推　薦　序
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）也稱為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科下重要的二級(jí)學(xué)科。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是研究怎么造計(jì)算機(jī)而不是怎么用計(jì)算機(jī)的學(xué)科。我國學(xué)者在如何用計(jì)算機(jī)的某些領(lǐng)域的研究已走到世界前列，例如近很紅火的機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，中國學(xué)者發(fā)表的論文數(shù)和引用數(shù)都已超過美國，位居世界。但在如何造計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域，參與研究的科研人員較少，科研水平與國際上還有較大差距。2016年國家自然科學(xué)基金會(huì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的面上項(xiàng)目共有4863項(xiàng)申請(qǐng)，但申報(bào)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（F0203）方向的項(xiàng)目只有22項(xiàng)，占總申報(bào)項(xiàng)目的0.45%，而申報(bào)計(jì)算機(jī)圖像與視頻處理方向的項(xiàng)目有439項(xiàng)�！�
做計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方向研究的科研人員較少與大學(xué)及研究生的課程教育直接相關(guān)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是工程性很強(qiáng)的學(xué)科，而我國的大學(xué)老師大多沒有機(jī)會(huì)實(shí)際參與設(shè)計(jì)CPU和操作系統(tǒng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件工作過程不能融會(huì)貫通，教學(xué)時(shí)只能照本宣科，學(xué)生只學(xué)到一些似懂非懂的名詞概念，難以培養(yǎng)造計(jì)算機(jī)的興趣。目前全國許多高校使用從國外翻譯的體系結(jié)構(gòu)教材，John L.Hennessy和David A.Patterson合著的《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法》已經(jīng)不斷改版至第5版，被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的經(jīng)典教材，但此書有近千頁之厚，本科生未必都能接受。國內(nèi)也出版了不少體系結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）方面的教材，但多數(shù)兼顧了研究生和參考書的需求。因此，迫切需要一本為本科生量身定制的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)精品教材。
擺在讀者面前的這本《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》就是為滿足本科教育而編著的精品教材。過去出版的體系結(jié)構(gòu)教材大多是眼睛向上編寫的，作者既考慮了做本科教材的需求，又考慮了參考書的需求，為了體現(xiàn)參考書的技術(shù)前瞻性，往往會(huì)包含一些未經(jīng)受考驗(yàn)的新技術(shù)。而本書是作者在2011年已經(jīng)出版的碩士生教材《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》的基礎(chǔ)上，眼睛向下編著的本科生教材，多年的研究生授課經(jīng)歷使作者十分明確本科生應(yīng)學(xué)習(xí)哪些體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)。凡寫進(jìn)這本教科書的內(nèi)容都是本科生應(yīng)該掌握的知識(shí)，不會(huì)為追求時(shí)髦而增加額外的內(nèi)容。
與過去出版的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教科書相比，本書有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
個(gè)特點(diǎn)是特別重視知識(shí)的基礎(chǔ)性。計(jì)算機(jī)發(fā)明至今已經(jīng)70余年，曾經(jīng)用來造計(jì)算機(jī)的技術(shù)多如牛毛，計(jì)算機(jī)期刊與會(huì)議上發(fā)表的文章數(shù)以萬計(jì)，但是許多技術(shù)如過往煙云，已經(jīng)被丟進(jìn)歷史的垃圾堆。我在美國讀博士時(shí)，一位很有權(quán)威的教授講了一個(gè)學(xué)期計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課，基本上都是講并行計(jì)算機(jī)的互連（Interconnection）結(jié)構(gòu)，如蝶形（Butterfly）互連、超立方體（Hypercube）互連、胖樹（Fat Tree）互連等，現(xiàn)在這些內(nèi)容已不是計(jì)算機(jī)界普遍關(guān)心的問題。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國際會(huì)議（ISCA）幾乎成了專門討論緩存（Cache）技術(shù)的會(huì)議，但沒有幾篇文章提出真正可用的緩存技術(shù)，以至于計(jì)算機(jī)界的權(quán)威John L.Hennessy教授1997年說出這樣的話：把1990年以來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面所有的論文都燒掉，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有任何損失。本書作者在自序中寫道：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，但幾十年發(fā)展沉淀下來的原理性的東西不多，希望從體系結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的很多現(xiàn)象中找出一些內(nèi)在的、本質(zhì)的東西。在《實(shí)踐論》中歸納總結(jié)了十六個(gè)字：去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及里。本書作者遵循這十六個(gè)字的精神，對(duì)幾十年的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)做了認(rèn)真的鑒別、選擇和對(duì)比、分析，寫進(jìn)教科書的內(nèi)容是經(jīng)得起歷史考驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)。
第二個(gè)特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)一以貫之的系統(tǒng)性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵詞是系統(tǒng)而不是結(jié)構(gòu)，國外做計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的學(xué)者介紹自己時(shí)往往是說：我是做系統(tǒng)（System）研究的。計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生應(yīng)具有系統(tǒng)層面的理解能力，能站在系統(tǒng)的高度解決應(yīng)用問題。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是否有全面深入的了解是區(qū)別計(jì)算機(jī)專業(yè)人才和非專業(yè)人才的重要標(biāo)志。長期以來我們采用解剖學(xué)的思路進(jìn)行計(jì)算機(jī)教學(xué)，按照硬件、軟件、應(yīng)用等分類橫切成幾門相對(duì)獨(dú)立的課程，使得計(jì)算機(jī)系畢業(yè)的學(xué)生對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)缺乏完整的理解。如果問已經(jīng)學(xué)完全部計(jì)算機(jī)課程的學(xué)生，在鍵盤上敲一個(gè)空格鍵到屏幕上的PPT翻一頁，在這一瞬間計(jì)算機(jī)中哪些硬件和軟件在運(yùn)轉(zhuǎn)，如何運(yùn)轉(zhuǎn)，可能絕大多數(shù)學(xué)生都講不清楚。本書有若干章節(jié)專門講述計(jì)算機(jī)的軟硬件協(xié)同、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程等，著力培養(yǎng)學(xué)生的全局思維能力。為了使學(xué)生一開始就對(duì)計(jì)算機(jī)有全局的框架性認(rèn)識(shí)，此教材的第1章對(duì)全書內(nèi)容做了盡可能通俗易懂的描述，這是追求系統(tǒng)性教學(xué)的刻意安排。本書作者強(qiáng)調(diào)：一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就像一個(gè)帶兵打仗的將領(lǐng)，要學(xué)會(huì)排兵布陣。要上知天文、下知地理，否則就不會(huì)排兵布陣，或者只會(huì)紙上談兵地排兵布陣，只能貽誤軍國大事。這里講的天文是指應(yīng)用程序、編譯程序和操作系統(tǒng)，地理是指邏輯、電路和工藝。只有上下貫通，才能真正掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。
第三個(gè)特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)能在硅上實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐性。由于CMOS電路集成度的指數(shù)性提高，一塊CPU芯片已可以集成幾十億晶體管。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的許多知識(shí)現(xiàn)在都體現(xiàn)在CPU中，因此從某種意義上講，不懂CPU設(shè)計(jì)就不能真正明白計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的奧妙。CPU的結(jié)構(gòu)通常稱為微體系結(jié)構(gòu)，主要在碩士課程中講授，但本科生的體系結(jié)構(gòu)課程也應(yīng)學(xué)習(xí)在硅上能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。陸游詩云：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。只會(huì)P2P的學(xué)習(xí)（從Paper到Paper的學(xué)習(xí)）往往學(xué)不到真本事，只有后能躬行到硅上的知識(shí)才是過硬的知識(shí)。本書作者有十幾年從事CPU設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，能正確區(qū)分哪些是紙上談兵的知識(shí)，哪些是能落實(shí)到硅上的知識(shí)，這是他們獨(dú)特的優(yōu)勢。在中國科學(xué)院大學(xué)的本科教學(xué)中，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程還輔以高強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)課，實(shí)踐證明這對(duì)學(xué)生真正理解課堂學(xué)到的知識(shí)大有好處。
本書內(nèi)容選材還需要經(jīng)過課堂教學(xué)的長期檢驗(yàn)，需要不斷聽取學(xué)生的反饋意見和同行的批評(píng)建議，希望經(jīng)過幾年的完善修改，本書能真正成為受到眾多大學(xué)普遍歡迎的精品教材。

FOREWORD
第3版自序
在中國科學(xué)院大學(xué)講授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)課程五年以來，發(fā)現(xiàn)了《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》教材不少值得改進(jìn)的地方。除了修訂第2版的一些錯(cuò)誤，這次第3版的主要改進(jìn)內(nèi)容包括以下三個(gè)方面。
一是加強(qiáng)計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同方面的內(nèi)容。如第4章中對(duì)應(yīng)用程序二進(jìn)制接口（Application Binary Interface，簡稱ABI）的描述更加清楚，增加了操作系統(tǒng)中關(guān)于用戶程序地址空間分布的內(nèi)容，并介紹了函數(shù)調(diào)用、例外處理、系統(tǒng)調(diào)用、線程切換、進(jìn)程切換和虛擬機(jī)切換等六種場景的現(xiàn)場保留和恢復(fù)過程，希望讀者可以通過上述過程更深入地了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的配合。又如第7章在介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)過程時(shí)把串口作為一只麻雀進(jìn)行解剖，希望讀者可以借此了解CPU對(duì)IO設(shè)備的訪問與對(duì)內(nèi)存的訪問的不同。這樣的地方還有不少。
二是對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整以使之更完整和適用。如第3章的特權(quán)指令系統(tǒng)部分，從例外、中斷、存儲(chǔ)管理等方面更詳細(xì)地分析了操作系統(tǒng)內(nèi)核專用的特權(quán)指令系統(tǒng)的內(nèi)容。第12章的性能分析部分，在詳細(xì)介紹Perf性能分析工具的基礎(chǔ)上去掉了對(duì)Oprofile性能分析工具的介紹，適當(dāng)縮減了性能測試與分析的具體案例內(nèi)容，突出基準(zhǔn)程序性能測試、Perf微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和微測試程序（Microbench）等不同角度的方法與工具在性能分析工作中的應(yīng)用。
三是在指令系統(tǒng)舉例時(shí)使用LoongArch指令系統(tǒng)而不是MIPS指令系統(tǒng)。LoongArch是由龍芯團(tuán)隊(duì)在2020年推出的新型RISC指令系統(tǒng)。該指令系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中部分不適應(yīng)當(dāng)前軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢的陳舊內(nèi)容，吸納了近年來指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域諸多先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展成果，有助于硬件實(shí)現(xiàn)高性能低功耗的設(shè)計(jì)，也有利于軟件的編譯優(yōu)化以及操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)的開發(fā)。
一門課程的成熟往往需要十年時(shí)間。上述根據(jù)五年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的修改肯定還不夠，需要在未來的教學(xué)工作中繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

胡偉武
2021年6月29日

FOREWORD
第2版自序
計(jì)算機(jī)專業(yè)有幾門當(dāng)家的核心課程是關(guān)于如何造計(jì)算機(jī)的，硬件方面以計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)為主，軟件方面以操作系統(tǒng)和編譯原理為主。其他如離散數(shù)學(xué)、編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)字邏輯等計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課也很重要，除了計(jì)算機(jī)專業(yè)，其他使用計(jì)算機(jī)的專業(yè)如自動(dòng)化專業(yè)、電子專業(yè)也在學(xué)。
我從2001年就開始從事龍芯處理器的研發(fā)，并從2005年起在中國科學(xué)院大學(xué)教授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程，其間接觸了很多從各高校計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生，發(fā)現(xiàn)他們?cè)诖髮W(xué)時(shí)主要練就了諸如編程等怎么用計(jì)算機(jī)的本領(lǐng)，對(duì)操作系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)這種如何造計(jì)算機(jī)的課程，或者沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)，或者只學(xué)到一些概念。比如對(duì)于從打開電源到計(jì)算機(jī)啟動(dòng)再到登錄界面或者從按一下空格鍵到翻一頁P(yáng)PT這樣的過程，如果問及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部包括CPU、南北橋、GPU在內(nèi)的硬件以及包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在內(nèi)的軟件是如何協(xié)同工作的，計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生幾乎沒有人說得明白。
我1986年到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系學(xué)習(xí)的時(shí)候，教授我計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的老師都是親自造過計(jì)算機(jī)的，他們能夠講明白計(jì)算機(jī)軟硬件工作的原理性過程。改革開放以來，我國主要使用國外的CPU和操作系統(tǒng)攢計(jì)算機(jī)，學(xué)術(shù)界也幾乎不從事CPU和操作系統(tǒng)這種核心技術(shù)的研究工作，全國兩千多個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)主要使用國外教材或者翻譯的國外教材教授學(xué)生如何造計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)都是工程性很強(qiáng)的學(xué)科，而任課老師卻沒有機(jī)會(huì)參與設(shè)計(jì)CPU和操作系統(tǒng)，因此教學(xué)生的時(shí)候難免照本宣科，使學(xué)生只學(xué)到一些概念，難以對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件工作過程融會(huì)貫通。
發(fā)展以CPU和操作系統(tǒng)為代表的自主基礎(chǔ)軟硬件，是國家的戰(zhàn)略需求，而人才培養(yǎng)是滿足該戰(zhàn)略需求的必要條件。因此，自2005年開始，我便結(jié)合龍芯CPU的實(shí)踐在中國科學(xué)院研究生院開設(shè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程，并于2011年依托清華大學(xué)出版社出版了《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》教材。2014年，中國科學(xué)院大學(xué)設(shè)立并開始招收本科生，要求我也給本科生講授計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程。剛開始覺得難度很大，因?yàn)橛?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，給研究生講清楚都不容易，給本科生講清楚就更難。
經(jīng)過反復(fù)思考，我覺得可以利用這個(gè)機(jī)會(huì)，建設(shè)包括本科生、碩士生、博士生在內(nèi)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程體系，由淺入深地培養(yǎng)造計(jì)算機(jī)的人才。為此，我們計(jì)劃編寫一套分別面向本科生、碩士生、博士生的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教材。
面向本科生的教材為《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》。主要內(nèi)容包括：作為軟硬件界面的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含CPU、GPU、南北橋協(xié)同的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，CPU的微結(jié)構(gòu)，并行處理結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)性能分析等。上述面面俱到的課程安排主要是考慮到體系結(jié)構(gòu)學(xué)科的完整性，但重點(diǎn)是軟硬件界面及計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)則是碩士課程的主要內(nèi)容。
面向碩士生的教材為《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》。主要介紹CPU的微結(jié)構(gòu)，包括指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、二進(jìn)制和邏輯電路、靜態(tài)流水線、動(dòng)態(tài)流水線、多發(fā)射流水線、運(yùn)算部件、轉(zhuǎn)移猜測、高速緩存、TLB、多核對(duì)流水線的影響等內(nèi)容。
面向博士生的教材為《高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》。中科院計(jì)算所的高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程是博士生精品課程的一部分，主要強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性，使學(xué)生通過設(shè)計(jì)真實(shí)的（而不是簡化的）CPU，運(yùn)行真實(shí)的（而不是簡化的）操作系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)軟件做到融會(huì)貫通。
在此基礎(chǔ)上，還將推出計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)教材。
這套教材的編寫突出以下特點(diǎn)：一是系統(tǒng)性，體系是系統(tǒng)的系統(tǒng)，很難脫離軟硬件環(huán)境純粹就體系結(jié)構(gòu)本身講解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，需要對(duì)體系結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)軟件、電路和器件融會(huì)貫通；二是基礎(chǔ)性，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，但幾十年發(fā)展沉淀下來的原理性的東西不多，希望從體系結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的很多現(xiàn)象中找出一些內(nèi)在的、本質(zhì)的東西；三是實(shí)踐性，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，要設(shè)計(jì)在硅上運(yùn)行而不是在紙上運(yùn)行的體系結(jié)構(gòu)。

胡偉武

PREFACE
前　　言
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是一門比較抽象的學(xué)科，很有可能經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)只學(xué)到一些概念。本課程教學(xué)希望達(dá)到三個(gè)目的。一是建立學(xué)生的系統(tǒng)觀。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中各部分之間的關(guān)系非常復(fù)雜。如蘋果iPhone的CPU性能不如Intel的X86 CPU，但用戶體驗(yàn)明顯好于桌面計(jì)算機(jī)，這就是系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果。希望學(xué)生學(xué)完這門課程后能夠從系統(tǒng)的角度看待計(jì)算機(jī)，不再簡單地以主頻論性能，或者簡單地把用戶體驗(yàn)歸結(jié)于CPU的單項(xiàng)性能。二是掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的若干概念。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的概念很多，雖然抽象，但是必須掌握。比如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的四大設(shè)計(jì)原則，指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，處理器流水線，等等。三是掌握一些重點(diǎn)知識(shí)并具備一些重點(diǎn)能力。主要包括：計(jì)算機(jī)的ABI接口，存儲(chǔ)管理中的虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換過程，通過IO地址空間掃描進(jìn)行IO設(shè)備初始化，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，重要總線如AXI總線、內(nèi)存總線、PCIE總線的信號(hào)及其時(shí)序，用Verilog編寫RTL代碼的能力，先行進(jìn)位加法器的邏輯，兩位一乘補(bǔ)碼乘法器邏輯，用Perf進(jìn)行性能分析的能力，等等。
本書部分為引言，介紹體系結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容、主要性能指標(biāo)、發(fā)展趨勢以及設(shè)計(jì)原則。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（Computer Architecture）是描述計(jì)算機(jī)各組成部分及其相互關(guān)系的一組規(guī)則和方法，是程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主要研究內(nèi)容包括指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（Instruction Set Architecture，簡稱ISA）和計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)（Computer Organization）。微體系結(jié)構(gòu)（Micro-architecture）是微處理器的組織結(jié)構(gòu)，并行體系結(jié)構(gòu)是并行計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)程序和指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行原理是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。
本書第二部分介紹以指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為核心的軟硬件界面，包括指令系統(tǒng)總體介紹、指令集結(jié)構(gòu)、異常與中斷、存儲(chǔ)管理、軟硬件協(xié)同等內(nèi)容。貫穿該部分內(nèi)容的一個(gè)核心思想是建立高級(jí)語言（如C語言）與指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。例如，C語言的語句與指令系統(tǒng)的關(guān)系，算術(shù)語句可直接映射為相關(guān)運(yùn)算指令，for循環(huán)映射為條件跳轉(zhuǎn)，switch語句映射為跳轉(zhuǎn)索引和跳轉(zhuǎn)表等；操作系統(tǒng)中地址空間的組織與指令訪問內(nèi)存的關(guān)系，靜態(tài)全局變量映射到地址空間的靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，局部變量映射到堆棧區(qū)，動(dòng)態(tài)分配的數(shù)據(jù)則映射到進(jìn)程空間的堆中；操作系統(tǒng)中進(jìn)程和線程的表示及切換在指令和地址映射方面的具體體現(xiàn)；敲擊鍵盤和移動(dòng)鼠標(biāo)等事件如何通過指令系統(tǒng)的外部中斷傳遞到CPU，以及指令系統(tǒng)對(duì)操作系統(tǒng)處理外部中斷的必要支持；等等。
本書第三部分介紹計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。該部分的核心思想是搞清楚計(jì)算機(jī)內(nèi)部，包括CPU、GPU、內(nèi)存、IO之間是如何協(xié)同完成軟件規(guī)定的各種操作的。例如，在計(jì)算機(jī)開機(jī)過程中，BIOS完成硬件初始化后把操作系統(tǒng)從硬盤拷貝到內(nèi)存執(zhí)行的過程中南北橋與CPU是如何配合的；CPU和GPU是如何協(xié)同操作完成計(jì)算機(jī)屏幕顯示的，在顯示過程中哪些活是CPU干的，哪些活是GPU干的；以太網(wǎng)接口、USB接口等各種接口的驅(qū)動(dòng)在硬件上的具體體現(xiàn)是什么；等等。
本書第四部分介紹微結(jié)構(gòu)。該部分的核心思想是建立指令系統(tǒng)和晶體管之間的橋梁。微結(jié)構(gòu)是決定CPU性能的關(guān)鍵因素。由于微結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)碩士課程的主要內(nèi)容，因此本科課程的微結(jié)構(gòu)內(nèi)容在追求系統(tǒng)地介紹有關(guān)概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)把先行進(jìn)位加法器和五級(jí)靜態(tài)流水線講透，希望學(xué)生通過對(duì)先行進(jìn)位加法器、五級(jí)靜態(tài)流水線、簡單轉(zhuǎn)移猜測和高速緩存原理的深入了解，舉一反三地了解微結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式。微結(jié)構(gòu)中動(dòng)態(tài)流水線、亂序執(zhí)行和多發(fā)射等內(nèi)容只做概念性的介紹。
本書第五部分介紹并行處理結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序的并行行為是并行處理的基礎(chǔ)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通過多層次的并行性開發(fā)來提高性能。并行處理編程模型包括消息傳遞模型（如MPI）和共享存儲(chǔ)模型（如OpenMP）等。多核處理器的設(shè)計(jì)需要考慮存儲(chǔ)一致性模型、高速緩存一致性協(xié)議、片上互連、多核同步等核心問題。
本書第六部分介紹計(jì)算機(jī)的性能分析方法。性能不是由一兩個(gè)具體指標(biāo)（如主頻）決定的，而是若干因素綜合平衡的結(jié)果；性能評(píng)測也沒有合理公平的辦法，不同的計(jì)算機(jī)對(duì)不同的應(yīng)用適應(yīng)性不一樣，對(duì)某類應(yīng)用甲計(jì)算機(jī)比乙計(jì)算機(jī)性能高，對(duì)另外一類應(yīng)用可能反之。巨大的設(shè)計(jì)空間和工作負(fù)載的多樣性，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能分析和評(píng)價(jià)成為一個(gè)非常艱巨的任務(wù)。計(jì)算機(jī)性能分析的主要方法包括理論建模，用模擬器進(jìn)行性能模擬，以及對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)測等。
上述面面俱到的課程安排主要是考慮體系結(jié)構(gòu)學(xué)科的完整性，但本科課程重點(diǎn)是軟硬件界面及計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。對(duì)于一般高校，并行處理結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能分析可以不講。
在選修本課程前，學(xué)生應(yīng)對(duì)C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯電路有一定的基礎(chǔ)。本課程試圖說明一個(gè)完整的計(jì)算系統(tǒng)的工作原理，其中涉及部分操作系統(tǒng)的知識(shí)。為了有更好的理解，學(xué)生還可以同時(shí)選修操作系統(tǒng)課程。課程中的實(shí)例和原理介紹以LoongArch體系結(jié)構(gòu)為主。與傳統(tǒng)課程中講授的X86體系結(jié)構(gòu)相比，LoongArch結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單明晰而又不失全面。學(xué)生可以通過配套的實(shí)驗(yàn)課程，自底而上構(gòu)建自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括硬件、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件，從而對(duì)如何造計(jì)算機(jī)有更深刻的認(rèn)識(shí)。