前言
教材在教学中具有非常重要的作用。一本优秀的教材，应该承载课程的知识体系、教学内容、教学思想和教学设计，应该是课程教学的基本参考，是学生学习知识、理论和思想方法的主要依据。在教育数字化的大背景下，教材更是教学内容组织、教学资源建设、教学模式设计与考核环节设计的依据和主线。
教师讲好一门课，尤其是基础课，必须要有好教材；学生学习也需要好教材。
好教材要让教师觉得好教。好教可不是“水”，不是少讲点、讲浅一点。一门课的教材要使教师的教学能够达到这门课在专业人才培养计划中的任务，内容应该达到要求的深度和广度，应具有一定的挑战性。教材的知识体系结构科学，讲述逻辑清晰合理，案例丰富恰当，语言精练、深入浅出，配套资源符合教学要求，就可以给教师的教学提供很好的助力，教师就会觉得这本书好教。
好教材要让学生觉得好学，学生需要什么样的教材呢？在各个学校普遍采用混合式教学模式的大环境下，学生参与各个教学活动时，需要自己脑子里有一条主线，知道每个教学活动对建立整门课知识体系的作用；知道学习的相关内容在知识体系中的位置，这些都要通过教材来实现。学生复习时还需要以教材为主线，贯穿自己在各个教学活动中学到的内容，认真阅读教材，达到对知识的融会贯通。能实现学生的这些需求，学生就会觉得这本书好学。
教材要好教、好学，做到内容详尽、博大精深，语言深入浅出、容易阅读，才能满足师生的需要。
为了加强课程建设、教材建设，培育一批高质量的教材，提高教学质量，全国高等学校计算机教育研究会（以下简称“研究会”）于2021年6月与清华大学出版社联合启动了“十四五”规划教材建设项目。这套丛书就是“十四五”规划教材建设项目的成果，丛书的特点如下。
（1） 准确把握社会主义核心价值观，融入课程思政元素，教育学生爱党、爱国。
（2） 由课程的主讲老师负责组织编写。
（3） 体现学校办学定位和专业特色，注重知识传授与能力培养相统一。
（4） 注重教材内容的前沿性与时代性，体现教学方法的先进性，承载了可供同类课程借鉴共享的经验、成果和模式。
这套教材从选题立项到编写过程，都是由研究会组织专家组层层把关。研究会委托清研教材工作室（研究会与清华大学出版社联合教材工作室）对“十四五”规划教材进行管理，立项时严格遴选，编写过程中通过交流研讨、专家咨询等形式进行过程管理与质量控制，出版前再次召开专家审查会严格审查。
计算机专业人才的培养不仅仅关系计算机领域的科技发展，而且关系所有领域的科技发展，因为计算机技术已经与各个学科深度融合，计算机技术是所有领域都必不可少的技术。本套教材承载着研究会对计算机教育的责任与使命，承载着作者们在计算机教育领域的经验、智慧、教学思想、教学设计。希望这套教材能够成为高等学校师生们计算机课程教学的有力支撑，成为自学计算机课程的读者们的良师益友。
丛书主编: 郑莉2023年2月〖3〗计算机组成原理前言〖3〗〖3〗计算机组成原理前言〖3〗
“计算机组成原理”课程是计算机科学与技术及相关专业的一门核心专业基础课，不仅适合计算机科学与技术、物联网工程、通信及电子信息等相关专业的人员学习，也适合非计算机相关专业学生的自主学习。它在计算机先导课和后续课之间起着承上启下的作用。通过学习，学生应在熟悉计算机各功能部件的基本组成及工作原理的基础上掌握计算机的工作过程及各部分之间的联系，明确数据流和控制流在机内的流动过程，从而建立起整机概念，为今后硬件、软件课程的学习打下基础。
本书系统地介绍了计算机系统的组成和工作原理，共有8章。
第1章为计算机概论，概要地介绍了计算机系统的基本组成部分，即内部存储器、中央处理器和输入/输出系统。
第2章为理论基础部分，通过我国古代的进制表示引出各种不同进位记数制及其之间的相互联系，然后逐步展开构成计算机部件组成的逻辑代数基础、门电路、组合逻辑电路分析与设计、触发器的工作原理与特征函数，进而完成了时序电路的分析与设计。将二进制与数字逻辑基础知识进行了有机融合，并阐释了计算机系统主要逻辑电路的实现。重点分析了汉字区位码的构成，国标码、汉字内码、外码以及字模的表示和实现方法，利用中国智慧实现了Unicode国际编码。
第3章详细阐述了计算机中二进制机器码的加减乘除的运算方法理论以及部件的逻辑实现，利用逻辑功能实现了算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit，ALU），并将74LS181的理论知识和实验部分相结合。
第4章详细介绍了计算机系统各部件之间的连接通路——总线，分别对总线的分类、控制方式、目前流行的总线类型（如TypeC、Apple Lightening、Thunderbolt）从应用场合、通信速度、控制方式等方面进行了详细的内容组织。
第5章重点介绍了存储器体系结构的工作原理。内容从存储器设计开始，首先包含内部存储器半导体存储器的工作原理、工作特点，到半导体存储器的扩展以及与CPU的连接。其次增加了其他书本忽略的相联存储器的工作原理，为Cache的讲解提供前导理论，进一步完善Cache的相关理论和重点相关技术: 映射函数、替换策略、写策略等。将原来分布在外部设备的外部存储器的内容和本章内容合并，形成完整的计算机存储体系结构内容。第6章涵盖计算机指令系统的相关通用内容，对目前国内重点使用的CISC架构和ARM架构的指令进行了详细的比较，对新型指令集RISCV进行了讲解，突出了国产CPU的指令内容。
第7章包含中央处理器的原理和计算机指令的完整实现过程。利用Register Transfer Language(RTL)实现指令执行的语言描述。基于RTL描述，给出了组合逻辑控制器和微程序控制器的实现思路和逻辑过程，增加了国产化CPU的功能特点介绍。
第8章的内容包括计算机构成的输入/输出模块的内容，分别对外部设备的分类、工作特点和计算机的连接方式等进行了总结，突出了程序查询、中断、DMA等工作方式以及在常用计算机中的重点工作方式和作用。
本书的实验智慧化、移动特征突出、资源立体化，解决了实验环节难以开展的问题。通过阅读本书，学生可以系统地掌握计算机工作的原理及各个组成部分的结构，能够分析计算机各部件的不同组织形式对系统性能的影响，能从计算机原理的角度对目前使用的计算机进行分析，从而为后续计算机的国产化发展奠定良好的理论基础。
基于教材服务于课程的原则，本书计划形成以下特色。
（1） 本书提供了良好的硬件实验环境构建方案，拥有丰富的学习资源，学生能全方位理解和掌握整个计算机系统从底层到高层的工作原理，认识和理解计算机系统如何执行程序、信息存储等基本的工作原理。
（2） 在教材建设的同时，同步改进实验教学内容，以问题为导向，注重国产化内容在实验中的体现，引导学生采用自底向上和自顶向下相结合的方法来设计和建构模型机，培养学生树立从理论到实践完成计算机系统的信心，从而训练学生工程设计和自主创新的能力。
（3） 通过将虚拟实验引入实验教学环节以及课程教学环节，可以对传统实验箱实验内容进行扩展，增加传统实验箱教学方式无法展现的实验过程和实验效果，使学生从抽象到具体、从理性到感性、从概念到产品，从而对计算机组成与结构有更加全面系统的理解，培养学生具备我国能设计、生产高性能计算机的信心。
（4） 理论教学与实验教学相结合，在课程教学过程中，以理论课程为中心，实验课程为支持。将理论课程的知识点与实验课程的实验设计相结合，通过理论课程建立知识点的逻辑框架，通过实验课程的实验教学建立对知识点的直接印象，以运算器、存储器等关键章节的知识点为枢纽建立本课程的学习逻辑的拓扑结构。能熟悉计算机中不同数据的表示方法、数据的存储原理、执行过程等，掌握计算机单处理机系统的组成原理和工作原理，理解多核心计算机的工作原理和调度策略。明白计算机硬件系统各组成部分的逻辑实现及互联网整机的技术，不仅有效提高理论和实验教学的效率，而且牢固树立自主创新计算机系统的整机理念。
致谢
本书由王海瑞和李亚统稿。此外参加本书编写工作的还有潘晟旻和朱贵富两位老师。在本书编写过程中，舒国峰、欧阳鑫、丁黎明、余俊夫、桑志强、欧莹元、张继燕老师给予了大量的帮助。在此，对他们一并致以诚挚的谢意。
感谢各位老师对本书书稿的认真审阅，感谢他们对本书提出的修改建议以及悉心指导。感谢罗杰对本书书稿的辛勤付出。感谢昆明理工大学信息工程与自动化学院对本书编写的大力支持与帮助。本书融合了作者在多年教学过程中积累的教学素材，参考了许多相关资料和书籍，在此对这些参考资料的作者表示感谢。最后，向使用本书作为教材的老师和同学们以及广大的读者表示感谢，是你们的阅读，让这本书有了生命，有了存在的意义。
结束语
本书广泛参考了国内外相关的经典教材和教案，在内容上力求做到取材先进，并反映技术发展现状；在内容的组织和描述上力求概念准确、语言通俗易懂、实例深入浅出，并尽量利用图示和实例来解释和说明问题。由于计算机组成与系统结构相关的基础理论和技术在不断发展，新的思想、概念、技术和方法不断涌现，对于新领域、新发展尚在研究之中。加之编者水平有限，书中难免存在不当或疏漏之处。因此，我们诚挚邀请广大读者积极提供宝贵建议，帮助我们改进和完善。也希望读者能够将所学知识应用于实际工作中，为推动计算机技术的发展做出贡献。
作者2025年5月
