譯者序
序
前言
作者簡介
部分引言
第1章基本概念和計算機演化 2
1.1組成與體繫結構 2
1.2結構與功能 3
1.2.1功能 3
1.2.2結構 4
1.3計算機簡史 8
1.3.1代：真空管 9
1.3.2第二代：晶體管 13
1.3.3第三代：集成電路 15
1.3.4第三代以後 18
1.4Intel x86體繫結構的演化 20
1.5嵌入式繫統 22
1.5.1物聯網 23
1.5.2嵌入式操作繫統 23
1.5.3應用處理器和專用處理器 23
1.5.4微處理器與微控制器 24
1.5.5嵌入式與深度嵌入式繫統 24
1.6ARM體繫結構 25
1.6.1ARM的演進 25
1.6.2指令集架構 25
1.6.3ARM產品 26
1.7雲計算 29
1.7.1基本概念 29
1.7.2雲服務 30
1.8關鍵詞、復習題和練習題 31
第2章性能問題 34
2.1優化性能設計 34
2.1.1微處理器速度 35
2.1.2性能平衡 35
2.1.3芯片組成與體繫結構的改進 37
2.2多核、MIC和GPGPU 38
2.3Amdahl定律和Little定律 39
2.3.1Amdahl定律 39
2.3.2Little定律 40
2.4計算機性能的基本度量 41
2.4.1時鐘速度 42
2.4.2指令執行速率 42
2.5計算均值 44
2.5.1算術均值 45
2.5.2調和均值 46
2.5.3幾何均值 47
2.6基準測試和SPEC 49
2.6.1基準測試原則 49
2.6.2SPEC基準測試 50
2.7關鍵詞、復習題和練習題 54
第二部分計算機繫統
第3章計算機功能與互連的頂層視圖 60
3.1計算機組件 60
3.2計算機功能 62
3.2.1取指和執行 62
3.2.2中斷 65
3.2.3I/O功能 71
3.3互連結構 71
3.4總線互連 72
3.5點對點互連 74
3.5.1QPI物理層 75
3.5.2QPI鏈接層 76
3.5.3QPI路由層 77
3.5.4QPI協議層 77
3.6PCI Express 77
3.6.1PCI物理和邏輯架構 78
3.6.2PCIe物理層 79
3.6.3PCIe事務層 80
3.6.4PCIe數據鏈路層 82
3.7關鍵詞、復習題和練習題 83
第4章高速緩存 87
4.1計算機存儲繫統概述 87
4.1.1存儲繫統的特性 87
4.1.2存儲器層次結構 89
4.2高速緩存存儲器原理 92
4.3高速緩存設計要素 94
4.3.1高速緩存地址 94
4.3.2高速緩存大小 95
4.3.3映射函數 96
4.3.4替換算法 105
4.3.5寫策略 106
4.3.6數據行大小 107
4.3.7高速緩存的數量 107
4.4Pentium 4高速緩存結構 109
4.5關鍵詞、復習題和練習題 111
附錄4A兩級存儲的性能特征 116
第5章內部存儲器 121
5.1半導體存儲器 121
5.1.1組成 121
5.1.2DRAM和SRAM 121
5.1.3ROM的類型 123
5.1.4芯片邏輯 124
5.1.5芯片封裝 126
5.1.6模塊組織 126
5.1.7交叉存儲器 128
5.2糾錯 128
5.3DDR DRAM 131
5.3.1同步DRAM 132
5.3.2DDR SDRAM 133
5.4閃存 135
5.4.1操作 135
5.4.2NOR和NAND閃存 135
5.5新的非易失性固態存儲器技術 137
5.5.1STT-RAM 137
5.5.2PCRAM 138
5.5.3ReRAM 139
5.6關鍵詞、復習題和練習題 139
第6章外部存儲器 143
6.1磁盤 143
6.1.1磁性讀寫機制 143
6.1.2數據組織和格式 144
6.1.3物理特性 146
6.1.4磁盤性能參數 147
6.2RAID 149
6.2.1RAID級別0 151
6.2.2RAID級別1 153
6.2.3RAID級別2 153
6.2.4RAID級別3 154
6.2.5RAID級別4 154
6.2.6RAID級別5 155
6.2.7RAID級別6 155
6.3固態驅動器 156
6.3.1SSD與HDD的比較 156
6.3.2SSD組成 157
6.3.3實際問題 157
6.4光存儲器 158
6.4.1光盤 158
6.4.2數字通用光盤 160
6.4.3高清光盤 161
6.5磁帶 162
6.6關鍵詞、復習題和練習題 163
第7章輸入/輸出 166
7.1外部設備 167
7.1.1鍵盤和監視器 167
7.1.2磁盤驅動器 168
7.2I/O模塊 168
7.2.1模塊功能 168
7.2.2I/O模塊結構 169
7.3可編程I/O 170
7.3.1可編程I/O概述 170
7.3.2I/O命令 170
7.3.3I/O指令 171
7.4中斷驅動I/O 172
7.4.1中斷處理 173
7.4.2設計問題 1

第10版的新內容
自本書第9版出版以來，計算機組成與體繫結構領域的創新和改進不斷。在新版本中，我試著反映這些變化，並保持對整個領域廣泛而全面的覆蓋。為了本次修訂，我們對第9版進行了廣泛審閱，審閱者是講授這些主題的教授和在該領域工作的專業人士。因此，第10版進一步明晰或改進了許多地方的描述，也完善了插圖。
除了這些用以提升教學效果和用戶友好性的改動外，本書還有一些實質性的變化。全書的章節組織仍然和以前大致相同，但修訂了許多資料，並添加了新資料。值得注意的變化如下：
GPGPU（圖形（GPU）上的通用計算）：近年來非常重要的新發展之一就是GPGPU的廣泛使用，它與傳統的CPU協作，以處理涉及大量數據的各種應用程序。本版新增加了一章專門討論GPGPU。
異構多核處理器：多核架構的發展是異構多核處理器。多核計算機一章（第18章）中添加了一節內容，介紹了各種類型的異構多核處理器。
嵌入式繫統：對第1章中的嵌入式繫統概述部分做了大幅修訂和擴充，以反映嵌入式技術的現狀。
微控制器：就數量而言，當前我們使用的幾乎所有計算機都是嵌入式微控制器。第1章中的嵌入式繫統部分現在包括微控制器。全書以ARM Cortex-M3微控制器為例貫穿始終。
雲計算：新增了對雲計算的討論，第1章對其進行了概述，第17章進行了更詳細的闡述。
繫統性能：修訂、擴充和重組了關於繫統性能問題的部分，以使其顯得更加清晰和透徹。第2章專門討論了這個主題，而且繫統性能問題將貫穿全書。
閃存：更新和擴充了閃存部分，現在包含對內存（第5章）與外存（第6章）閃存技術與組成的討論。
非易失性RAM：本版添加的內容是三種重要的新非易失性固態RAM技術—STT-RAM、PCRAM和ReRAM，它們位於存儲器層次結構中的不同位置。
直接緩存訪問（DCA）：為了滿足高速網絡連接的協議處理需求，Intel和其他制造商開發了DCA技術，它提供的吞吐量遠遠高於傳統的直接內存訪問（DMA）方法。第7章新增了對DCA的詳細討論。
Intel酷睿微架構：與上一版相同，Intel x86繫列自始至終都作為主要的示例繫統。我們更新了這部分內容以反映新的Intel繫統，尤其是Intel酷睿微架構，它用於PC和服務器產品。
家庭作業：增加了家庭作業的數量，這些作業都配有參考答案，可供學生練習。
對ACM/IEEE計算機科學課程指南 2013的支持
本書既適合學生，也適合專業讀者。作為一本教科書，它可以用於計算機科學、計算機工程和電氣工程專業的一學期或兩學期的本科課程。這一版的內容支持ACM/IEEE計算機科學課程指南 2013（CS2013）的建議。CS2013把所有課程劃分為三類：核心一級（所有的主題都應包含在課程中），核心二級（應包含所有或幾乎所有的主題），選修（希望提供廣度和深度）。在體繫結構和組成（AR）部分，CS2013包括五個核心二級主題和三個選修主題，每個主題又有多個子主題。本書涵蓋了CS2013列出的所有八個主題。表P-1給出了本書對AR知識領域提供的支持。
表P-1對CS2013 AR知識領域的覆蓋
IAS 主題 本書覆蓋章節
數字邏輯與數字繫統（核心二級） ? 計算機體繫結構概述與歷史
? 組合或時序邏輯/現場可編程門陣列作為基本的組合 時序邏輯構建模塊
? 多種表示/分層的解釋（硬件僅僅是另外一層）
? 物理約束（門延遲、扇入、扇出、能耗/功率） ? 第1章
? 第11章
數據的機器級表示（核心二級） ? 位、字節和字
? 數值數據的表示和數值的進制
? 定點和浮點繫統
? 有符號和補碼表示
? 非數值數據的表示（字符編碼和圖數據） ? 第9章
? 第10章
彙編級計算機組成（核心二級） ? 馮·諾伊曼機的基本組成
? ，取指、譯碼和執行
? 指令集和類型（數據處理、控制、I/O）
? 彙編/機器語言編程
? 指令格式
? 尋址模式
? 子程序調用和返回機制（參照PL/語言翻譯與執行）
? I/O和中斷
? 共享內存的多處理器/多核結構
? SIMD與MIMD簡介，Flynn分類法 ? 第1章
? 第7章
? 第12章
? 第13章
? 第17章
? 第18章
? 第20章
? 第21章
? 附錄A
存儲繫統的組織與結構（核心二級） ? 存儲繫統及其技術
? 存儲層次結構：時間和空間局部性
? 主存組成和操作
? 延遲、周期時間、帶寬和交叉
? 緩存（地址映射、塊大小、替換和存儲策略）
? 多處理器緩存一致性/使用存儲繫統的內核間同步/原子性內存操作
? 虛擬存儲器（頁表、TLB）
? 故障處理和可靠性 ? 第4章
? 第5章
? 第6章
? 第8章
? 第17章
接口與通信（核心二級） ? I/O基本原理：握手、緩衝、可編程I/O、中斷驅動的I/O
? 中斷結構：向量化和優先級、中斷確認
? 外部存儲、物理組成及驅動
? 總線：總線協議、仲裁、直接內存訪問（DMA）
? RAID體繫結構 ? 第3章
? 第6章
? 第7章
功能性組成（選修） ? 實現簡單的數據通路，包括指令流水線、冒險檢測和解決
? ：硬布線實現與微程序實現
? 指令流水線
? 指令級並行（ILP）簡介 ? 第14章
? 第16章
? 第20章
? 第21章
多處理及其他體繫結構（選修） ? SIMD和MIMD指令集與體繫結構示例
? 互聯網絡
? 共享多處理器內存繫統和內存一致性
? 多處理器緩存一致性 ? 第12章
? 第13章
? 第17章
性能提高（選修） ? 超標量體繫結構
? 分支預測、推測執行、亂序執行
? 預取
? 向量處理器和GPU
? 多線程的硬件支持
? 可擴展性 ? 第15章
? 第16章
? 第19章

本書的目標
本書是介紹計算機結構與功能的，其目標是盡可能清晰完整地介紹現代計算機繫統的性質與特點。
由於種種原因，這個任務頗具挑戰性。首先，有各種各樣的產品可以被稱作計算機，從隻的單芯片微處理器到價值數的超級計算機。多樣性不僅表現在成本方面，還表現在尺寸、性能和應用方面。其次，計算機技術的特點就是變化非常迅速，且從未停止。這些變化涉及計算機技術的方方面面，從用於構造計算機組件的底層集成電路技術，到組合這些組件時越來越多用到的並行性的概念。
盡管計算機領域不斷變化且非常多樣，但某些基本概念始終是適用的。這些概念的應用取決於技術的現狀和設計者的性價比目標。本書的目標是對計算機組成與體繫結構進行全面討論，並將它們與當代的設計問題聯繫起來。
副書名“性能設計”展示了本書采用的主題與方法。雖然獲得高性能在計算機繫統設計中一直都很重要，但這一需求從未像現在這樣強烈，也從未像這樣難以滿足。計算機繫統所有的基本性能，包括處理器速度、內存速度、內存容量和互連數據速率，都在迅速增長。而且，它們的增長速度不盡相同，很難設計一個平衡繫統來素的性能和利用率。因此，計算機設計逐漸變成了一種博弈：改變一部分的結構或功能來彌補另一部分的性能不足。我們將在本書中看到，這種博弈在許多設計決策中都發揮著作用。
和其他繫統一樣，計算機繫統由一組相互關聯的部件組成。描述繫統特性的好方式是它的結構和功能，結構是指部件的互連方式，而功能是指各個部件的操作。此外，計算機的組成是層次化的。每個主要部件都可以分解為若干主要子部件，可以描述這些子部件的結構和功能，由此進一步說明主要部件。為了清晰和易於理解，本書自上而下地描述這個層次結構：
計算機繫統：主要部件是處理器、內存、I/O。
處理器：主要部件是、寄存器、ALU和指令。
：為處理器所有部件的操作和協調提供控制信號。傳統上采用微程序實現，主要部件是控制存儲器、微指令序列邏輯和寄存器。近，微程序設計並不那麼突出了，但仍然是一種重要的實現技術。
我們的目標是在清晰明確的上下文中展示新的內容，從而盡可能地幫助讀者理解這些知識。同時，相比自下而上的方式，學生的學習積極性會更高。
在討論過程中，我們從體繫結構（機器語言程序員可見的繫統屬性）和組成（實現該體繫結構的及其互連）兩個角度來審視繫統的方方面面。
示例繫統
本書旨在使讀者了解當代繫統的設計原則和實現問題。僅有純粹的概念和理論是不夠的，為了說明概念並把它們與必須做出的實際設計選擇聯繫起來，我們選擇了兩個處理器繫列作為運行示例：
Intel x86體繫結構：非嵌入式計算機繫統中應用廣泛的體繫結構是x86。x86本質上是復雜指令集計算機（CISC），但是又具有一些精簡指令集計算機（RISC）的特點。x86繫列的成員使用了超標量和多核設計原則。x86體繫結構特性的演變為計算機體繫結構大多數設計原則的演變提供了一個獨特的研究案例。
ARM：ARM體繫結構大概是應用廣泛的嵌入式處理器，用於手機、iPod、遠程傳感器設備和許多其他設備。ARM本質上是RISC。ARM繫列的成員使用了超標量和多核設計原則。
本書中的許多例子（但不是全部）都來自這兩個計算機繫列。許多其他繫統，無論是當代的還是過去的，都體現了重要的計算機體繫結構設計特性。
本書的組織結構
本書由六個部分組成：
引言
計算機繫統
算術與邏輯
中央
並行結構（包括多核）

本書具備很多適用於教學的特色，包括使用交互式仿真和大量圖表來使討論更加清晰。每章都有關鍵詞列表、復習題、練習題以及擴展閱讀建議。本書還包括常用縮略語列表和參考文獻列表。
教師資源
教師的教輔資料可從本書的教師資源中心（IRC）獲取，可以通過出版商網站www.pearsonhighered.com/stallings訪問，也可以在本書的配套網站WilliamStallings.com/Computer-Organization上點擊“Pearson Resources for Instructors”鏈接訪問。如需訪問IRC，請通過pearsonhighered.com/educator/replocator/requestSalesRep.page與當地的Pearson銷售代表聯繫，或致電Pearson教師服務熱線1-800-526-0485。IRC提供以下資料：
項目手冊：項目資源，包括文檔和可移植的軟件，以及本前言後面列出的所有項目類別的推薦項目作業。
解題手冊：每章復習題和練習題的參考答案。
PPT：全部章節的PPT，適用於教學。
PDF文檔：本書所有的圖表文件。
題庫：每章的問題集。
樣例教學大綱：本書包含的資料多於一學期所需的量。因此，為教師提供了幾個樣例教學大綱，以指導在有限時間內如何使用本書。這些樣例都是基於教授本書第1版時的實際經驗。
配套網站WilliamStallings.com/ComputerOrganization（點擊Instructor Resources鏈接）包含如下內容：
使用本書的其他課程的網站鏈接。
Internet郵件列表的注冊信息，供使用本書的教師之間以及與作者之間進行信息、建議與問題的交流。
學生資源
在新版本中，學生可以在兩個網站上獲得大量的原始支持材料。在配套網站WilliamStallings.com/ComputerOrganization（點擊Student Resources鏈接）上，有按章節組織的相關鏈接列表和勘誤表。
購買新書的讀者可以在6個月內訪問付費內容網站，其中包含在線章節、在線附錄、家庭作業與參考答案。
後，WilliamStallings.com/StudentSupport.html上的Computer Science Student Resource Site由我維護。
項目和其他學生練習
對許多老師來說，計算機組成與體繫結構課程的一個重要組成部分是一個或多個項目，通過這些項目，學生可以獲得實踐經驗來強化從書中學到的概念。本書為此提供了相關的支持，教師可將這些項目用於教學。Prentice Hall提供的教輔資源不僅包括關於布置和構建項目的指導，還包含一組針對各種項目類型和特定任務的用戶手冊，這些都是專門為本書編寫的。教師可以針對下列各方面布置作業：
交互式仿真作業：說明見後文。
研究項目：一繫列研究任務，指導學生在互聯網上研究特定主題並撰寫報告。
仿真項目：IRC支持使用兩個仿真包—SimpleScalar可用於探索計算機組成與體繫結構設計問題；SMPCache是一個強大的教學工具，能夠檢查對稱多處理器的緩存設計問題。
彙編語言項目：使用一種簡化的彙編語言CodeBlue，提供了基於流行的Core War概念的任務。
閱讀/報告任務：論文列表，每章一篇或多篇論文，可以布置給學生閱讀並讓他們撰寫一篇簡短的報告。
寫作作業：一份寫作作業清單，幫助學習書中的內容。
題庫：包含是非題、多選題、填空題及答案。
這些多樣化的項目和練習使教師能夠使用本書豐富學生的學習體驗，也可以定制課程計劃以滿足師生的特定需求。詳情請見本書附錄A。
交互式仿真
本版的一個重要特征是結合了交互式仿真。這些仿真為理解現代計算機繫統的復雜設計特性提供了強大的工具。共有20個交互式仿真用於說明計算機組成與體繫結構設計的關鍵概念和算法。在本書的相應位置上，我們用圖標表示有相關的交互式仿真可供學生在線使用。在動畫中，用戶可以設置初始條件，因此可以作為學生作業的基礎。教師補充材料包括一組作業，每個作業對應一個動畫。每個作業都有幾個可以布置給學生的具體問題。
要訪問動畫，請點擊本書網站http://williamstallings.com/ComputerOrganization上的旋轉地球。
致謝
新版本受益於許多人的審閱，他們慷慨地貢獻了自己的時間和專業知識。以下教授和講師審閱了本書全部或大部分內容：Molisa Derk（Dickinson 州立大學），Yaohang Li （Old Dominion大學），Dwayne Ockel （Regis大學），Nelson Luiz Passos（Midwestern 州立大學），Mohammad Abdus Salam（Southern大學），Vladimir Zwass（Fairleigh Dickinson大學）。
以下專家提供了一個或多個章節的技術意見：Rekai Gonzalez Alberquilla，Allen Baum，Jalil Boukhobza，Dmitry Bufistov，Humberto Calderón，Jesus Carretero，Ashkan Eghbal，Peter Glaskowsky，Ram Huggahalli，Chris Jesshope，Athanasios Kakarountas，Isil Oz，Mitchell Poplingher，Roger Shepherd，Jigar Savla，Karl Stevens，Siri Uppalapati，Sriram Vajapeyam博士，Kugan Vivekanandarajah，Pooria M. Yaghini，Peter Zeno。
Peter Zeno撰寫了第19章中的GPGPU部分。
Appalachian 州立大學的Cindy Norris教授、New Brunswick大學的Bin Mu教授以及Alaska 大學的Kenrick Mock教授提供了家庭作業。
Massachusetts大學的Aswin Sreedhar設計了交互式仿真作業，並編寫了習題庫。
西班牙Extremadura大學的Miguel Angel Vega Rodriguez教授、Juan Manuel Sánchez Pérez教授（博士）和Juan Antonio Gómez Pulido教授（博士）編寫了指導手冊中的SMPCache問題，以及SMPCache用戶指南。
Wisconsin大學的Todd Bezenek和Lehigh大學的James Stine編寫了指導手冊中的SimpleScalar問題，Todd還編寫了SimpleScalar用戶指南。

後，我要感謝負責出版本書的諸位編輯，他們所做的工作一如既往地出色。他們來自Pearson出版集團，特別是我的編輯Tracy Johnson、她的助理Kelsey Loanes、項目經理Carole Snyder，以及生產經理Bob Engelhardt。感謝Mahalatchoumy Saravanan以及Jouve India的工作人員，他們迅速、出色地完成了生產任務。還要感謝Pearson集團的營銷人員，沒有他們的努力，這