计算机组成与体系结构：性能设计（英文版·原书第10版）

本书以Intel x86体系结构和ARM两个处理器系列为例，将当代计算机系统性能设计问题与计算机组成的基本概念和原理紧密联系起来，介绍了当代计算机体系结构的主流技术和*新技术。

威廉·斯托林斯（William Stallings） 知名计算机图书作者，曾13次获得美国教材和学术专著作者协会颁发的年度*佳计算机科学教材奖。目前，他是一名独立顾问，为众多计算机和网络制造商、软件开发公司以及政府前沿研究机构提供服务。

第一部分　引言
第1章　基本概念和计算机演化1
1.1　组成与体系结构2
1.2　结构与功能3
1.3　计算机简史11
1.4　Intel x86体系结构的演化27
1.5　嵌入式系统29
1.6　ARM体系结构33
1.7　云计算39
1.8　关键词、复习题和练习题42
第2章　性能问题45
2.1　优化性能设计46
2.2　多核、MIC和GPGPU52
2.3　深刻理解性能的两个定律：Ahmdahl定律和Little定律53
2.4　计算机性能的基本度量56
2.5　计算均值59
2.6　基准测试和SPEC67
2.7　关键词、复习题和练习题74
第二部分　计算机系统
第3章　计算机功能与互连的顶层视图80
3.1　计算机组件81
3.2　计算机功能83
3.3　互连结构99
3.4　总线互连100
3.5　点对点互连102
3.6　PCI Express107
3.7　关键词、复习题和练习题116
第4章　高速缓存120
4.1　计算机存储系统概述121
4.2　高速缓存存储器原理128
4.3　高速缓存设计要素131
4.4　Pentium 4 高速缓存结构149
4.5　关键词、复习题和练习题152
附录4A　两级存储的性能特征157
第5章　内部存储器165
5.1　半导体主存166
5.2　纠错174
5.3　DDR DRAM180
5.4　闪存185
5.5　新的非易失性固态存储器技术187
5.6　关键词、复习题和练习题190
第6章　外部存储器194
6.1　磁盘195
6.2　RAID204
6.3　固态硬盘212
6.4　光学存储器217
6.5　磁带222
6.6　关键词、复习题和练习题224
第7章　输入/输出228
7.1　外部设备230
7.2　I/O模块232
7.3　可编程I/O235
7.4　中断驱动的I/O239
7.5　直接存储器访问248
7.6　直接高速缓存访问254
7.7　I/O通道和处理器261
7.8　外部互连标准263
7.9　IBM zEnterprise EC12 I/O系统266
7.10　关键词、复习题和练习题270
第8章　操作系统支持275
8.1　操作系统概述276
8.2　调度287
8.3　存储管理293
8.4　Intel x86存储管理304
8.5　ARM存储管理309
8.6　关键词、复习题和练习题314
第三部分　算术与逻辑
第9章　数字系统318
9.1　十进制系统319
9.2　按位记数系统320
9.3　二进制系统321
9.4　二进制与十进制的转换321
9.5　十六进制表示324
9.6　关键词和练习题326
第10章　计算机算术运算328
10.1　算术与逻辑单元329
10.2　整数表示330
10.3　整数算术运算335
10.4　浮点表示350
10.5　浮点算术运算358
10.6　关键词、复习题和练习题367
第11章　数字逻辑372
11.1　布尔代数373
11.2　门376
11.3　组合电路378
11.4　时序电路396
11.5　可编程逻辑设备405
11.6　关键词和练习题409
第四部分　中央处理单元
第12章　指令集：特点与功能412
12.1　机器指令特点413
12.2　操作数类型420
12.3　Intel x86和ARM的数据类型422
12.4　操作类型425
12.5　Intel x86和ARM的操作类型438
12.6　关键词、复习题和练习题446
附录12A　小端序、大端序和双端序452
第13章　指令集：寻址模式与格式456
13.1　寻址模式457
13.2　x86和ARM的寻址模式463
13.3　指令格式469
13.4　x86和ARM指令格式477
13.5　汇编语言482
13.6　关键词、复习题和练习题484
第14章　处理器结构与功能488
14.1　处理器组成489
14.2　寄存器组成491
14.3　指令周期496
14.4　指令流水线500
14.5　x86处理器系列517
14.6　ARM处理器524
14.7　关键词、复习题和练习题530
第15章　精简指令集计算机535
15.1　指令执行特性537
15.2　大寄存器文件的使用542
15.3　基于编译器的寄存器优化547
15.4　精简指令集架构549
15.5　RISC流水线555
15.6　MIPS R4000559
15.7　SPARC565
15.8　RISC与CISC之争570
15.9　关键词、复习题和练习题571
第16章　指令级并行与超标量处理器575
16.1　概述576
16.2　设计问题581
16.3　 Intel Core微架构591
16.4　ARM Cortex-A8596
16.5　ARM Cortex-M3604
16.6　关键词、复习题和练习题608
第五部分　并行结构
第17章　并行处理613
17.1　多处理器结构615
17.2　对称多处理器617
17.3　高速缓存一致性和MESI协议621
17.4　多线程和片上多处理器628
17.5　集群633
17.6　非均匀内存访问640
17.7　云计算643
17.8　关键词、复习题和练习题650
第18章　多核计算机656
18.1　硬件性能问题657
18.2　软件性能问题660
18.3　多核结构665
18.4　异构多核结构667
18.5　Intel Core i7-990X676
18.6　ARM Cortex-A15 MPCore677
18.7　IBM zEnterprise EC12大型机682
18.8　关键词、复习题和练习题685
第19章　通用图形处理单元688
19.1　CUDA基础689
19.2　GPU与CPU691
19.3　GPU架构概述692
19.4　Intel的Gen8 GPU701
19.5　何时把GPU当作协处理器使用704
19.6　关键词和复习题706
第六部分　控制单元
第20章　控制单元操作707
20.1　微操作708
20.2　处理器的控制714
20.3　硬布线实现724
20.4　关键词、复习题和练习题727
第21章　微程序控制729
21.1　基本概念730
21.2　微指令序列739
21.3　微指令执行745
21.4　TI 8800755
21.5　关键词、复习题和练习题766
附录A　计算机组成与体系结构教学项目768
附录B　汇编语言与相关主题774
参考文献800

Contents

Foreword xiii Preface xv About the Author xxiii
PART ONE INTRODUCTION 1
Chapter.1 Basic Concepts and Computer Evolution 1
1.1 Organization and Architecture 2
1.2 Structure and Function 3
1.3 A Brief History of Computers 11
1.4 The Evolution of the Intel x86 Architecture 27
1.5 Embedded Systems 29
1.6 Arm Architecture 33
1.7 Cloud Computing 39
1.8 Key Terms, Review Questions, and Problems 42
Chapter.2 Performance Issues 45
2.1 Designing for Performance 46
2.2 Multicore, Mics, and GPGPUs 52
2.3 Two Laws that Provide Insight:Ahmdahl’s Law and Little’s Law 53
2.4 Basic Measures of Computer Performance 56
2.5 Calculating the Mean 59
2.6 Benchmarks and Spec 67
2.7 Key Terms, Review Questions, and Problems 74
PART TWO THE COMPUTER SYSTEM 80
Chapter.3 A Top-Level View of Computer Function and Interconnection 80
3.1 Computer Components 81
3.2 Computer Function 83
3.3 Interconnection Structures 99
3.4 Bus Interconnection 100
3.5 Point-to-Point Interconnect 102
3.6 PCI Express 107
3.7 Key Terms, Review Questions, and Problems 116
Chapter.4 Cache Memory 120
4.1 Computer Memory System Overview 121
4.2 Cache Memory Principles 128
4.3 Elements of Cache Design 131
4.4 Pentium 4 Cache Organization 149
4.5 Key Terms, Review Questions, and Problems 152
Appendix 4A Performance Characteristics of Two-Level Memories 157
Chapter.5 Internal Memory 165
5.1 Semiconductor Main Memory 166
5.2 Error Correction 174
5.3 DDR DRAM 180
5.4 Flash Memory 185
5.5 Newer Nonvolatile Solid-State Memory Technologies 187
5.6 Key Terms, Review Questions, and Problems 190
Chapter.6 External Memory 194
6.1 Magnetic Disk 195
6.2 RAID 204
6.3 Solid State Drives 212
6.4 Optical Memory 217
6.5 Magnetic Tape 222
6.6 Key Terms, Review Questions, and Problems 224
Chapter.7 Input/Output 228
7.1 External Devices 230
7.2 I/O Modules 232
7.3 Programmed I/O 235
7.4 Interrupt-Driven I/O 239
7.5 Direct Memory Access 248
7.6 Direct Cache Access 254
7.7 I/O Channels and Processors 261
7.8 External Interconnection Standards 263
7.9 IBM zEnterprise EC12 I/O Structure 266
7.10 Key Terms, Review Questions, and Problems 270
Chapter.8 Operating System Support 275
8.1 Operating System Overview 276
8.2 Scheduling 287
8.3 Memory Management 293
8.4 Intel x86 Memory Management 304
8.5 Arm Memory Management 309
8.6 Key Terms, Review Questions, and Problems 314
PART THREE ARITHMETIC AND LOGIC 318
Chapter.9 Number Systems 318
9.1 The Decimal System 319
9.2 Positional Number Systems 320
9.3 The Binary System 321
9.4 Converting Between Binary and Decimal 321
9.5 Hexadecimal Notation 324
9.6 Key Terms and Problems 326
Chapter.10 Computer Arithmetic 328
10.1 The Arithmetic and Logic Unit.329
10.2 Integer Representation 330
10.3 Integer Arithmetic 335
10.4 Floating-Point Representation 350
10.5 Floating-Point Arithmetic 358
10.6 Key Terms, Review Questions, and Problems 367
Chapter.11 Digital Logic 372
11.1 Boolean Algebra 373
11.2 Gates 376
11.3 Combinational Circuits 378
11.4 Sequential Circuits 396
11.5 Programmable Logic Devices 405
11.6 Key Terms and Problems 409
PART FOUR THE CENTRAL PROCESSING UNIT.412
Chapter.12 Instruction Sets: Characteristics and Functions 412
12.1 Machine Instruction Characteristics 413
12.2 Types of Operands 420
12.3 Intel x86 and ARM Data Types 422
12.4 Types of Operations 425
12.5 Intel x86 and ARM Operation Types 438
12.6 Key Terms, Review Questions, and Problems 446

Appendix 12A Little-, Big-, and Bi-Endian 452

Chapter.13 Instruction Sets:Addressing Modes and Formats 456
13.1 Addressing Modes 457
13.2 x86 and ARM Addressing Modes 463
13.3 Instruction Formats 469
13.4 x86 and ARM Instruction Formats 477
13.5 Assembly Language 482
13.6 Key Terms, Review Questions, and Problems 484
Chapter.14 Processor Structure and Function 488
14.1 Processor Organization 489
14.2 Register Organization 491
14.3 Instru

第10版的新内容
自本书第9版出版以来，本领域创新和改进不断。在新版本中，我试着反映这些变化，并保持对整个领域广泛而全面的覆盖。为了本次修订，我们对第9版进行了广泛审阅，审阅者是讲授这些主题的教授和在本领域工作的专业人士。因此，全书进一步明晰或改进了许多地方的描述，也完善了插图。
除了这些用以提升教学效果和用户友好性的改动外，本书还有一些实质性的变化。全书的章节组织仍然和以前大致相同，但修订了许多资料，并添加了新资料。最值得注意的变化如下：
GPGPU（图形处理单元（GPU）上的通用计算）：近年来最重要的新发展之一就是GPGPU的广泛使用，它与传统的CPU协作，以处理涉及大量数据的各种应用程序。书中新增加了一章专门讨论GPGPU。
异构多核处理器：多核架构的最新发展是异构多核处理器。多核处理器一章中添加了新的一节，考察了各种类型的异构多核处理器。
嵌入式系统：对第1章中的嵌入式系统概述部分做了大幅修订和扩充，以反映嵌入式技术的现状。
微控制器：就数量而言，当前我们所使用的几乎所有计算机都是嵌入式微控制器。第1章中的嵌入式系统部分现在包括微控制器。全书以ARM Cortex-M3微控制器为例贯穿始终。
云计算：新增了对云计算的讨论，第1章对其进行了概述，第17章进行了更详细的阐述。
系统性能：修订、扩充和重组了关于系统性能问题的部分，以使其显得更加清晰和透彻。第2章专门讨论了这个主题，而且系统性能问题将贯穿全书。
闪存：更新和扩充了闪存部分，现在包含对内存（第5章）与外存（第6章）闪存技术与组成的讨论。
非易失性RAM：本版添加的内容是三种重要的新非易失性固态RAM技术—STT-RAM、PCRAM和ReRAM，它们位于存储器层次结构中的不同位置。
直接缓存访问（DCA）：为了满足高速网络连接的协议处理需求，Intel和其他制造商开发了DCA技术，它提供的吞吐量远远高于传统的直接内存访问（DMA）方法。作为新内容，第7章对DCA进行了详细讨论。
Intel酷睿微架构：与上一版相同，Intel x86系列自始至终都作为主要的示例系统。我们更新了这部分内容以反映新的Intel系统，尤其是Intel酷睿微架构，它用于PC和服务器产品。
家庭作业：增加了家庭作业的数量，这些作业都配有参考答案，可供学生练习。
对ACM/IEEE计算机科学课程指南 2013的支持
本书既适合学术读者，也适合专业读者。作为一本教科书，它可以用于计算机科学、计算机工程和电气工程专业的一学期或两学期的本科课程。这一版旨在支持ACM/IEEE计算机科学课程指南 2013（CS2013）的建议。CS2013把所有课程划分为三类：核心一级（所有的主题都应包含在课程中），核心二级（应包含所有或几乎所有的主题），选修（希望提供广度和深度）。在体系结构和组成（AR）部分，CS2013包括五个核心二级主题和三个选修主题，每个主题又有多个子主题。本书涵盖了CS2013列出的所有八个主题。表P.1给出了本教材对AR知识领域提供的支持。
表P.1　对CS2013 AR知识领域的覆盖
IAS知识单元主题本书覆盖章节
数字逻辑与数字系统（核心二级） ” 计算机体系结构概述与历史
” 组合或时序逻辑/现场可编程门阵列作为基本的组合+时序逻辑构建模块
” 多种表示/分层的解释（硬件仅仅是另外一层）
” 物理约束（门延迟、扇入、扇出、能耗/功率） ” 第1章
” 第11章
数据的机器级表示（核心二级） ” 位、字节和字
” 数值数据的表示和数值的进制
” 定点和浮点系统
” 有符号和补码表示
” 非数值数据的表示（字符编码和图数据） ” 第9章
” 第10章
汇编级计算机组成（核心二级） ” 冯·诺依曼机的基本组成
” 控制单元；取指、译码和执行
” 指令集和类型（数据处理、控制、I/O）
” 汇编/机器语言编程
” 指令格式
” 寻址模式
” 子程序调用和返回机制（参照PL/语言翻译与执行）
” I/O和中断
” 共享内存的多处理器/多核结构
” SIMD与MIMD简介，Flynn分类法 ” 第1章
” 第7章
” 第12章
” 第13章
” 第17章
” 第18章
” 第20章
” 第21章
” 附录A
存储系统的组织与结构（核心二级） ” 存储系统及其技术
” 存储层次结构：时间和空间局部性
” 主存组成和操作
” 延迟、周期时间、带宽和交叉
” 缓存（地址映射、块大小、替换和存储策略）
” 多处理器缓存一致性/使用存储系统的内核间同步/原子性内存操作
” 虚拟存储器（页表、TLB）
” 故障处理和可靠性 ” 第4章
” 第5章
” 第6章
” 第8章
” 第17章
接口与通信（核心二级） ” I/O基本原理：握手，缓冲，可编程I/O，中断驱动的I/O
” 中断结构：向量化和优先级，中断确认
” 外部存储，物理组成和驱动
” 总线：总线协议，仲裁，直接内存访问（DMA）
” RAID体系结构 ” 第3章
” 第6章
” 第7章
功能性组成（选修） ” 实现简单的数据通路，包括指令流水线，冒险检测和解决
” 控制单元：硬布线实现与微程序实现
” 指令流水线
” 指令级并行（ILP）简介 ” 第14章
” 第16章
” 第20章
” 第21章
多处理及其他体系结构（选修） ” 举例介绍SIMD和MIMD指令集与体系结构
” 互联网络
” 共享多处理器