世界著名计算机教材精选·计算机组织与体系结构：性能设计（第7版）

《世界著名计算机教材精选·计算机组织与体系结构：性能设计（第7版）》是介绍当代计算机体系主流技术的技术的优秀教材。作者以Intel Pentium 4和IBM/Motorola PowerPC作为考察实例，将当代计算机系统性能问题和计算机组织与体系结构的基本概念及原理紧密联系起来。本书共18章，分成5个部分。主要内容有：CPU性能设计、指令流水线、整数和浮点算术、微程序设计的控制器；RISC处理器和超标量处理器；的IA-64体系结构和Itanium处理器；PCI新型系统总线规范；cache存储器组织、cache一致性问题和MESI协议；包括行总线和最近研发的InfiniBand；最后是多个处理器的并行组织，包括对称多处理机、机群系统、非均匀存储器存取（NUMA）系统。
本书可作为计算机科学、计算机程等专业的计算机体系结构课程的教材，对从事计算机研究与开发的技术人员来说，也具有指导意义。

第0章 读者指南
0.1 本书概要
0.2 因特网和Web资源
第一部分 概述
第1章 导论
1.1 计算机组织与体系结构
1.2 结构和功能
1.3 为何要学习计算机组织和体系结构
第2章 计算机的演变和性能
2.1 计算机简史
2.2 性能设计
2.3 Pentium和PowerPC的进展
2.4 推荐的参考文献和Web站点
2.5 关键词、思考题和习题
第二部分 计算机系统
第3章 计算机功能和互连的顶层视图
3.1 计算机的部件
3.2 计算机功能
3.3 互连结构
3.4 总线互连
3.5 PCI
3.6 推荐的参考文献和Web站点
3.7 关键词、思考题和习题
附录3A 时序图
第4章 cache
4.1 计算机存储系统概述
4.2 cache存储器原理
4.3 cache的设计要素
4.4 Pentium 4和PowerP的Ccache组织
4.5 推荐的参考文献
4.6 关键词、思考题和习题
附录4A 两级存储器的性能特点
第5章 内部存储器
5.1 半导体主存储器
5.2 纠错
5.3 高级DRAM组织
5.4 推荐的参考文献和Web站点
5.5 关键词、思考题和习题
第6章 外部存储器
6.1 磁盘
6.2 RAID（磁盘冗余阵列）
6.3 光存储器
6.4 磁带
6.5 推荐的参考文献和Web站点
6.6 关键词、思考题和习题
第7章 输入输出
7.1 外部设备
7.2 I/O模块
7.3 编程式I/O
7.4 中断驱动式I/O
7.5 存储器直接存取（DMA）
7.6 I/O通道和处理器
7.7 外部接口：FireWire和InfiniBand
7.8 推荐的参考文献和Web站点
7.9 关键词、思考题和习题
第8章 操作系统支持
……
第三部分 中央处理器
第四部分 控制器
第五部分 并行处理的组织
附录A 计算机组织与体系结构课题
参考文献

第1章 导论
这是一本关于计算机结构和功能的书，其目标是尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。这项任务颇具挑战性，主要原因有两方面。
首先，从只值几美元的单片机到价值几千万美元的超级计算机，这中间有多种产品都可以称为计算机。多样性不仅表现在计算机的成本上，而且还表现在计算机的体积大小、性能和应用上。其次，计算机技术发展的步伐相当快，绝无停顿。这些发展表现在计算机技术的各个方面，从用于构成计算机部件的底层集成电路技术，到越来越广泛采用的将这些部件组合起来的并行组织技术。
尽管计算机领域内富有多样性并且仍在改变，但始终存在一些基本概念。当然，这些概念的应用依赖于技术的发展状况，以及设计者所要达到的性能／价格目标。本书的目的在于深入地讨论计算机组织与结构的基本原理，并将它们应用到当代计算机设计问题中去。作为介绍性的章节，本章简略地讨论将要采用的描述方法，并对本书其余部分进行概述。
1．1 计算机组织与体系结构
要描述计算机系统，就要清楚地区分计算机体系结构(computcr architccture)和计算机组织(cmputcr。rganizati。n)这两个概念。虽然很难给出这两个术语的精确定义，但对它们所涉及的领域则存在着共识(见参考文献[VRAN8。]、[SIEW82]和[BELL78a])
计算机体系结构是指那些对程序员可见的系统属性。换句话说，这些属性直接影响到程序的逻辑执行。计算机组织是指实现其结构规范的操作单元及其相互连接。例如’结构的属性包括指令集、表示各种数据类型(例如，整型、字符型)的比特数、输入输出机制以及内存寻址技术。组织的属性包括那些对程序员透明的硬件细节，如控制信号、计算机和外设的接口以及存储器使用技术。
例如，计算机是否有乘法指令是结构设计问题。而这条指令是由特定的乘法单元实现，还是通过重复使用系统的加法单元来实现，则是一个组织问题。决定使用哪种组织需要考虑预期使用乘法单元的频度，考虑两种方案的相对速度，还需要考虑一个特定乘法单元的成本和物理尺寸等因素。
无论过去还是现在，了解结构和组织的差别都是很重要的。计算机制造商往往提供一系列型号的计算机，它们都有相同的结构，但组织却不同。因而，某一系列中不同型号的计算机的价格和性能特点也不相同。一种结构可能存在多年，但它的组织则随着技术的进步而不断更新。这种现象的一个突出例子就是IBM System／370结构，这种结构于1970年推出，包括多种型号。仅有最低要求的客户可以购买较便宜的、速度较慢的类型。如果今后要求提高了，可以升级到更贵的、速度更快的类型，从而不必丢弃已经开发的软件。几年来，IBM通过改进技术推出了许多新型号来替代旧的型号，为用户提供高速、低价或二者兼而有之的产品。这些新型号保留了同样的结构，因而保障了用户的软件投资。值得注意的是，Systcm／370体系结构经过几次增强，不但生存至今，而且仍是IBM的旗舰产品。
在被称为微型计算机一类的系统中，体系结构和组织的关系非常密切。技术的更新不仅影响了计算机的组织，还导致了更强大且更复杂的体系结构。通常，越小的机器，新旧两代之间的兼容性要求就越少，因此组织和体系结构设计决策的关系就更加密切。关于它的一个有趣例子是精简指令集计算机(RISC)，本书将在第13章进行深人探讨。
本书介绍计算机组织和计算机体系结构两个方面的内容，或许更强调组织方面的内容。但是，计算机组织的设计必须遵照特定的体系结构规范，所以对组织的深入论述也要求对体系结构有同样细致的考察。
1．2 结构和功能
计算机是一个复杂的系统，当代计算机包含数百万个电子元件，怎样才能清楚地描述它呢？关键就在于认识包括计算机在内的大多数复杂系统的分层性质[SIMO96]。层次系统是一组互相关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成最基本的子系统。
复杂系统的层次特性是设计和说明它们的基础。设计者每次只需处理某个特定的层即可，每一层由一组部件及其相互关系组成。每一层的行为仅依赖于其下一层更为简单的抽象特征。在每一层上，设计者关心的是结构和功能．。
结构：部件相互关联的方式。
功能：作为有关结构组成部分的各个部件的操作。
根据描述，有两种选择：由底层开始建立完整的描述；或者从顶层开始将系统分解成各个子部分。许多领域的事实证明，由顶至下的方法是最清晰并且最有效的方法[WEIN75]。
本书采用的方法也遵循这一观点，将自顶向下地描述计算机系统。从系统的主要部件开始，描述它的结构和功能，然后逐级深入推进到体系中的低层。这一部分的其余章节将为这种逐级推进的描述提供简短概述。1．2．l 功能
从本质上来说，计算机的结构和功能运作都很简单。图1．1描述了计算机能够完成的基本功能，概括起来有4项：
数据处理
数据存储
数据传送
控制
计算机当然能处理数据，数据可以有多种形式，处理的要求也是很广泛的。但是数据处理的基本方法或类型只有几种。
存储数据也很重要。即使简单地处理数据(即数据输入并处理，结果直接输出)，计算机也必须在某个特定的时刻存储它正在运算的数据值。因此，计算机至少要有短期数据存储功能。计算机的长期数据存储功能也同样重要。存储在计算机内的数据文件可用于以后的检索或更新。
计算机必须能在它自身与外界之间传送数据。计算机操作环境包含了作为数据源或目标的设备。当由直接与计算机相连的设备接收数据或向其发送数据时，这个过程称为输入输出(I／O)，这个设备称为外围设备(pcripheral)。当数据传至远处，或从远方设备接收时，这个过程称为数据通信。
最后，必须对这3种功能进行控制。这种控制功能最终是由给计算机提供指令的人来施加的。在计算机系统中，控制器根据这些指令管理计算机的资源，并协调各个功能部件的操作方式。
在这种通常讨论的级别上，能够完成的操作非常少。图1．2描述了4种可能的操作类型。计算机作为数据传送设备(如图1．2(a)所示)，只需简单地将数据从一个外设或通信线路传到另一个。计算机同样可作为数据存储设备(如图l。2(b)所示)，将数据从外部环境传送到计算机存储器(读)，反之亦然(写)。最后的两个图表示涉及计算机中的数据处理操作，数据或者在存储器中(图1．2(c))，或者在存储器与外部环境之间的路径中(图1．2(d))。
前面的讨论似乎过于概括，即使在计算机结构的最高层，区分许多不同的功能仍是可能的。但是，这里可以引用参考文献[smw82]中的一段话：
“为适应功能而改变计算机结构的情况很少发生。计算机的通用性是根本’所有的功能专门化均发生在编程阶段，而不是设计阶段。”
1．2．2 结构
图1．3是对计算机尽可能简单的描述。计算机是以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说，与外部环境的所有连接可以划分为外围设备和通信线路。后面将会讨论这两种连接。
本书最关心的是计算机本身的内部结构，它在图1．4中以高层表示，有4种主要的结构组件。
……

目标
这是一本关于计算机结构和功能的书，力求尽可能清楚完整地给出当今计算机系统的性质和特征。
这个任务具有挑战性，主要有如下几个原因。首先，有非常多的产品类型都冠以“计算机’’的名字，从只值几美元的单片机到价值几千万美元的超级计算机。这种多样性不仅表现在价格上，也表现在规模、性能和应用上。其次，不断的改变已成为持续发展的计算机技术的特征。这些改变覆盖了计算机技术的所有方面，从用于构造计算机部件的底层的集成电路技术，到组合这些部件的并行组织概念。
尽管计算机领域存在多样性和改变的迅速性，但某些基本概念始终在起作用。当然，这些概念的应用取决于当前的技术状况和设计者的性能／价格目标。本书的目的在于深入讨论计算机组织与体系结构的基本概念和原理，并将它们运用到当代计算机系统设计问题上去。
副标题（指叫陸能设计”——译者注）指出了本书的主题和采用的方法。计算机系统的高性能设计历来都是重要的，但这一要求从来没有像今天这样强烈和难以满足。包括处理器速度、存储器速度、存储器容量和互连的数据速率在内的计算机系统的所有基本性能特征都在迅速提高，而且，是以不同的速率在提高。这就使设计一个实现性能最大化并利用所有因素的平衡系统变得非常困难。于是，计算机设计越来越成为一种博弈，它要以改变一个领域的结构和功能来补偿另一领域的性能失配。读者将会看到，这种博弈在本书的许多设计中始终起作用。
像任何系统一样，计算机系统由一组相互关联的部件组成。通过结构（部件互连方式）和功能（单个部件的操作）最能表征一个系统。另外，计算机的组织是层次化的，通过将主要部件分解成各主要子部件，并描述各主要子部件的结构和功能，来进一步描述各主要部件。为清楚和易于理解，本书由士至下地描述这种层次化组织。
计算机系统：主要部件是处理器、存储器和I／O。
处理器：主要部件是控制器、寄存器、ALU和指令执行单元。
控制器：为所有处理器部件的操作和协调提供控制信号。传统上，使用的是微程序式实现，其中主要部件是控制存储器、微指令排序逻辑和寄存器。最近，微程序设计方式已不那么突出，但仍是一类重要的实现技术。
本文尽量采用以清晰的上下文来组织新素材的方式讲解有关内容，这样可以最大限度地避免让读者感到迷茫，应该会比自下而上地讲解更好。
考查系统的两个着眼点是体系结构（机器语言程序员可见的系统属性）和组织（实现体系结构的操作单元和它们的互连），它们将自始至终贯穿于所有讨论之中。
使用的范例
本书选用许多不同机器的例子，来阐明和强化所提出的概念。多数例子来自两种计算机系列。这两种系统共同概括了当前计算机的主要设计趋势。Pentium 4基本上是一种复杂指令集计算机（CISC），但具有某些RISC特征；而基本上是一种精简指令集计算机（RISC）。两种系统都利用了超标量设计原理，并且都支持多个处理器的配置。
本书的安排
本书分为5个部分。
第一部分 概述：提供对本书其余部分的概括说明并明确各部分的上下文关系。
第二部分 计算机系统：计算机系统由处理器、存储器、I／。模块以及这些主要部件之间的互连机构所组成。这部分依次讨论这些方面，只是处理器太复杂，所以留作第三部分单独讨论。
第三部分 中央处理器：CPU由控制器、寄存器、算术逻辑单元、指令执行单元以及这些部件之间的互连结构所组成。这部分还介绍了如指令集设计和数据类型这类体系结构问题，以及如流水化这类组织问题。
第四部分 控制器：控制处理器其余各部件的处理器部分，这里讨论控制器的功能实现。
第五部分 并行处理的组织：最后这一部分涉及到多个处理器使用的某些问题和向量处理的组织问题。
每章均附有习题、思考题和关键词，以及为深入理解书中内容而推荐的参考文献和Web站点，书末附有参考文献总汇。
本书各部分的篇首给出了该部分中各章的摘要。
读者对象
本书面向高校师生和专业技术人员。它可以作为计算机科学、计算机工程、电气工程等专业主修的CS 22 omputer Architccturc课程的本科生教材，授课时间为一或两个学期。而计算机体系结构是IEEE／ACM仁；omputer Curricula 200l这个最新计算机课程教学大纲的核心课程之一。
对关注此领域的专业技术人员，本书可作为有参考价值的基础读物，并适合自学。
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