計算機組成與體系結構：性能設計（原書第8版）

前言

前言目標這是一本關于計算機結構和功能方面的書，力求清晰完整地給出當今計算機系統(tǒng)的性質(zhì)和特征。這項任務極具挑戰(zhàn)性，主要有如下幾個原因：首先，有非常多的產(chǎn)品類型都冠以“計算機”的名字，從只值幾美元的單片機到價值幾千萬美元的超級計算機。這種多樣性不僅體現(xiàn)在價格上，也體現(xiàn)在規(guī)模、性能和應用上。其次，計算機技術的快速變化步伐從未停止過，這一直以來就是它的特征。這些變化涉及計算機技術的所有方面，從用于構造計算機部件底層的集成電路技術，到組合這些部件的并行組織概念。盡管計算機領域存在著種類的多樣性和變化的迅速性，但某些基本概念始終不變。當然，這些概念的應用取決于當前的技術狀況和設計者的性能/價格目標。本書的目的在于深入討論計算機組成與體系結構的基本原理和概念，并將它們運用到當代計算機系統(tǒng)設計的問題上。副標題（性能設計）指出了本書的主題和采用的方法。計算機系統(tǒng)的高性能設計歷來都是最重要的，但這一要求從來沒有像現(xiàn)在這樣強烈和難以滿足。計算機系統(tǒng)的所有基本性能特征，包括處理器速度、存儲器速度、存儲器容量和互連的數(shù)據(jù)速率，都在迅速提高，而且是以不同的速率在提高。這就使得設計一個實現(xiàn)性能最大化并考慮所有因素影響的平衡系統(tǒng)變得非常困難。于是，計算機設計越來越成為一種博弈，它要以改變一個領域的結構和功能來補償另一領域的性能失配。我們將會看到，這種博弈貫穿本書的許多設計。像任何系統(tǒng)一樣，計算機系統(tǒng)由一組相互關聯(lián)的部件組成。通過結構（部件互連的方式）和功能（單個部件的操作）最能表征一個系統(tǒng)。而且，計算機的組織是層次化的，通過將每個主要部件分解成主要子部件，并描述各主要子部件的結構和功能，可以進一步描述各主要部件。為了清晰和易于理解，本書自頂向下地描述這種層次化組織。計算機系統(tǒng)：主要部件是處理器、存儲器和I/O。處理器：主要部件是控制器（或控制單元）、寄存器、ALU和指令執(zhí)行單元。控制器：為所有的處理器部件的操作和協(xié)調(diào)提供控制信號。傳統(tǒng)上，一直使用的是微程序?qū)崿F(xiàn)方式，其主要部件包括控制存儲器、微指令序列邏輯和寄存器。最近，微程序設計已經(jīng)不占主導地位，但仍是一種重要的實現(xiàn)技術。本書力求采用在清晰的上下文中組織新素材的方式講解有關內(nèi)容，以最大限度地避免讀者的迷惑，這樣應該比自底向上的講解方式更好?？疾煜到y(tǒng)的兩個著眼點是體系結構（機器語言程序員可見的系統(tǒng)屬性）和組成（實現(xiàn)體系結構的操作單元和它們的互連），它們將貫穿于全書的討論之中。使用的范例本書希望讀者熟悉當代操作系統(tǒng)的設計原理和實現(xiàn)方法，因此，純概念或純理論的闡述是不適合的。為了說明概念并將它們與現(xiàn)實世界中必須要做的設計選擇聯(lián)系起來，本書選用以下兩個處理器系列作為貫穿全書的范例：Intel x86體系結構：Intel x86體系結構非常廣泛地應用于非嵌入式計算機系統(tǒng)。Intel x86基本上是一種復雜指令集計算機（CISC），但具有某些RISC特征。目前的x86系列成員都采用超標量體系結構和多核設計原則。x86體系結構的特征演變?yōu)閷W習大多數(shù)計算機體系結構的設計原理提供了一種獨特的案例。ARM：ARM嵌入式體系結構已被證明是應用最廣泛的嵌入式處理器，它應用于手機、音樂播放器、遠程傳感設備以及很多其他設備。ARM基本上是一種精簡指令集計算機（RISC）。目前的ARM系列成員都采用超標量體系結構和多核設計原則。很多例子（但非全部）都出自這兩個計算機系列：Intel x86和ARM嵌入式處理器系列。許多其他系統(tǒng)，包括當代的和歷史上的，也提供了計算機體系結構設計特征的重要案例。本書結構本書由以下五個部分組成：概論計算機系統(tǒng)中央處理器控制器并行組織，包括多核本書具有許多利于教學的特點，例如，交互式模擬工具的使用、大量插圖和表格使討論更清楚等。每一章均包含關鍵詞、思考題和習題以及推薦的讀物和Web站點。書末還附有術語表（列出了常用的縮寫詞）和參考文獻。讀者對象本書面向高校師生和專業(yè)技術人員。它可以作為計算機科學、計算機工程、電氣工程等專業(yè)本科生一學期或兩學期的教材。它覆蓋了CS 220 Computer Architecture課程要求的所有主題，而計算機體系結構是IEEE/ACM Computer Curricula 2001的核心課程之一。對關注此領域的專業(yè)技術人員，本書可作為有參考價值的基礎讀物，并適合自學。教學資源為輔助教學，本書提供了下列資料：解題手冊：解答各章后面的思考題和習題。課題手冊：提供各類課題的詳細安排目錄?；脽羝禾峁┝怂姓鹿?jié)的、適于教學的幻燈片。PDF文件：復制了書中的所有表格和插圖。試題庫：包括判斷對錯題、多項選擇題、填空題與答案。所有這些支持材料都在教師資源中心（IRC）。本版在Web站點上更新了一組習題的有效解決方案，學生可以通過做習題并核對答案來加深對內(nèi)容的理解。課題和其他學生練習許多教師都很清楚，課題訓練是計算機組成與體系結構課程的重要部分，它可以使學生獲得實踐鍛煉并強化所學到的概念。本書提供的這方面的支持包括：交互式模擬作業(yè)：稍后描述。研究性課題：一系列研究性作業(yè)，指導學生研究Internet上的一個特定課題并寫出報告。模擬性課題：教師資源中心提供了SimpleScalar和SMPCache兩個模擬軟件包。前者可用于探索計算機組成與體系結構的設計問題；后者為研究對稱多處理器（SMP）的cache設計問題提供了強有力的教學工具。匯編語言課題：使用一種簡化的匯編語言CodeBlue，并提供了一些基于流行的Core Wars游戲概念的作業(yè)。閱讀/報告類作業(yè)：每章有一篇或幾篇文獻論文列表，可以要求學生閱讀并寫出簡短報告。寫作作業(yè)：提供一系列寫作題目來幫助讀者學習。試題庫：包括判斷對錯題、多項選擇題、填空題與答案。這些課題和其他練習為使用本書教學提供了方便，教師可根據(jù)需要酌情選擇，選擇方法參見附錄A。交互式模擬工具第8版提供了一些交互式模擬工具，這些模擬工具為理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的復雜設計特征提供了有力的支持?？偣灿?0個交互式模擬工具用于說明計算機組成與體系結構設計中的關鍵功能與算法，在本書的相應位置用圖標來指明。因為這些工具可以讓用戶建立最初的環(huán)境，所以可以利用它們布置學生課外作業(yè)。第8版新增內(nèi)容自第7版出版以來，計算機組成與體系結構領域又有了不少革新和進展。第8版堅持全面覆蓋整個領域，并在此基礎上盡量跟上新技術的步伐。為了開始這個修訂過程，講授本課程的幾位教授和本領域的幾位專家對第7版進行了廣泛深入的討論，從而使第8版的描述更清晰、更緊湊，圖表也進行了改進，同時增加了很多課堂測試的習題。除了為使本書便于教學和對用戶更友好所做的這些工作之外，本書還有許多實質(zhì)性的改變。第8版雖然保留了與第7版大致相同的章節(jié)，但重新改寫并添加了許多內(nèi)容，主要包括：交互式模擬工具：第8版提供了20個基于Web的交互式模擬工具，涉及高速緩存(cache)、主存、I/O、分支預測、指令流水線和向量處理等主題。嵌入式處理器：第8版包括一些嵌入式處理器以及它們提供的獨特的設計問題。ARM體系結構被用作一個很好的學習案例。多核處理器：第8版包括現(xiàn)在計算機體系結構最流行的新進展——單個芯片上多處理器的使用，第18章將會討論這一主題。高速緩存：對第4章高速緩存的內(nèi)容進行了全面的修訂、更新和擴充，涵蓋了更寬泛的技術領域，并通過使用大量的圖片以及交互式模擬工具來改進教學方法。性能評估：第2章顯著地擴充了對性能評估的討論，增加了對基準程序的討論和對阿姆達爾(Amdahl)定律的分析。匯編語言：增加了一個關于匯編語言和匯編程序的新附錄?？删幊踢壿嬙O備：在第20章數(shù)字邏輯（網(wǎng)站上）中，擴充了對可編程邏輯設備（PLD）的討論，介紹了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。DDR SDRAM：DDR已經(jīng)成為桌面計算機和服務器中的主流主存技術，尤其是DDR2 和DDR3。DDR技術在第5章中介紹，更詳細的討論參見附錄K（網(wǎng)站上）。線性磁帶開放協(xié)議（LTO）：LTO已經(jīng)成為最流行的“超級磁帶”形式，并廣泛應用于小型和大型的計算機系統(tǒng)中，尤其是作為文件備份。LTO在第6章中介紹，更詳細的討論參見附錄J（網(wǎng)站上）。對于每個新版本，既要保持合理的頁數(shù)又要增加新的內(nèi)容，是一件困難的工作。這是通過刪除舊的內(nèi)容和精簡描述實現(xiàn)的。第8版將不特別重要的章節(jié)和附錄放在網(wǎng)上，作為獨立的PDF文件，這既滿足了新內(nèi)容的擴充，又不增加本書的厚度。譯者序William Stallings是美國最著名的計算機專業(yè)作家之一，他在計算機體系結構、計算機網(wǎng)絡和信息安全等方面成就卓著，十次榮獲美國教材與大學作者協(xié)會頒發(fā)的“年度最佳計算機科學與工程教材”獎。本書譯自他編著的《Computer Organization and Architecture: Designing for Performance》，該書暢銷歐美，一直是美國深受歡迎的大學教材。該教材先后推出了8版，這一版對原有內(nèi)容進行了徹底的修訂和重組，使新版對計算機體系結構各專題的闡述更先進、更全面、更清晰。作者編著本書的目的是使讀者知曉當代計算機組成和體系結構的設計原理和實現(xiàn)考慮，并非單純地講述概念或理論。為此，本書選用了許多不同機器的例子來闡明和強化所提供的概念。大部分例子來自兩種計算機系列：Intel x86系列和ARM（先進的RISC機器）系列。這兩種系統(tǒng)共同概括了當前計算機設計趨勢的大部分。Intel x86結構基本上是一個帶有某些RISC特征的復雜指令集計算機（CISC），而ARM本質(zhì)上是一個精簡指令集計算機（RISC）。兩個系統(tǒng)都利用了超標量設計原則，并且都支持多個處理器和多核配置。全書共分為5個部分，第一部分（第1~2章）概述計算機組成與體系結構，并討論計算機的發(fā)展演變、性能設計與測評；第二部分（第3~8章）介紹計算機的主要部件及其互連、cache存儲器、內(nèi)部存儲器、外部存儲器、輸入/輸出（I/O）以及計算機體系結構與操作系統(tǒng)之間的關系；第三部分（第9~14章）介紹中央處理器，包括計算機的運算、指令集結構、處理器的結構和功能、精簡指令集計算機（RISC）、指令級并行和超標量方法；第四部分（第15~16章）討論處理器中控制器的內(nèi)部結構和微程序設計技術；第五部分（第17~18章）研究并行組織，包括對稱多處理器、集群系統(tǒng)和多核體系結構。本書還具有許多有利于教學的特點，例如，20個獨立的交互式模擬工具的使用、大量插圖和表格使討論更清楚等；每一章均包含關鍵詞、思考題、習題以及推薦的讀物和Web站點；書末附有一個術語表和參考文獻；本書包含的大量擴展性知識可以從配套網(wǎng)站http://www.pearsonhighered.com/stallings下載。本書可作為高等院校計算機及其相關專業(yè)的計算機體系結構課程教材或教學參考書，同時也可以作為從事計算機研究與開發(fā)的技術人員的參考書。本書的第0～8章、前言和術語表由彭蔓蔓翻譯，第9～16章、第18章和附錄由吳強翻譯，第17章由任小西翻譯。此外，喻品、李冬妮、李柳、張吉良、鄧朋球等研究生也參與了部分工作。在翻譯過程中，我們參閱了張昆藏教授等翻譯的《計算機組織與體系結構：性能設計》（第6版，清華大學出版社2004年出版），在此深表感謝！盡管我們從事計算機組成與體系結構的教學和科研工作多年，在翻譯過程中本著認真負責、力求精準的精神，但錯誤難免，希望廣大讀者批評指正。譯者2011年3月于長沙

內(nèi)容概要

　　本書(作者斯托林斯)以Intel
X86和ARM兩個處理器系列為例，結合當代計算機系統(tǒng)性能設計問題，介紹了計算機體系結構的主流技術和最新技術。本書共18章，分5個部分，第一部分(第1-2章)概述計算機組成與體系結構，并討論計算機的演變和性能；第二部分(第3-8章)討論計算機的主要部件及其互連；第三部分(第9-14章)討論處理器的內(nèi)部結構和組織；第四部分(第15-16章)討論處理器中控制器的內(nèi)部結構和微程序設計的使用；第五部分(第17-18章)討論并行組織，包括對稱多處理器、集群系統(tǒng)和多核體系結構?！　”緯勺鳛楦叩仍盒Ｓ嬎銠C及相關專業(yè)的計算機體系結構課程教材或教學參考書，同時也可以作為從事計算機研究與開發(fā)的技術人員的參考書。

作者簡介

　　擁有美國麻省理工學院計算機科學博士學位，現(xiàn)任教于澳大利亞新南威爾士大學國防學院(堪培拉)信息技術與電子工程系。他是世界知名計算機學者和暢銷教材作者，已經(jīng)撰寫了17部著作，出版了40多本書籍，內(nèi)容涉及計算機安全、計算機網(wǎng)絡和計算機體系結構等方面，堪稱計算機界的全才。他曾九次榮獲美國“教材和學術專著作者協(xié)會”頒發(fā)的“年度最佳計算機科學教材”獎。

書籍目錄

出版者的話
譯者序
前言
第0章 讀者指南
第一部分 概論
　第1章 導論
　第2章 計算機的演變和性能
第二部分 計算機系統(tǒng)
　第3章 計算機功能和互連的頂層視圖
　第4章 CACHE存儲器
　第5章 內(nèi)部存儲器
　第6章 外部存儲器
　第7章 輸入/輸出
　第8章 操作系統(tǒng)支持
第三部分 中央處理器
　第9章 計算機算術
　第10章 指令集：特征和功能
　第11章 指令集：尋址方式和指令格式
　第12章 CPU結構和功能
　第13章 精簡指令集計算機
　第14章 指令級并行性和超標量處理器
第四部分 控制器
　第15章 控制器操作
　第16章 微程序控制
第五部分 并行組織
　第17章 并行處理
　第18章 多核計算機
附錄
術語表
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：1.1 計算機組成與體系結構在描述計算機系統(tǒng)時，常常要區(qū)分計算機體系結構和計算機組成這兩個基本概念。雖然很難給出這兩個術語的精確定義，但對它們所涉及的領域存在著共識（見文獻[vRAN80]、[SIEW82]和[BELL38a]），一種有趣的可供選擇的觀點可參見文獻[REDD76]。計算機體系結構是那些對程序員可見的系統(tǒng)屬性，換句話說，這些屬性直接影響到程序的邏輯執(zhí)行。計算機組成是實現(xiàn)結構規(guī)范的操作單元及其相互連接。例如，體系結構的屬性包括指令集、用來表示各種數(shù)據(jù)類型（例如，數(shù)據(jù)、字符）的比特數(shù)、輸入輸出機制以及內(nèi)存尋址技術。組成的屬性包括那些對程序員可見的硬件細節(jié)，如控制信號、計算機和外設的接口以及存儲器使用的技術。例如，計算機是否有乘法指令是體系結構設計的問題。而這條指令是由特定的乘法單元實現(xiàn)，還是通過重復使用系統(tǒng)的加法單元來實現(xiàn)，則是組成的問題。組成基于乘法單元使用的預期頻度、兩種方案的相對速度以及特定乘法單元的成本和物理尺寸等因素。無論是過去還是現(xiàn)在，了解體系結構與組成之間的差別都是很重要的。很多計算機制造商會提供系列機產(chǎn)品，它們有著相同的體系結構，但組成是不相同的，因此，同一系列中不同型號的計算機的價格和性能也不相同。進一步來說，一種特殊的體系結構可以存在多年，并且覆蓋多種不同的計算機型號，但它的組成則隨著技術的進步而不斷更新。這種現(xiàn)象的一個突出例子是IBMSystem／370體系結構，這種架構于1970年推出，包括多種型號。低需求的客戶可以購買較便宜、速度較慢的型號，如果今后要求提高了，可以升級到更貴的、速度更快的型號，而不必丟棄已經(jīng)開發(fā)的軟件。近幾年，IBM通過改進技術推出了許多新型號來替代舊的型號，為用戶提供高速、低價或兩者兼?zhèn)涞漠a(chǎn)品。這些新型號保留了同樣的體系結構，因而保障了用戶的軟件資源。值得注意的是，System／370體系結構經(jīng)過幾次增強，不但生存至今，而且仍是IBM的旗艦產(chǎn)品。在被稱之為微計算機的一類計算機系統(tǒng)中，體系結構和組成的關系非常緊密。技術的更新不僅影響了計算機的組成，而且還導致了更強大和更復雜的體系結構。通常，越小的機器，新舊兩代之間的兼容性要求越少，因此組成和體系結構設計決策的關系就更加緊密。關于它的一個有趣的例子就是精簡指令集計算機（RISC），本書將在第13章進行深入的討論。

編輯推薦

《計算機組成與體系結構:性能設計(原書第8版)》是介紹當代計算機體系主流技術和最新技術的優(yōu)秀教材，以Inltelx86和ARM兩個處理器系列為例，深入討論了計算機組成與體系結構的基本原理和概念，并將它們運用到當代計算機系統(tǒng)設計的問題中。自第7版出版以來，計算機組成與體系結構領域又有了不少革新和進展。第8版堅持全面覆蓋整個領域，并在此基礎上盡量跟上新技術的步伐。新增內(nèi)容交互式模擬工具：提供了20個基于Web的交互式模擬工具，為理解現(xiàn)代處理器的復雜機制提供了有力的支持嵌入式處理器：以ARM體系結構為例，介紹嵌入式處理器以及它們提供的獨特的設計問題。多核處理器：闡述計算機體系結構最流行的新進展——單個芯片上多處理器的使用。高速緩存：對高速緩存內(nèi)容進行了全面的修訂、更新和擴充，涵蓋了更寬泛的技術領域。性能評估：擴充了對性能評估的討論，增加了對基準程序和阿姆達爾定律的分析。匯編語言：增加了一個關于匯編語言和匯編器的新附錄。

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