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，用于擴展硬件功能。近幾十年，由于計算機技術的迅猛發(fā)展及其應用領域的不斷延伸，以單臺計算機為基礎，衍生出計算機科學與技術、軟件工程、網(wǎng)絡工程、信息安全、物聯(lián)網(wǎng)工程、數(shù)字媒體技術、智能科學與技術、空間信息與數(shù)字技術、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術等專業(yè)，由此形成一個計算機類專業(yè)群�？梢�，底層(硬件)的結構原理與運行機制及其設計實現(xiàn)技術是計算機設計實現(xiàn)及其應用能力建構的知識，并已滲透到許多領域，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”先導課程有“數(shù)字邏輯電路”和“匯編語言程序設計”，“啟”后繼課程有“計算機體系結構”“微型計算機及其接口技術”“嵌入式系統(tǒng)及其應用開發(fā)”“單片機及其應用開發(fā)”等。依據(jù)地方本科高校應用型人才培養(yǎng)的目標要求及其學生的特點，編寫知識體系適宜、層次結構清晰、文字探究可讀性強、適用于自主研究性學習的“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”課程的教學內(nèi)容不僅繁多復雜、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”是知識關系鏈長。根據(jù)地方本科高校應用型人才培養(yǎng)的目標要求和“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，在總結分析自己長期從事“計算機組成原理”及硬件系列課程教學的基礎上，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)典計算機硬件結構框架，討論組成部件的設計實現(xiàn)； ②在內(nèi)容組織上，按先軟(設計實現(xiàn)基礎)后硬(部件設計實現(xiàn))的原則，對經(jīng)典教材一般結構進行適當調(diào)整； ③在內(nèi)容闡述上，以問題場景或知識關聯(lián)為引導，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，適用于學生自主研究性學習。
組成實現(xiàn)是認知物理形態(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“數(shù)字邏輯電路”“計算機組成原理”和“計算機體系結構”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)典計算機結構框架為基礎，按計算機三級實現(xiàn)設置硬件課程來規(guī)劃內(nèi)容范圍。帶先導的擴展性“計算機組成原理”課程教材是考慮不單獨設置先導課程“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置后繼課程“計算機體系結構”，且“計算機組成原理”與“計算機體系結構”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”課程教材的有關章中，增加1或2節(jié)來介紹“計算機體系結構”課程的相應知識(該類型目前出版最多)，如在“控制器及其設計實現(xiàn)”一章中介紹流水線處理技術，“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，如此還不如單獨設置兩門課程。目前，計算機類專業(yè)通常單獨設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“計算機體系結構”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)容范圍的組織結構大同小異，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)、輸入輸出設備9章。這樣的組織結構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，本書在組織結構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)容均是計算機結構及其功能部件設計實現(xiàn)的基礎，便將它們合并為一章，稱為“計算機組成設計實現(xiàn)基礎”；二是由于性能不高的計算機均采用總線結構，則接口必須面向某一系統(tǒng)總線，即如系統(tǒng)總線一樣是標準化的，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、計算機組成設計實現(xiàn)基礎、系統(tǒng)總線及其I/O接口、運算器及其設計實現(xiàn)、主存儲器及其組織實現(xiàn)、控制器及其設計實現(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，是提高學生學習興趣、促進學生自主研究性學習的途徑之一。在知識敘述上，平鋪直敘知識內(nèi)容，沒有關聯(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)基于問題學習(PBL)教學理論，每一節(jié)都配置一段問題導學，通過關聯(lián)場景，提出本節(jié)需要討論的知識和解決的問題，有利于基于問題學習的實現(xiàn)和學生自主研究性學習。
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用領域，討論計算機的結構原理與組成實現(xiàn)，分析軟硬件關系及其等效性、虛擬計算機等概念，闡述計算機的性能指標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構類型、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、事務等基本概念和常用系統(tǒng)總線與I/O接口標準的性能特點，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、單處理機的總線結構，討論I/O接口及其分類和功能結構。第4章在闡述基本二進制加法器及其進位邏輯的基礎上，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，介紹算術邏輯運算部件邏輯結構設計方法和運算器的組成結構及其組織形式。第5章介紹存儲器的分類、性能指標、