前　言
第11版有什么新內(nèi)容
自本書第10版出版以來，計算機組成與體系結(jié)構(gòu)領域的創(chuàng)新和改進不斷。在這個新版本中，我試圖展示這些變化，同時保持對整個領域的廣泛而全面的覆蓋。為了開始這一修訂過程，許多教授和在這一領域工作的專業(yè)人士廣泛審閱了本書第10版。結(jié)果是，第11版中很多地方的敘述更加清楚和嚴謹，插圖也得到了完善。
除了這些用以提升教學效果和用戶友好性的改進之外，本書還發(fā)生了實質(zhì)性的變化。全書的章節(jié)組織和之前大致相同，但是修訂了許多內(nèi)容，并添加了一些新的內(nèi)容。最值得注意的變化如下：
多芯片模塊：現(xiàn)在廣泛使用的多芯片模塊的新討論已被添加到第1章。
SPEC基準：第2章中對SPEC的描述已經(jīng)更新，以涵蓋新的SPEC CPU2017基準套件。
存儲器層次結(jié)構(gòu)：關于存儲器層次結(jié)構(gòu)的新的一章擴展了原cache存儲器一章中的內(nèi)容，并添加了新內(nèi)容。新的第4章包括：
更新和擴展了局部性原則的覆蓋范圍。
更新和擴展了存儲器層次結(jié)構(gòu)的覆蓋范圍。
存儲器層次結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)訪問性能建模的一種新方法。
cache存儲器：cache存儲器一章已經(jīng)更新和修訂。第5章現(xiàn)在包括：
修訂和擴展了邏輯cache組織的處理方式，使用新的圖形以更加清晰。
內(nèi)容可尋址存儲器的描述。
寫入分配和無寫入分配策略的描述。
介紹cache性能建模的新的一節(jié)。
嵌入式動態(tài)隨機存取存儲器：關于內(nèi)存的第6章現(xiàn)在包括一節(jié)關注越來越流行的嵌入式動態(tài)隨機存取存儲器（eDRAM）。
高級格式4K扇區(qū)硬盤：關于外部存儲器的第7章，包括對現(xiàn)在廣泛使用的4K扇區(qū)硬盤格式的討論。
布爾代數(shù)：第12章中關于布爾代數(shù)的討論已經(jīng)用新的文稿和圖表進行了擴展，以便于理解。
匯編語言：關于匯編語言的處理已經(jīng)擴展到一整章（第15章），涵蓋更多的細節(jié)和例子。
流水線：關于流水線的討論已經(jīng)用新的文稿和圖進行了實質(zhì)性的擴展。內(nèi)容涵蓋在第16～18章的新節(jié)中。
cache一致性：第20章中對MESI cache一致性協(xié)議的討論已經(jīng)用新的文稿和圖進行了擴展。
對ACM/IEEE計算機科學與計算機工程課程的支持
本書既面向?qū)W術讀者，也面向?qū)�業(yè)讀者。作為教材，本書可以用于計算機科學、計算機工程和電氣工程專業(yè)的一學期或兩學期的本科課程。本版支持ACM/IEEE計算機科學課程指南2013（CS2013）的建議。CS2013將所有課程劃分為三類：核心一級（所有主題都應包含在課程中），核心二級（應包括所有或幾乎所有主題），選修（希望提供廣度和深度）。在體系結(jié)構(gòu)和組成（AR）領域，CS2013包括五個二級主題和三個選修主題，每個主題都有多個子主題。本書涵蓋了CS2013列出的所有八個主題。表P.1顯示了本書對CS2013 AR知識領域的覆蓋。本書也支持ACM/IEEE計算機工程課程指南2016（CE2016）。CE2016定義了計算機工程本科的必要知識體系，分為十二個知識領域。其中一個領域是計算機體系結(jié)構(gòu)和組成（CE-CAO），由十個核心知識領域組成。本書涵蓋了CE2016中列出的所有CE-CAO知識領域，表P.2顯示了覆蓋范圍。
表P.1　對CS2013體系結(jié)構(gòu)和組成（AR）知識領域的覆蓋
IAS知識單元主　題本書覆蓋章節(jié)
　數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（二級）計算機體系結(jié)構(gòu)的概述和歷史
組合與時序邏輯/現(xiàn)場可編程門陣列作為基本組合時序邏輯構(gòu)建塊
多重表示/分層的解釋（硬件只是另一層）
物理約束（門延遲、扇入、扇出、能量/功率）　第1章
　第12章
　數(shù)據(jù)的機器級表示（二級）位、字節(jié)和字
數(shù)值數(shù)據(jù)表示和數(shù)值的進制
定點與浮點系統(tǒng)
有符號和二進制補碼表示
非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（字符代碼、圖形數(shù)據(jù)）　第10章
　第11章
　匯編級機器組成（二級）馮·諾依曼機的基本結(jié)構(gòu)
控制單元；取指、譯碼和執(zhí)行
指令集和類型（數(shù)據(jù)操作、控制、I/O）
匯編/機器語言編程
指令格式
尋址模式
子程序調(diào)用和返回機制（交叉引用PL/語言翻譯和執(zhí)行）
I/O 和中斷
共享內(nèi)存多處理器/多核組織
SIMD 與 MIMD 和 Flynn 分類法簡介　第1章
　第8章
　第13章
　第14章
　第15章
　第19章
　第20章
　第21章
　存儲系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)（二級）存儲系統(tǒng)及其技術
存儲器層次：時間局部性與空間局部性
主存組成和操作
延遲、循環(huán)時間、帶寬和交叉
cache存儲器（地址映射、塊大小、替換和存儲策略）
多處理器cache一致性/使用存儲系統(tǒng)進行內(nèi)核間同步/原子內(nèi)存操作
虛擬內(nèi)存（頁表，TLB）
故障處理和可靠性　第4章
　第5章
　第6章
　第7章
　第9章
　第20章
　接口與通信（二級）I/O基礎：握手、緩沖、編程 I/O、中斷驅(qū)動 I/O
中斷結(jié)構(gòu)：向量和優(yōu)先級，中斷確認
外部存儲、物理組成和驅(qū)動器
總線：總線協(xié)議、仲裁、直接內(nèi)存訪問 （DMA）
RAID 架構(gòu)　第3章
　第7章
　第8章
　功能性組成（選修）簡單數(shù)據(jù)路徑的實現(xiàn)，包括指令流水線、冒險檢測和解析
控制單元：硬連線實現(xiàn)與微程序?qū)崿F(xiàn)
指令流水線
指令級并行性 （ILP） 簡介　第16章
　第17章
　第18章
　第19章
　多處理及其他體系結(jié)構(gòu)（選修）SIMD 和 MIMD 指令集和體系結(jié)構(gòu)示例
互連網(wǎng)絡
共享多處理器內(nèi)存系統(tǒng)和內(nèi)存一致性
多處理器緩存一致性　第20章
　第21章
　性能提升（選修）超標量架構(gòu)
分支預測、推測執(zhí)行、亂序執(zhí)行
預取
向量處理器和 GPU
多線程的硬件支持
可擴展性　第17章
　第18章
　第20章

表P.2　對CE2016體系結(jié)構(gòu)和組成（AR）知識領域的覆蓋
知識單元本書覆蓋章節(jié)知識單元本書覆蓋章節(jié)
　歷史與概覽第1章　存儲系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)第4章
第5章
第6章
第7章
　相關工具、標準和工程約束第3章　輸入/輸出接口與通信第8章
　指令集架構(gòu)第13章
第14章
第15章　外圍子系統(tǒng)第3章
第8章
　衡量性能第2章　多核/眾核架構(gòu)第21章
　計算機算術第10章
第11章　分布式系統(tǒng)架構(gòu)第20章
　處理器的組成第16章
第17章
第18章
第19章

本書目標
本書是關于計算機結(jié)構(gòu)和功能的，目的是盡可能清晰完整地展示現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的本質(zhì)和特征。
這項任務頗具挑戰(zhàn)性，原因如下。首先，有各種各樣的產(chǎn)品可以稱為計算機，從幾美元的單芯片微處理器到幾千萬美元的超級計算機。多樣性不僅表現(xiàn)在成本上，還表現(xiàn)在尺寸、性能和應用上。其次，計算機技術特征在持續(xù)不斷地快速變化。這些變化涵蓋了計算機技術的所有方面，從用于構(gòu)建計算機組件的底層集成電路技術到在組合這些組件時使用越來越多的并行組織概念。
盡管計算機領域的變化多種多樣，速度也很快，但某些基本概念始終適用。這些概念的應用取決于技術的當前狀態(tài)和設計者的性價比目標。本書的目的是對計算機組成與體系結(jié)構(gòu)基礎進行徹底討論，并將它們與當代設計問題聯(lián)系起來。
本書的副書名“性能設計”暗示了本書的主題和方法。設計計算機系統(tǒng)以實現(xiàn)高性能一直很重要，但這一要求從未像今天這樣強烈且難以滿足。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、存儲器容量和互連數(shù)據(jù)速率，都在快速增長。此外，它們正以不同的速度增長。這樣就很難設計一個平衡的系統(tǒng)來最大化所有元素的性能和利用率。因此，計算機設計逐漸變成一種博弈：改變一個領域的結(jié)構(gòu)或功能以補償另一個領域的性能不足。我們將在整本書的眾多設計決策中看到這種博弈。
與其他系統(tǒng)一樣，計算機系統(tǒng)由一組相互關聯(lián)的部件組成。描述系統(tǒng)特性的最好方式是它的結(jié)構(gòu)（指部件相互連接的方式）與功能（指單個部件的操作）。此外，計算機的組成是層次化的。通過將其分解為主要子部件并描述其結(jié)構(gòu)和功能，可以進一步描述每個主要部件。為了清晰和易于理解，本書從上到下描述了這種層次結(jié)構(gòu)：
計算機系統(tǒng)：主要部件是處理器、存儲器、輸入/輸出。
處理器：主要部件是控制單元、寄存器、算術邏輯單元和指令執(zhí)行單元。
控制單元：為所有處理器部件的操作和協(xié)調(diào)提供控制信號。傳統(tǒng)上，使用的是微程序?qū)崿F(xiàn)，其中主要部件是控制存儲器、微指令排序邏輯和寄存器。最近，微程序?qū)崿F(xiàn)已經(jīng)不那么突出，但仍然是一種重要的實現(xiàn)技術。
我們的目的是在保持上下文清晰的情況下呈現(xiàn)新內(nèi)容，從而幫助讀者理解這些知識。與自下而上的方法相比，讀者的學習積極性會更高。
在整個討論中，系統(tǒng)的各個方面都是從體系結(jié)構(gòu)（機器語言程序員可見的系統(tǒng)屬性）和組成（實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的操作單元及其互連）兩個角度來審視的。
示例系統(tǒng)
本書旨在讓讀者了解當代操作系統(tǒng)的設計原則和實現(xiàn)問題，因此，僅介紹純粹的概念或理論是不夠的。為了說明這些概念并將它們與實際設計中必須做出的選擇聯(lián)系起來，我們選擇了兩個處理器系列作為示例系統(tǒng)。
Intel x86體系結(jié)構(gòu)：非嵌入式計算機系統(tǒng)中應用最廣泛的是x86體系結(jié)構(gòu)。x86本質(zhì)上是具有某些精簡指令集計算機（RISC）特點的復雜指令集計算機 （CISC）。 x86 系列的最新成員利用了超標量和多核設計原則。x86體系結(jié)構(gòu)特性的演變?yōu)橛嬎銠C體系結(jié)構(gòu)中大多數(shù)設計原則的演變提供了一個獨特的研究案例。
ARM：ARM體系結(jié)構(gòu)可以說是使用最廣泛的嵌入式處理器，用于手機、iPod、遠程傳感器設備和許多其他設備。 ARM 本質(zhì)上是精簡指令集計算機 （RISC）。ARM系列的最新成員利用了超標量和多核設計原則。
本書中的許多示例（但不是全部）都來自這兩個計算機系列。許多其他系統(tǒng)，包括現(xiàn)代的和過去的，都體現(xiàn)了重要的計算機體系結(jié)構(gòu)設計特性。
本書的組織結(jié)構(gòu)
本書分為六個部分：
概述
計算機系統(tǒng)
算術與邏輯
指令集與匯編語言
CPU
并行組織
本書具備許多適用于教學的特色，包括使用交互式模擬和大量圖表來使討論更清晰。每章末尾都給出了關鍵詞、思考題和習題。這本書還包括一個廣泛的詞匯表和參考文獻。
教輔資源1
教師的教輔資料可從教師資源中心（IRC）獲取，可通過出版商的網(wǎng)站 www.pearson.com/stallings 訪問。要訪問 IRC，請通過 www.pearson.com/replocator 聯(lián)系當?shù)氐?Pearson 銷售代表。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，以及本前言中隨后列出的所有項目類別的推薦項目作業(yè)。
解題手冊：對章末思考題和習題的解答。
PowerPoint 幻燈片：一套涵蓋所有章節(jié)的幻燈片，適用于教學。
PDF 文件：書中的所有圖表。
試題庫：每章的問題集。
教學大綱示例：本書包含的資料多于一學期教學所需的量。因此，為教師提供了若干個教學大綱示例，以指導在有限時間內(nèi)如何使用本書。這些示例都以教授本書第1版時的真實經(jīng)驗為基礎。
學生資源
在新版本中，學生可以在網(wǎng)上獲取大量的原始支持材料。本書網(wǎng)址為www.pearson.com/stallings，包括按章組織的相關鏈接列表和勘誤表。為了幫助學生理解材料，在這個網(wǎng)站上有一組獨立的家庭作業(yè)問題和解答。學生可以通過解答這些問題，然后核對答案來增強自己對本書的理解。該網(wǎng)站還包括本書中引用的大量文件和論文。
項目和其他學生練習
對許多教師來說，計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程的一個重要組成部分是一個或一組項目，學生可以通過這些項目獲得實際經(jīng)驗來強化理解課本中的概念。本書為此提供了相關的支持，教師可通過IRC使用教輔資源，這些資源不僅包括關于布置和構(gòu)建項目的指導，而且還包括一組針對各種項目類型和特定任務的用戶手冊，所有這些都是特別為本書而寫的。教師可以針對以下各方面布置作業(yè)：
交互式模擬作業(yè)：隨后描述。
研究項目：指導學生在互聯(lián)網(wǎng)上研究特定主題并撰寫報告的一系列研究任務。
仿真項目：IRC支持使用兩個仿真包，其中SimpleScalar可用于探索計算機組成與體系結(jié)構(gòu)設計問題，SMPCache提供了一個強大的教育工具，用于檢查對稱多處理器的緩存設計問題。
匯編語言項目：使用了一種簡化的匯編語言CodeBlue，并提供了基于流行的Core Wars概念的作業(yè)。
閱讀/報告作業(yè)：每章有一份或多份論文清單，可供學生閱讀并寫一份簡短的報告。
寫作作業(yè)：用來幫助學習書中內(nèi)容的寫作作業(yè)清單。
測試庫：包括判斷題、多選題以及填空題和答案。
這些多樣化的項目和學生練習可使教師通過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具體需求。
交互式模擬
本書的一個重要特點是結(jié)合了交互式模擬。這些模擬為理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的復雜設計特征提供了有力的工具。全書共使用20個交互式模擬來說明計算機組成與體系結(jié)構(gòu)中的關鍵功能和算法。在本書中的相關位置，有一個圖標表明相關的交互式模擬可在線供學生使用。因為動畫使用戶能夠設置初始條件，所以它們可以作為學生作業(yè)的基礎。教師的補充材料包括一組作業(yè)，每個動畫一個。每個作業(yè)都包括幾個可以分配給學生的具體問題。
致謝
新版本得益于許多人的審閱，他們慷慨地貢獻了自己的時間和專業(yè)知識。以下幾位教授對整本書進行了審閱：Nikhil Bhargava（印度管理學院，德里）、James Gil de Lamadrid（鮑伊州立大學計算機科學系）、Debra Calliss（亞利桑那州立大學計算機科學與工程系）、Mohammed Anwaruddin（文特沃斯理工學院計算機科學系）、Roger Kieckhafer（密歇根理工大學電子與計算機工程系）、Paul Fortier（馬薩諸塞大學達斯茅斯分校電子與計算機工程系）、Yan Zhang
（南佛羅里達大學計算機科學與工程系）、Patricia Roden（北阿拉巴馬大學計算機科學與信息系統(tǒng)系）、Sanjeev Baskiyar（奧本大學計算機科學和軟件工程系）和Jayson Rock（威斯康星大學密爾沃基分校計算機科學系）。我特別要感謝Roger Kieckhafer教授允許我使用他課堂講稿中的一些圖形和性能模型。
還要感謝許多人，他們?yōu)橐徽禄蚨嗾绿峁┝嗽敿毜募夹g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和Peter Zeno。
美國阿巴拉契亞州立大學的Cindy Norris教授、美國新布倫瑞克大學的Bin Mu教授、美國阿拉斯加州立大學的Kenrick Mock教授好心地提供了家庭作業(yè)。
馬薩諸塞大學的Aswin Sreedhar開發(fā)了交互式模擬作業(yè)。
西班牙埃斯特雷馬杜拉大學的Miguel Angel Vega Rodriguez教授、Juan Manuel Sánchez Pérez教授、Juan Antonio Gómez Pulido教授編寫了指導手冊中的SMPCache問題，并編寫了《SMPCache用戶指南》。
威斯康星大學的Todd Bezenek和利哈伊大學的James Stine準備了指導手冊中的Simple-Scalar問題，并編寫了《SimpleScalar用戶指南》。
最后，我要感謝負責出版本書的許多人，他們所做的工作一如既