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求和“計算機組成原理”課程知識內(nèi)容的特點，借鑒吸收經(jīng)典“計算機組成原理”課程教材的優(yōu)點，在總結(jié)分析自己長期從事“計算機組成原理”及硬件系列課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，本書編寫的基本思想為： ①在內(nèi)容范圍上，選擇定位本義性“計算機組成原理”，圍繞經(jīng)典計算機硬件結(jié)構(gòu)框架，討論組成部件的設(shè)計實現(xiàn)； ②在內(nèi)容組織上，按先軟(設(shè)計實現(xiàn)基礎(chǔ))后硬(部件設(shè)計實現(xiàn))的原則，對經(jīng)典教材一般結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)調(diào)整； ③在內(nèi)容闡述上，以問題場景或知識關(guān)聯(lián)為引導(dǎo)，不僅通俗具體地敘述知識，而且深化詳細地析解知識，使得文字探究可讀，適用于學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)。
組成實現(xiàn)是認(rèn)知物理形態(tài)對象的基本途徑，整體是由部分分層組成實現(xiàn)的。計算機(硬件)的組成可分為整機、部件、器件和元件四個層次，通過元件→器件、器件→部件、部件→整機三級來實現(xiàn)，且分別對應(yīng)“數(shù)字邏輯電路”“計算機組成原理”和“計算機體系結(jié)構(gòu)”三門課程，該三門課程是計算機硬件課程的核心體系，知識關(guān)系極為緊密。因此，雖然“計算機組成原理”課程教材眾多，但從內(nèi)容范圍來看，一般可分為本義性和擴展性兩種類型，擴展性“計算機組成原理”課程教材又分為帶先導(dǎo)的和帶后繼的兩種類型。本義性“計算機組成原理”課程教材是以經(jīng)典計算機結(jié)構(gòu)框架為基礎(chǔ)，按計算機三級實現(xiàn)設(shè)置硬件課程來規(guī)劃內(nèi)容范圍。帶先導(dǎo)的擴展性“計算機組成原理”課程教材是考慮不單獨設(shè)置先導(dǎo)課程“數(shù)字邏輯電路”，在本義性“計算機組成原理”課程教材的基礎(chǔ)上，增加1或2章來闡述數(shù)字邏輯電路的基本知識。帶后繼的擴展性“計算機組成原理”課程教材是考慮不另外設(shè)置后繼課程“計算機體系結(jié)構(gòu)”，且“計算機組成原理”與“計算機體系結(jié)構(gòu)”課程在知識內(nèi)容上難以區(qū)分，在本義性“計算機組成原理”課程教材的有關(guān)章中，增加1或2節(jié)來介紹“計算機體系結(jié)構(gòu)”課程的相應(yīng)知識(該類型目前出版最多)，如在“控制器及其設(shè)計實現(xiàn)”一章中介紹流水線處理技術(shù)，“主存儲器及其組織實現(xiàn)”一章改為“存儲系統(tǒng)及其組織實現(xiàn)”，主存儲器僅作為存儲層次的一部分等。同種類型“計算機組成原理”課程教材，其內(nèi)容范圍差異不大，但擴展性“計算機組成原理”課程教材體量較大，一般需要90～100課時來完成其所包含知識內(nèi)容的教學(xué)，如此還不如單獨設(shè)置兩門課程。目前，計算機類專業(yè)通常單獨設(shè)置三門或前兩門課程來配置計算機硬件核心課程體系，極少把“數(shù)字邏輯電路”或“計算機體系結(jié)構(gòu)”課程的知識內(nèi)容包含于“計算機組成原理”課程之中。因此，本書內(nèi)容范圍選擇定位于本義性“計算機組成原理”。
〖1〗計算機組成原理（第2版）前言[3]〖3〗本義性“計算機組成原理”課程教材內(nèi)容范圍的組織結(jié)構(gòu)大同小異，一般分為計算機系統(tǒng)概論、數(shù)據(jù)信息表示與檢驗、指令系統(tǒng)、運算方法與運算器、主存儲器及其組織、中央處理器、系統(tǒng)總線、輸入輸出系統(tǒng)(含接口)、輸入輸出設(shè)備9章。這樣的組織結(jié)構(gòu)使得各章之間所包含知識與篇幅差異較大，如指令系統(tǒng)和系統(tǒng)總線兩章同運算方法與運算器和中央處理器兩章相比，所包含知識與篇幅很少。對此，本書在組織結(jié)構(gòu)上進行了三方面的調(diào)整: 一是由于數(shù)據(jù)信息表示與檢驗和指令系統(tǒng)兩章的知識內(nèi)容均是計算機結(jié)構(gòu)及其功能部件設(shè)計實現(xiàn)的基礎(chǔ)，便將它們合并為一章，稱為“計算機組成設(shè)計實現(xiàn)基礎(chǔ)”；二是由于性能不高的計算機均采用總線結(jié)構(gòu)，則接口必須面向某一系統(tǒng)總線，即如系統(tǒng)總線一樣是標(biāo)準(zhǔn)化的，便將I/O接口的知識內(nèi)容調(diào)整到系統(tǒng)總線一章，稱為“系統(tǒng)總線及其I/O接口”；三是輸入輸出設(shè)備是輸入輸出系統(tǒng)的組成部分，便將輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備合并為一章，稱為“輸入輸出系統(tǒng)及其操作控制”。所以，本書分為7章，且按內(nèi)容組織原則，順序為: 計算機系統(tǒng)概論、計算機組成設(shè)計實現(xiàn)基礎(chǔ)、系統(tǒng)總線及其I/O接口、運算器及其設(shè)計實現(xiàn)、主存儲器及其組織實現(xiàn)、控制器及其設(shè)計實現(xiàn)、輸入輸出系統(tǒng)及其操作控制。
地方本科高校的學(xué)生普遍存在“重軟輕硬”現(xiàn)象，由教材提供一定的文字閱讀量、深化具體展開知識探究，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)的途徑之一。在知識敘述上，平鋪直敘知識內(nèi)容，沒有關(guān)聯(lián)通俗的比較，則文字的可閱讀性和趣味性不強；如敘述“微指令格式”時，則同“指令格式”相比較，為什么前者需要配置“順序控制域”，而后者卻不需要。在知識析解上，“就事論事”地闡述“怎樣做”，不深入解釋“為什么這樣做”，則知識可理解性、可探討性不高；如解釋“指令功能分類”時，則應(yīng)從計算機的功能特性與工作原理出發(fā)，來解釋為什么需要配置這些類型的指令。特別地，依據(jù)基于問題學(xué)習(xí)(PBL)教學(xué)理論，每一節(jié)都配置一段問題導(dǎo)學(xué)，通過關(guān)聯(lián)場景，提出本節(jié)需要討論的知識和解決的問題，有利于基于問題學(xué)習(xí)的實現(xiàn)和學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)。
2. 教材各章概述
本書共7章，可分為兩部分。優(yōu)質(zhì)部分包括第1、2章。第1章回顧計算機發(fā)展的歷史，展望計算機發(fā)展的未來，介紹計算機的功能特點與應(yīng)用領(lǐng)域，討論計算機的結(jié)構(gòu)原理與組成實現(xiàn)，分析軟硬件關(guān)系及其等效性、虛擬計算機等概念，闡述計算機的性能指標(biāo)與分類和計算機系統(tǒng)的層次性。第2章介紹數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)校驗和指令系統(tǒng)及其相關(guān)概念，討論非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼和數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法及其功效特征，分析數(shù)據(jù)校驗編碼的原理及其方法，闡述指令格式及其結(jié)構(gòu)類型、指令功能分類、尋址方式和堆棧及其尋址實現(xiàn)。
第二部分包括第3～7章。第3章介紹總線及其分類、特性、事務(wù)等基本概念和常用系統(tǒng)總線與I/O接口標(biāo)準(zhǔn)的性能特點，闡述系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)交換過程、通信定時方式、分配仲裁方法、單處理機的總線結(jié)構(gòu)，討論I/O接口及其分類和功能結(jié)構(gòu)。第4章在闡述基本二進制加法器及其進位邏輯的基礎(chǔ)上，分析原碼與補碼加、減、乘、除運算的方法、規(guī)則及流程，討論原碼與補碼加、減、乘、除運算的邏輯實現(xiàn)與速度提高的途徑，介紹算術(shù)邏輯運算部件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和運算器的組成結(jié)構(gòu)及其組織形式。第5章介紹存儲器的分類、性能指標(biāo)、