前言
一臺(tái)完整計(jì)算機(jī)(系統(tǒng))包含硬件和軟件，硬件是功能實(shí)現(xiàn)的根基，軟件指示硬件的工作任務(wù)，用于擴(kuò)展硬件功能。近幾十年，由于計(jì)算機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，衍生出計(jì)算機(jī)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(zhuān)業(yè)，由此形成一個(gè)計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)群。可見(jiàn)，底層(硬件)的結(jié)構(gòu)原理與運(yùn)行機(jī)制及其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用能力建構(gòu)的知識(shí)，并已滲透到許多領(lǐng)域，也必將滲透到人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)的方方面面。所以“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課，在計(jì)算機(jī)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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”，“啟”后繼課程有“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”“微型計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)”“嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)”“單片機(jī)及其應(yīng)用開(kāi)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(diǎn)，編寫(xiě)知識(shí)體系適宜、層次結(jié)構(gòu)清晰、文字探究可讀性強(qiáng)、適用于自主研究性學(xué)習(xí)的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材是極其必要的。
1. 編寫(xiě)的基本思想
“計(jì)算機(jī)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(qiáng)，而且知識(shí)具有難、遠(yuǎn)、長(zhǎng)的特點(diǎn)。“難”是知識(shí)難以掌握，“遠(yuǎn)”是理論與實(shí)際相距甚遠(yuǎn)，“長(zhǎng)”是知識(shí)關(guān)系鏈長(zhǎng)。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(jì)算機(jī)組成原理”課程知識(shí)內(nèi)容的特點(diǎn)，借鑒吸收經(jīng)典“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材的優(yōu)點(diǎn)，在總結(jié)分析自己長(zhǎng)期從事“計(jì)算機(jī)組成原理”及硬件系列課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，本書(shū)編寫(xiě)的基本思想為： ①在內(nèi)容范圍上，選擇定位本義性“計(jì)算機(jī)組成原理”，圍繞經(jīng)典計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框架，討論組成部件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)； ②在內(nèi)容組織上，按先軟(設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ))后硬(部件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn))的原則，對(duì)經(jīng)典教材一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整； ③在內(nèi)容闡述上，以問(wèn)題場(chǎng)景或知識(shí)關(guān)聯(lián)為引導(dǎo)，不僅通俗具體地?cái)⑹鲋�識(shí)，而且深化詳細(xì)地析解知識(shí)，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(shí)現(xiàn)是認(rèn)知物理形態(tài)對(duì)象的基本途徑，整體是由部分分層組成實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)(硬件)的組成可分為整機(jī)、部件、器件和元件四個(gè)層次，通過(guò)元件→器件、器件→部件、部件→整機(jī)三級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，且分別對(duì)應(yīng)“數(shù)字邏輯電路”“計(jì)算機(jī)組成原理”和“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”三門(mén)課程，該三門(mén)課程是計(jì)算機(jī)硬件課程的核心體系，知識(shí)關(guān)系極為緊密。因此，雖然“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材眾多，但從內(nèi)容范圍來(lái)看，一般可分為本義性和擴(kuò)展性兩種類(lèi)型，擴(kuò)展性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材又分為帶先導(dǎo)的和帶后繼的兩種類(lèi)型。本義性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材是以經(jīng)典計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框架為基礎(chǔ)，按計(jì)算機(jī)三級(jí)實(shí)現(xiàn)設(shè)置硬件課程來(lái)規(guī)劃內(nèi)容范圍。帶先導(dǎo)的擴(kuò)展性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材是考慮不單獨(dú)設(shè)置先導(dǎo)課程“數(shù)字邏輯電路”，在本義性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材的基礎(chǔ)上，增加1或2章來(lái)闡述數(shù)字邏輯電路的基本知識(shí)。帶后繼的擴(kuò)展性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材是考慮不另外設(shè)置后繼課程“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”，且“計(jì)算機(jī)組成原理”與“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程在知識(shí)內(nèi)容上難以區(qū)分，在本義性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材的有關(guān)章中，增加1或2節(jié)來(lái)介紹“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程的相應(yīng)知識(shí)(該類(lèi)型目前出版最多)，如在“控制器及其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”一章中介紹流水線處理技術(shù)，“主存儲(chǔ)器及其組織實(shí)現(xiàn)”一章改為“存儲(chǔ)系統(tǒng)及其組織實(shí)現(xiàn)”，主存儲(chǔ)器僅作為存儲(chǔ)層次的一部分等。同種類(lèi)型“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材，其內(nèi)容范圍差異不大，但擴(kuò)展性“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教材體量較大，一般需要90～100課時(shí)來(lái)完成其所包含知識(shí)內(nèi)容的教學(xué)，如此還不如單獨(dú)設(shè)置兩門(mén)課程。目前，計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)通常單獨(dú)設(shè)置三門(mén)或前兩門(mén)課程來(lái)配置計(jì)算機(jī)硬件核心課程體系，極少把“數(shù)字邏輯電路”或“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程的知識(shí)內(nèi)容包含于“計(jì)算機(jī)組成原理”課程之中。因此，本書(shū)內(nèi)容范圍選擇定位于本義性“計(jì)算機(jī)組成原理”。
〖1〗計(jì)算機(jī)組成原理（第2版）前言[3]〖3〗本義性“計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、數(shù)據(jù)信息表示與檢驗(yàn)、指令系統(tǒng)、運(yùn)算方法與運(yùn)算器、主存儲(chǔ)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(shí)與篇幅差異較大，如指令系統(tǒng)和系統(tǒng)總線兩章同運(yùn)算方法與運(yùn)算器和中央處理器兩章相比，所包含知識(shí)與篇幅很少。對(duì)此，本書(shū)在組織結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了三方面的調(diào)整: 一是由于數(shù)據(jù)信息表示與檢驗(yàn)和指令系統(tǒng)兩章的知識(shí)內(nèi)容均是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及其功能部件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，便將它們合并為一章，稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)”；二是由于性能不高的計(jì)算機(jī)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(shí)內(nèi)容調(diào)整到系統(tǒng)總線一章，稱(chēng)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(chēng)為“輸入輸出系統(tǒng)及其操作控制”。所以，本書(shū)分為7章，且按內(nèi)容組織原則，順序?yàn)? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)、系統(tǒng)總線及其I/O接口、運(yùn)算器及其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、主存儲(chǔ)器及其組織實(shí)現(xiàn)、控制器及其設(shè)計(jì)實(shí)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(kāi)知識(shí)探究，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)的途徑之一。在知識(shí)敘述上，平鋪直敘知識(shí)內(nèi)容，沒(méi)有關(guān)聯(lián)通俗的比較，則文字的可閱讀性和趣味性不強(qiáng)；如敘述“微指令格式”時(shí)，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(shí)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(shí)可理解性、可探討性不高；如解釋“指令功能分類(lèi)”時(shí)，則應(yīng)從計(jì)算機(jī)的功能特性與工作原理出發(fā)，來(lái)解釋為什么需要配置這些類(lèi)型的指令。特別地，依據(jù)基于問(wèn)題學(xué)習(xí)(PBL)教學(xué)理論，每一節(jié)都配置一段問(wèn)題導(dǎo)學(xué)，通過(guò)關(guān)聯(lián)場(chǎng)景，提出本節(jié)需要討論的知識(shí)和解決的問(wèn)題，有利于基于問(wèn)題學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)和學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)。
2. 教材各章概述
本書(shū)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(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史，展望計(jì)算機(jī)發(fā)展的未來(lái)，介紹計(jì)算機(jī)的功能特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域，討論計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)原理與組成實(shí)現(xiàn)，分析軟硬件關(guān)系及其等效性、虛擬計(jì)算機(jī)等概念，闡述計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)與分類(lèi)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次性。第2章介紹數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)校驗(yàn)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(yàn)編碼的原理及其方法，闡述指令格式及其結(jié)構(gòu)類(lèi)型、指令功能分類(lèi)、尋址方式和堆棧及其尋址實(shí)現(xiàn)。
第二部分包括第3～7章。第3章介紹總線及其分類(lèi)、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(diǎn)，闡述系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)交換過(guò)程、通信定時(shí)方式、分配仲裁方法、單處理機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，討論I/O接口及其分類(lèi)和功能結(jié)構(gòu)。第4章在闡述基本二進(jìn)制加法器及其進(jìn)位邏輯的基礎(chǔ)上，分析原碼與補(bǔ)碼加、減、乘、除運(yùn)算的方法、規(guī)則及流程，討論原碼與補(bǔ)碼加、減、乘、除運(yùn)算的邏輯實(shí)現(xiàn)與速度提高的途徑，介紹算術(shù)邏輯運(yùn)算部件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和運(yùn)算器的組成結(jié)構(gòu)及其組織形式。第5章介紹存儲(chǔ)器的分類(lèi)、性能指標(biāo)、