本书以市场上主流的处理器系列为例，深入讨论了计算机组成与体系结构的基本原理和概念，包括计算机系统、运算、CPU、指令集和汇编语言、并行处理等，并讨论了如何将它们运用到当代计算机系统设计的问题中。本书作者有丰富的教学和教材编写经验，在编写上内容体系合理、讲解深入浅出、教学资源丰富。同时，本书根据技术的发展，增加了对并行结构、RISC-V等内容的介绍，使读者能够了解当前计算机架构的新变化和新发展。 本书适合作为高校计算机及相关专业作为计算机组成与体系结构相关课程的教材，也适合作为技术人员的参考书。

本书是计算机组成与体系结构方面的经典教材，主要特色体现在三个方面：一是尽可能清晰、完整地展示现代计算机系统的本质和特征；二是凝练出计算机组成与体系结构中的基础性知识并进行深入讨论，同时将这些知识与当代计算机的设计问题联系起来；三是关注计算机系统的性能特征，介绍如何从设计的角度实现高性能。要了解当代计算机系统的设计原则和实现问题，仅介绍概念或理论是不够的，因此本书以Intel x86和ARM这两个代表性的处理器系列为例，深入讨论计算机组成与体系结构的概念及实际设计中的考虑和选择。

前　言
第11版有什么新内容
自本书第10版出版以来，计算机组成与体系结构领域的创新和改进不断。在这个新版本中，我试图展示这些变化，同时保持对整个领域的广泛而全面的覆盖。为了开始这一修订过程，许多教授和在这一领域工作的专业人士广泛审阅了本书第10版。结果是，第11版中很多地方的叙述更加清楚和严谨，插图也得到了完善。
除了这些用以提升教学效果和用户友好性的改进之外，本书还发生了实质性的变化。全书的章节组织和之前大致相同，但是修订了许多内容，并添加了一些新的内容。最值得注意的变化如下：
多芯片模块：现在广泛使用的多芯片模块的新讨论已被添加到第1章。
SPEC基准：第2章中对SPEC的描述已经更新，以涵盖新的SPEC CPU2017基准套件。
存储器层次结构：关于存储器层次结构的新的一章扩展了原cache存储器一章中的内容，并添加了新内容。新的第4章包括：
更新和扩展了局部性原则的覆盖范围。
更新和扩展了存储器层次结构的覆盖范围。
存储器层次结构中数据访问性能建模的一种新方法。
cache存储器：cache存储器一章已经更新和修订。第5章现在包括：
修订和扩展了逻辑cache组织的处理方式，使用新的图形以更加清晰。
内容可寻址存储器的描述。
写入分配和无写入分配策略的描述。
介绍cache性能建模的新的一节。
嵌入式动态随机存取存储器：关于内存的第6章现在包括一节关注越来越流行的嵌入式动态随机存取存储器（eDRAM）。
高级格式4K扇区硬盘：关于外部存储器的第7章，包括对现在广泛使用的4K扇区硬盘格式的讨论。
布尔代数：第12章中关于布尔代数的讨论已经用新的文稿和图表进行了扩展，以便于理解。
汇编语言：关于汇编语言的处理已经扩展到一整章（第15章），涵盖更多的细节和例子。
流水线：关于流水线的讨论已经用新的文稿和图进行了实质性的扩展。内容涵盖在第16～18章的新节中。
cache一致性：第20章中对MESI cache一致性协议的讨论已经用新的文稿和图进行了扩展。
对ACM/IEEE计算机科学与计算机工程课程的支持
本书既面向学术读者，也面向专业读者。作为教材，本书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。本版支持ACM/IEEE计算机科学课程指南2013（CS2013）的建议。CS2013将所有课程划分为三类：核心一级（所有主题都应包含在课程中），核心二级（应包括所有或几乎所有主题），选修（希望提供广度和深度）。在体系结构和组成（AR）领域，CS2013包括五个二级主题和三个选修主题，每个主题都有多个子主题。本书涵盖了CS2013列出的所有八个主题。表P.1显示了本书对CS2013 AR知识领域的覆盖。本书也支持ACM/IEEE计算机工程课程指南2016（CE2016）。CE2016定义了计算机工程本科的必要知识体系，分为十二个知识领域。其中一个领域是计算机体系结构和组成（CE-CAO），由十个核心知识领域组成。本书涵盖了CE2016中列出的所有CE-CAO知识领域，表P.2显示了覆盖范围。
表P.1　对CS2013体系结构和组成（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（二级）计算机体系结构的概述和历史
组合与时序逻辑/现场可编程门阵列作为基本组合时序逻辑构建块
多重表示/分层的解释（硬件只是另一层）
物理约束（门延迟、扇入、扇出、能量/功率）　第1章
　第12章
　数据的机器级表示（二级）位、字节和字
数值数据表示和数值的进制
定点与浮点系统
有符号和二进制补码表示
非数值数据的表示（字符代码、图形数据）　第10章
　第11章
　汇编级机器组成（二级）冯·诺依曼机的基本结构
控制单元；取指、译码和执行
指令集和类型（数据操作、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（交叉引用PL/语言翻译和执行）
I/O 和中断
共享内存多处理器/多核组织
SIMD 与 MIMD 和 Flynn 分类法简介　第1章
　第8章
　第13章
　第14章
　第15章
　第19章
　第20章
　第21章
　存储系统的组成与体系结构（二级）存储系统及其技术
存储器层次：时间局部性与空间局部性
主存组成和操作
延迟、循环时间、带宽和交叉
cache存储器（地址映射、块大小、替换和存储策略）
多处理器cache一致性/使用存储系统进行内核间同步/原子内存操作
虚拟内存（页表，TLB）
故障处理和可靠性　第4章
　第5章
　第6章
　第7章
　第9章
　第20章
　接口与通信（二级）I/O基础：握手、缓冲、编程 I/O、中断驱动 I/O
中断结构：向量和优先级，中断确认
外部存储、物理组成和驱动器
总线：总线协议、仲裁、直接内存访问 （DMA）
RAID 架构　第3章
　第7章
　第8章
　功能性组成（选修）简单数据路径的实现，包括指令流水线、冒险检测和解析
控制单元：硬连线实现与微程序实现
指令流水线
指令级并行性 （ILP） 简介　第16章
　第17章
　第18章
　第19章
　多处理及其他体系结构（选修）SIMD 和 MIMD 指令集和体系结构示例
互连网络
共享多处理器内存系统和内存一致性
多处理器缓存一致性　第20章
　第21章
　性能提升（选修）超标量架构
分支预测、推测执行、乱序执行
预取
向量处理器和 GPU
多线程的硬件支持
可扩展性　第17章
　第18章
　第20章

表P.2　对CE2016体系结构和组成（AR）知识领域的覆盖
知识单元本书覆盖章节知识单元本书覆盖章节
　历史与概览第1章　存储系统的组成与体系结构第4章
第5章
第6章
第7章
　相关工具、标准和工程约束第3章　输入/输出接口与通信第8章
　指令集架构第13章
第14章
第15章　外围子系统第3章
第8章
　衡量性能第2章　多核/众核架构第21章
　计算机算术第10章
第11章　分布式系统架构第20章
　处理器的组成第16章
第17章
第18章
第19章

本书目标
本书是关于计算机结构和功能的，目的是尽可能清晰完整地展示现代计算机系统的本质和特征。
这项任务颇具挑战性，原因如下。首先，有各种各样的产品可以称为计算机，从几美元的单芯片微处理器到几千万美元的超级计算机。多样性不仅表现在成本上，还表现在尺寸、性能和应用上。其次，计算机技术特征在持续不断地快速变化。这些变化涵盖了计算机技术的所有方面，从用于构建计算机组件的底层集成电路技术到在组合这些组件时使用越来越多的并行组织概念。
尽管计算机领域的变化多种多样，速度也很快，但某些基本概念始终适用。这些概念的应用取决于技术的当前状态和设计者的性价比目标。本书的目的是对计算机组成与体系结构基础进行彻底讨论，并将它们与当代设计问题联系起来。
本书的副书名“性能设计”暗示了本书的主题和方法。设计计算机系统以实现高性能一直很重要，但这一要求从未像今天这样强烈且难以满足。计算机系统的所有基本性能特征，包括处理器速度、存储器速度、存储器容量和互连数据速率，都在快速增长。此外，它们正以不同的速度增长。这样就很难设计一个平衡的系统来最大化所有元素的性能和利用率。因此，计算机设计逐渐变成一种博弈：改变一个领域的结构或功能以补偿另一个领域的性能不足。我们将在整本书的众多设计决策中看到这种博弈。
与其他系统一样，计算机系统由一组相互关联的部件组成。描述系统特性的最好方式是它的结构（指部件相互连接的方式）与功能（指单个部件的操作）。此外，计算机的组成是层次化的。通过将其分解为主要子部件并描述其结构和功能，可以进一步描述每个主要部件。为了清晰和易于理解，本书从上到下描述了这种层次结构：
计算机系统：主要部件是处理器、存储器、输入/输出。
处理器：主要部件是控制单元、寄存器、算术逻辑单元和指令执行单元。
控制单元：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，微程序实现已经不那么突出，但仍然是一种重要的实现技术。
我们的目的是在保持上下文清晰的情况下呈现新内容，从而帮助读者理解这些知识。与自下而上的方法相比，读者的学习积极性会更高。
在整个讨论中，系统的各个方面都是从体系结构（机器语言程序员可见的系统属性）和组成（实现体系结构的操作单元及其互连）两个角度来审视的。
示例系统
本书旨在让读者了解当代操作系统的设计原则和实现问题，因此，仅介绍纯粹的概念或理论是不够的。为了说明这些概念并将它们与实际设计中必须做出的选择联系起来，我们选择了两个处理器系列作为示例系统。
Intel x86体系结构：非嵌入式计算机系统中应用最广泛的是x86体系结构。x86本质上是具有某些精简指令集计算机（RISC）特点的复杂指令集计算机 （CISC）。 x86 系列的最新成员利用了超标量和多核设计原则。x86体系结构特性的演变为计算机体系结构中大多数设计原则的演变提供了一个独特的研究案例。
ARM：ARM体系结构可以说是使用最广泛的嵌入式处理器，用于手机、iPod、远程传感器设备和许多其他设备。 ARM 本质上是精简指令集计算机 （RISC）。ARM系列的最新成员利用了超标量和多核设计原则。
本书中的许多示例（但不是全部）都来自这两个计算机系列。许多其他系统，包括现代的和过去的，都体现了重要的计算机体系结构设计特性。
本书的组织结构
本书分为六个部分：
概述
计算机系统
算术与逻辑
指令集与汇编语言
CPU
并行组织
本书具备许多适用于教学的特色，包括使用交互式模拟和大量图表来使讨论更清晰。每章末尾都给出了关键词、思考题和习题。这本书还包括一个广泛的词汇表和参考文献。
教辅资源1
教师的教辅资料可从教师资源中心（IRC）获取，可通过出版商的网站 www.pearson.com/stallings 访问。要访问 IRC，请通过 www.pearson.com/replocator 联系当地的 Pearson 销售代表。IRC提供以下资料：
项目手册：项目资源，包括文档和可移植的软件，以及本前言中随后列出的所有项目类别的推荐项目作业。
解题手册：对章末思考题和习题的解答。
PowerPoint 幻灯片：一套涵盖所有章节的幻灯片，适用于教学。
PDF 文件：书中的所有图表。
试题库：每章的问题集。
教学大纲示例：本书包含的资料多于一学期教学所需的量。因此，为教师提供了若干个教学大纲示例，以指导在有限时间内如何使用本书。这些示例都以教授本书第1版时的真实经验为基础。
学生资源
在新版本中，学生可以在网上获取大量的原始支持材料。本书网址为www.pearson.com/stallings，包括按章组织的相关链接列表和勘误表。为了帮助学生理解材料，在这个网站上有一组独立的家庭作业问题和解答。学生可以通过解答这些问题，然后核对答案来增强自己对本书的理解。该网站还包括本书中引用的大量文件和论文。
项目和其他学生练习
对许多教师来说，计算机组成与体系结构课程的一个重要组成部分是一个或一组项目，学生可以通过这些项目获得实际经验来强化理解课本中的概念。本书为此提供了相关的支持，教师可通过IRC使用教辅资源，这些资源不仅包括关于布置和构建项目的指导，而且还包括一组针对各种项目类型和特定任务的用户手册，所有这些都是特别为本书而写的。教师可以针对以下各方面布置作业：
交互式模拟作业：随后描述。
研究项目：指导学生在互联网上研究特定主题并撰写报告的一系列研究任务。
仿真项目：IRC支持使用两个仿真包，其中SimpleScalar可用于探索计算机组成与体系结构设计问题，SMPCache提供了一个强大的教育工具，用于检查对称多处理器的缓存设计问题。
汇编语言项目：使用了一种简化的汇编语言CodeBlue，并提供了基于流行的Core Wars概念的作业。
阅读/报告作业：每章有一份或多份论文清单，可供学生阅读并写一份简短的报告。
写作作业：用来帮助学习书中内容的写作作业清单。
测试库：包括判断题、多选题以及填空题和答案。
这些多样化的项目和学生练习可使教师通过使用本书丰富学生的学习体验，也可以定制课程计划以满足师生的具体需求。
交互式模拟
本书的一个重要特点是结合了交互式模拟。这些模拟为理解现代计算机系统的复杂设计特征提供了有力的工具。全书共使用20个交互式模拟来说明计算机组成与体系结构中的关键功能和算法。在本书中的相关位置，有一个图标表明相关的交互式模拟可在线供学生使用。因为动画使用户能够设置初始条件，所以它们可以作为学生作业的基础。教师的补充材料包括一组作业，每个动画一个。每个作业都包括几个可以分配给学生的具体问题。
致谢
新版本得益于许多人的审阅，他们慷慨地贡献了自己的时间和专业知识。以下几位教授对整本书进行了审阅：Nikhil Bhargava（印度管理学院，德里）、James Gil de Lamadrid（鲍伊州立大学计算机科学系）、Debra Calliss（亚利桑那州立大学计算机科学与工程系）、Mohammed Anwaruddin（文特沃斯理工学院计算机科学系）、Roger Kieckhafer（密歇根理工大学电子与计算机工程系）、Paul Fortier（马萨诸塞大学达斯茅斯分校电子与计算机工程系）、Yan Zhang
（南佛罗里达大学计算机科学与工程系）、Patricia Roden（北阿拉巴马大学计算机科学与信息系统系）、Sanjeev Baskiyar（奥本大学计算机科学和软件工程系）和Jayson Rock（威斯康星大学密尔沃基分校计算机科学系）。我特别要感谢Roger Kieckhafer教授允许我使用他课堂讲稿中的一些图形和性能模型。
还要感谢许多人，他们为一章或多章提供了详细的技术意见：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。
美国阿巴拉契亚州立大学的Cindy Norris教授、美国新布伦瑞克大学的Bin Mu教授、美国阿拉斯加州立大学的Kenrick Mock教授好心地提供了家庭作业。
马萨诸塞大学的Aswin Sreedhar开发了交互式模拟作业。
西班牙埃斯特雷马杜拉大学的Miguel Angel Vega Rodriguez教授、Juan Manuel Sánchez Pérez教授、Juan Antonio Gómez Pulido教授编写了指导手册中的SMPCache问题，并编写了《SMPCache用户指南》。
威斯康星大学的Todd Bezenek和利哈伊大学的James Stine准备了指导手册中的Simple-Scalar问题，并编写了《SimpleScalar用户指南》。
最后，我要感谢负责出版本书的许多人，他们所做的工作一如既

威廉·斯托林斯（William Stallings） 博士，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最佳计算机科学教材奖。他的研究兴趣包括计算机网络、通信、安全、操作系统等，曾为多种计算机和操作系统设计并实现了基于TCP/IP和OSI的协议组。

目　　录
前言
作者简介
第一部分　概述
第1章　基本概念与计算机演化　1
1.1　组成与体系结构　2
1.2　功能和结构　3
1.3　IAS计算机　11
1.4　逻辑门、存储器位元、芯片和
　　多芯片模块　17
1.5　Intel x86体系结构的演化　23
1.6　嵌入式系统　24
1.7　ARM体系结构　29
1.8　关键词、思考题和习题　34
第2章　性能问题　37
2.1　性能设计　38
2.2　多核、MIC和GPGPU　44
2.3　阿姆达尔定律和利特尔法则　45
2.4　计算机性能的基本指标　48
2.5　计算平均值　51
2.6　基准测试和SPEC　59
2.7　关键词、思考题和习题　66
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72
3.1　计算机的部件　73
3.2　计算机的功能　75
3.3　互连结构　90
3.4　总线互连　92
3.5　点对点互连　94
3.6　PCIe　99
3.7　关键词、思考题和习题　107
第4章　存储器层次结构：
　　　　局部性和性能 112
4.1　局部性原理　113
4.2　存储系统的特性　118
4.3　存储器层次结构　121
4.4　多级存储器层次结构的性能建模　128
4.5　关键词、思考题和习题　135
第5章　cache存储器　138
5.1　cache存储器的原理　139
5.2　cache的设计要素　143
5.3　Intel x86的cache组织　165
5.4　IBM z13的cache组织　168
5.5　cache的性能模型　169
5.6　关键词、思考题和习题　173
第6章　内部存储器　177
6.1　半导体主存储器　178
6.2　纠错　187
6.3　DDR DRAM　192
6.4　eDRAM　197
6.5　闪存　199
6.6　较新的非易失性固态存储器技术 202
6.7　关键词、思考题和习题　205
第7章　外部存储器　210
7.1　磁盘　211
7.2　RAID　221
7.3　固态硬盘　231
7.4　光存储器　234
7.5　磁带　240
7.6　关键词、思考题和习题　242
第8章　输入/输出　245
8.1　外部设备　247
8.2　I/O模块　249
8.3　编程式I/O　252
8.4　中断驱动式I/O　256
8.5　DMA　265
8.6　DCA　271
8.7　I/O通道和处理器　278
8.8　外部互连标准　280
8.9　IBM z13 I/O结构　283
8.10　关键词、思考题和习题　287
第9章　操作系统支持　291
9.1　操作系统概述　292
9.2　调度　303
9.3　存储器管理　309
9.4　Intel x86存储器管理　320
9.5　ARM存储器管理　325
9.6　关键词、思考题和习题　330
第三部分　算术与逻辑
第10章　数字系统　334
10.1　十进制系统　335
10.2　按位记数制系统　336
10.3　二进制系统　337
10.4　二进制数与十进制数的转换　337
10.5　十六进制表示法　340
10.6　关键词和习题　342
第11章　计算机算术运算　344
11.1　算术逻辑单元　345
11.2　整数表示　346
11.3　整数算术运算　351
11.4　浮点表示　366
11.5　浮点算术运算　374
11.6　关键词、思考题和习题　383
第12章　数字逻辑　388
12.1　布尔代数　389
12.2　门　394
12.3　组合电路　396
12.4　时序电路　414
12.5　可编程逻辑器件　423
12.6　关键词和习题　428
第四部分　指令集与汇编语言
第13章　指令集：特征和功能　432
13.1　机器指令特征　433
13.2　操作数类型　440
13.3　Intel x86和ARM数据类型　442
13.4　操作类型　445
13.5　Intel x86和ARM操作类型　458
13.6　关键词、思考题和习题　466
本章附录　小端、大端和双端　472
第14章　指令集：寻址方式和
　　　　　指令格式　476
14.1　寻址方式　477
14.2　x86和ARM寻址方式　483
14.3　指令格式　489
14.4　x86和ARM指令格式　497
14.5　关键词、思考题和习题　502
第15章　汇编语言及相关主题　506
15.1　汇编语言概念　507
15.2　运用汇编语言编程的动机　510
15.3　汇编语言元素　512
15.4　示例　518
15.5　汇编器的类型　523
15.6　汇编器　523
15.7　装载和链接　526
15.8　关键词、思考题和习题　533
第五部分　CPU
第16章　CPU的结构和功能　537
16.1　CPU组成　538
16.2　寄存器组成　539
16.3　指令周期　545
16.4　指令流水线技术　548
16.5　用于流水线的处理器结构　566
16.6　x86系列处理器　568
16.7　ARM处理器　575
16.8　关键词、思考题和习题　581
第17章　精简指令集计算机　586
17.1　指令执行特征　588
17.2　大寄存器组方案的使用　593
17.3　基于编译器的寄存器优化　598
17.4　精简指令集体系结构　600
17.5　RISC流水线技术