前　言Computer Organization and Design:The Hardware/Software Interface我们能体验的最美好的事物是神秘，它是所有真正的艺术和科学的源泉。 ——阿尔伯特·爱因斯坦，《我的信仰》，1930关于本书在学习计算机科学与工程时，除了掌握计算的基本原理外，还应该了解该领域的最新进展。各种计算领域中的读者应有机会学习计算机系统的组成理论，因为这是决定计算机系统的功能、性能甚至成功与否的关键。 现代计算机技术需要各种计算方面的专家，他们应对硬件和软件都有深入的理解。硬件和软件在多个层次上的相互关系成为理解计算基本原理的框架。无论你的主要兴趣是硬件还是软件，是计算机科学还是电气工程，计算机组成与设计的基本思想都是相同的。因此，本书着重展示硬件与软件的关系，并重点介绍当今计算机中的基础概念。 近年来，处理器已经由单核发展为多核，这也印证了本书自第1版就预测的发展趋势。有些程序员忽略了这一发展趋势，他们希望计算机体系结构专家、编译器设计者和芯片工程师能够帮助他们，让程序不做任何修改就可以更快或更高效地在新型处理器上运行。但是，这样的时代已经一去不返了。为了使程序运行得更快，必须将其并行化。然而，许多研究者的目标是希望程序员在编写程序时不需要考虑硬件的并行特征，这一目标要很多年才能实现。至少在下一个十年里，大多数程序员必须理解硬件/软件接口，才能编写出能在并行计算机上高效运行的程序。 本书适合以下读者：在汇编语言或逻辑设计方面只有少许经验，需要理解基本计算机组成的读者；具有汇编语言或逻辑设计的基础，需要学习如何设计计算机，或者要进一步理解计算机系统如何工作的读者。 与本书相关的另一本书有些读者可能已经熟悉作者的另一本书《Computer Architecture：A Quantitative Approach》。该书已广为流传，经常以作者姓名命名，称为“Hennessy and Patterson”（本书则常称为“Patterson and Hennessy”）。我们写该书的目的是要用坚实的工程基础和量化的性价比权衡来描述计算机体系结构的原理。我们以商用系统为例，用测量的方法来描述实际的设计经验。我们的目标是用量化的方法而不是用描述的方法学习计算机体系结构，希望这一方法有助于培养能精确理解计算机的专业人才。 　　机械工业出版社已出版了本书的第3版、第4版和第5版影印书，书名为《计算机体系结构：量化研究方法》。——编辑注本书的大多数读者并不一定要成为计算机体系结构的设计者。但是，未来软件设计人员对与软件系统协同工作的基本硬件技术的理解程度，将直接影响软件系统的性能和能效。因此，编译器设计者、操作系统设计者、数据库程序员以及其他大多数软件工程师对本书的原理必须有充分的了解。同样，硬件设计者也必须清楚地理解他们的工作对软件的相应影响。 所以，本书的内容远多于“Hennessy and Patterson”，而且进行了大量修订，以适应不同专业的读者。我们对再版“Hennessy and Patterson”时删除的大量介绍性材料的效果感到满意，这使得新版与第1版内容的重叠大大降低，本书亦如此。 第5版的变化第5版有6个主要的目标：使用运行例子的方法论证理解硬件的重要性；对前面已经提到的重要技术采用黑体的方式进行强调；对例子进行了更新，以反映从PC时代到后PC时代的发展；将I/O吞吐率方面的材料贯穿在整本书中，而不是集中在一章中；对技术内容进行了更新，以反映自2009年第4版出版以来工业界的变化；将附录和可选章节（目录中带有图标的章节）的内容放在互联网上（booksite.elsevier.com/9780124077263/index.php），而不是放在CD上，降低了本书的成本，也使该版本变成了一部电子书。 在详细介绍第5版的修订目标之前，首先看下表。该表给出了本书的主要内容，并为关注硬件和关注软件的两种读者分别进行了导读。其中，第1、4、5和6章对两种读者同等重要。第1章讨论了能耗的重要性和由其引发的处理器从单核向多核的转变，并介绍了计算机设计中的8个伟大思想。第2章对于硬件读者来说很可能是复习性材料，而对于软件读者来说则是重要的阅读材料，特别是希望深入学习编译器和面向对象编程语言的读者。第3章适合对定点运算或者浮点运算感兴趣的读者，有些读者可能不需要学习第3章。然而，我们将在本章介绍矩阵乘法运行的例子，展示如何采用子字并行方法将性能提高4倍，因此不要跳过3.6～3.8节。第4章介绍了流水线处理器。其中，4.1、4.5和4.10节给出了流水线概述，4.12节给出了进一步提高矩阵乘法运算性能的方法，这些小节对于软件设计者来说比较重要。对于硬件设计者，第4章是核心内容。另外，根据读者知识背景的不同，可以选择是否首先阅读附录C中的逻辑设计部分。最后一章是多核、多处理器和集群系统，这一章是全新的内容，因此所有读者都应该阅读。本版的重要组织结构是使许多思想的引入更加自然，例如GPU、仓储式计算机和集群系统中的关键——网络接口卡的软硬件接口。 章/附录 节 关注软件 关注硬件第1章　计算机概要与技术1.1~1.111.12(历史）第2章　指令：计算机的语言2.1~2.142.15(编译器和Java）2.16~2.202.21(历史)附录E　RISC指令集体系结构E.1～E.17第3章　计算机的算术运算3.1～3.53.6~3.8（子字并行）3.9~3.10(谬误）3.11(历史）附录B　逻辑设计基础B.1~B.13第4章　处理器4.1（引言）4.2（逻辑设计惯例）4.3~4.4（简单实现）4.5（流水线概述）4.6（流水线数据通路）4.7~4.9（冒险和异常）4.10~4.12（并行和实例）4.13（Verilog流水线控制）4.14~4.15（谬误）4.16（历史）(续)章/附录节关注软件关注硬件附录D　控制通路的硬件实现D.1~D.6第5章　大容量和高速度：开发存储器层次结构5.1~5.105.11（廉价冗余磁盘阵列） 5.12（Verilog cache控制器）5.13~5.165.17（历史）第6章　从客户端到云的并行处理器6.1~6.86.9（网络）6.10~6.146.15（历史）附录A　汇编器、链接器和SPIM仿真器A.1~A.11附录C　图形处理单元C.1~C.13仔细阅读　　有时间阅读　　作为参考　　回顾或阅读　　拓展阅读第5版的第一个目标是使用一个例子来论证理解硬件对提高性能和能效的重要性。正如前面所述，在第3章，我们采用子字并行将矩阵乘法加速4倍，在第4章通过循环展开将性能翻倍，证明了指令集并行的价值。第5章通过分块技术对cache进行优化，再次将性能翻倍。第6章通过在16个处理器上的线程级并行获得了14倍的加速比。这4种优化技术仅仅在原始的矩阵乘法例子中的C代码上增加了24行。 第二个目标是通过提早介绍计算机体系结构设计中的8个伟大思想并在整本书中明确指出它们的应用之处来帮助读者理解计算机设计的精髓。我们采用黑体文字的方式向读者提醒这8个思想的应用情况，在书中大约有100次引用。每一章中至少有7处应用这些思想的例子，并且每个思想至少被引用5次。通过并行提高性能、流水线和预测技术是引用次数最多的3个思想，紧接着是摩尔定律。第4章讲述处理器，是例子最多的一章，也是最吸引计算机设计者的一章。每一章都能找到的伟大思想是通过并行提高性能，这是近年来计算机领域中的一个重要发展方向。 第三个目标是通过例子和材料来识别计算技术从PC时代进入后PC时代的变化。因此，第1章直接介绍了平板电脑而没有介绍PC，第6章介绍了云计算的基础设施。另外，在指令集方面，我们介绍了后PC时代中个人移动设备里使用的ARM指令集，以及在PC时代和云计算中占主导地位的x86指令集。 第四个目标是将I/O吞吐率方面的材料贯穿在整本书中，而不是集中在一章中，这与第4版中将并行性贯穿全书一样，因此，本版可在1.4、4.9、5.2、5.5、5.11和6.9节中找到I/O相关的材料。我们的想法是如果不把这些内容集中在一章，则读者（和教师）能更好地学习与掌握I/O。 计算机是一个快速发展的领域，对于本书新的版本也是如此，编写新版的一个重要目的是更新技术内容。实际的例子就是反映后PC时代特点的ARM Cortex A8和Intel Core i7，其他的亮点包括新的ARMv8 64位指令集、讲解GPU特有术语的教程、组成云的仓储式计算机的内涵以及对10G以太网卡的深入理解。 为了保持纸质书的厚度及其与电子书的兼容性，我们一改以前版本的做法，将可选内容由随书CD改为网络在线的形式。 最后，我们更新了本书的所有练习题。 在对内容进行修订的同时，我们保留了以往版本中有用的元素。为使本书更好地作为参考书，我们还在新术语第一次出现时给出了定义。书中标题为“理解程序性能”部分的内容有助于读者理解程序的性能，以及如何提高性能，就像书中“硬件/软件接口”部分会帮助读者理解有关接口的权衡问题一样。“重点”部分仍然存在，以使读者看到整个“森林”而不是每一棵“树”。每章最后提供“小测验”部分的答案，帮助读者在第一时间加强对内容的理解。本版同样提供了MIPS参考数据（这是从IBM System/360“绿卡”得到的灵感），并对数据进行了更新，在编写MIPS汇编语言程序时，这应该是一个很好的参考。 教学支持　爱思唯尔（ELS）：关于本书教辅资源，使用教材的老师需通过爱思唯尔的教材网站（www.textbooks.elsevier.com）注册并通过审批后才能获取相关资源。具体方法如下：在www.textbooks.elsevier.com教材网站查找到该书后，点击“instructor manual”便可申请查看该教师手册。有任何问题，请致电010-85208853。——编辑注我们收集了大量材料供教师授课使用，包括题解、图表、幻灯片等，可从出版商处获得。如需更多信息，请访问网址：textbooks.elsevier.com/9780124077263。 结语从下面的致谢中，你可以发现我们花费了大量精力去修改本书的错误。由于本书印刷了多次，因此我们有机会做更多的校正。如果你发现有遗留的错误，请通过电子邮件与出版社联系：cod5bugs@mkp.com。 本版标志着Hennessy和Patterson自1989年以来长期合作的第二次中止。由于要管理一所世界知名的大学，Hennessy校长将不能继续承担新版本的实际编写工作。留下Patterson一人感觉自己像个总是和伙伴们一起演出的演员，突然被推到前台独自表演。所以，在致谢名单中列出的人和Berkeley的同行们在本书的撰写过程中甚至起了更大的作用。 第5版致谢在本书的每一版中，我们都非常幸运地得到了来自许多读者、评审者和其他人员的帮助。每个人的帮助都使本书更加完美。 由于第6章做了巨大的修改，因此我们对其思想和内容进行了单独的评审，并基于每位评审人的反馈意见做了修改。感谢Stanford大学的Christos Kozyrakis，他建议在集群中使用网络接口来论证I/O的软硬件接口，并对该章的组织提出了意见。还要感谢Stanford大学的Mario Flagsilk，他提供了NetFPGA NIC的细节、表格以及性能评估。另外，以下人员对本章提出了修改建议：Northeastern大学的David Kaeli、HP实验室的Partha Ranganathan、Wisconsin大学的David Wood以及Berkeley大学的同事Siamak Faridani、Shoaib Kamil、Yunsup Lee、Zhangxi Tan和Andrew Waterman。 我们要对UC Berkeley的Rimas Avizenis表示特别的感谢，他开发了不同版本的矩阵乘法程序，并提供了相应的性能数据。当我在UCLA读研究生时，我与他的父亲一起工作，能够与他一起在UCB共事是一件美好的事情。 我也要对我的长期合作伙伴——UC Berkeley的Randy Katz表示感谢。我们共同讲授研究生的计算机体系结构课程，他在开发计算机体系结构的伟大思想方面提供了很大的帮助。 感谢David Kirk、John Nickolls和他们在 NVIDIA的同事们(Michael Garland、John Montrym、Doug Voorhies、Lars Nyland、Erik Lindholm、Paulius Micikevicius、Massimiliano Fatica、Stuart Oberman、Vasily Volkov)提供了第一个深入介绍GPU的附录。再次感谢Jim Larus，他现在是EPFL计算机与通信科学学院的院长，为本书发挥了在汇编语言方面的专长，欢迎本书读者使用他所开发和维护的模拟器。 非常感谢South Carolina大学的Jason Bakos，他在第4版的基础上对本版的练习题进行了更新。第4版的练习题由以下人员编写：Perry Alexander（Kansas 大学）、Javier Bruguera（de Santiago de Compostela大学）、Matthew Farrens（California大学Davis分校）、David Kaeli（Northeastern大学）、Nicole Kaiyan（Adelaide大学）、John Oliver（Cal Poly，San Luis Obispo）、Milos Prvulovic（Georgia理工大学）和HP的Jichuan Chang、Jacob Leverich、Kevin Lim、Partha Ranganathan。 感谢Jason Bakos开发了新的幻灯片。 感谢许多教师的贡献，他们回答出版商的调查问卷、评审我们的提议、出席小组会议，并对本版的计划进行分析和反馈。他们是： 2012焦点小组：Bruce Barton（Suffolk County Community学院），Jeff Braun（Montana理工大学），Ed Gehringer（North Carolina State），Michael Goldweber（Xavier大学），Ed Harcourt（St.Lawrence大学），Mark Hill（Wisconsin大学Madison分校），Patrick Homer（Arizona大学），Norm Jouppi（HP实验室），Dave Kaeli（Northeastern大学），Christos Kozyrakis（Stanford大学），Zachary Kurmas（Grand Valley州立大学），Jae C.Oh（Syracuse大学），Lu Peng（Louisiana州立大学），Milos Prvulovic（Georgia理工），Partha Ranganathan（HP实验室），David Wood（Wisconsin大学），Craig Zilles（Illinois大学香槟分校）。 参考调查和审阅的学者：Mahmoud Abou-Nasr（Wayne州立大学），Perry Alexander（Kansas大学），Hakan Aydin（George Mason大学），Hussein Badr（New York州立大学Stony Brook分校），Mac Baker（Virginia Military学院），Ron Barnes（George Mason大学），Douglas Blough（Georgia理工），Kevin Bolding（Seattle Pacific大学），Miodrag Bolic（Ottawa大学），John Bonomo（Westminster学院），Jeff Braun（Montana理工大学），Tom Briggs（Shippensburg大学），Scott Burgess（Humboldt州立大学），Fazli Can（Bilkent大学），Warren R.Carithers（Rochester理工学院），Bruce Carlton（Mesa Community学院），Nicholas Carter（Illinois大学香槟分校），Anthony Cocchi（New York城市大学），Don Cooley（Utah州立大学），Robert D.Cupper（Allegheny学院），Edward W.Davis（North Carolina州立大学），Nathaniel J.Davis（Air Force理工学院），Molisa Derk（Oklahoma 城市大学），Derek Eager（Saskatchewan大学），Ernest Ferguson（Northwest Missouri州立大学），Rhonda Kay Gaede（Alabama大学），Etienne M.Gagnon（UQAM），Costa Gerousis（Christopher Newport大学），Paul Gillard（Newfoundland纪念大学），Michael Goldweber（Xavier大学），Georgia Grant（San Mateo学院），Merrill Hall（The Master’s 学院），Tyson Hall（Southern Adventist大学），Ed Harcourt（St.Lawrence大学），Justin E.Harlow（South Florida大学），Paul F.Hemler（Hampden-Sydney学院），Martin Herbordt（Boston大学），Steve J.Hodges（Cabrillo学院），Kenneth Hopkinson（Cornell大学），Dalton Hunkins（St.Bonaventure大学），Baback Izadi（New York州立大学New Paltz分校），Reza Jafari，Robert W.Johnson（Colorado Technical大学），Bharat Joshi（North Carolina大学Charlotte分校），Nagarajan Kandasamy（Drexel大学），Rajiv Kapadia，Ryan Kastner（California大学Santa Barbara分校），E.J.Kim（Texas A&M大学），Jihong Kim（Seoul国立大学），Jim Kirk（Union大学），Geoffrey S.Knauth（Lycoming学院），Manish M.Kochhal（Wayne州立大学），Suzan Koknar-Tezel（Saint Joseph大学），Angkul Kongmunvattana（Columbus州立大学），April Kontostathis（Ursinus学院），Christos Kozyrakis（Stanford大学），Danny Krizanc（Wesleyan 大学），Ashok Kumar，S.Kumar（Texas 大学），Zachary Kurmas（Grand Valley州立大学），Robert N.Lea（Houston大学），Baoxin Li（Arizona州立大学），Li Liao（Delaware大学），Gary Livingston（Massachusetts大学），Michael Lyle，Douglas W.Lynn（Oregon理工学院），Yashwant K Malaiya（Colorado州立大学），Bill Mark（Texas大学Austin分校），Ananda Mondal（Claflin大学），Alvin Moser（Seattle大学），Walid Najjar（California大学Riverside分校），Danial J.Neebel（Loras学院），John Nestor（Lafayette学院），Jae C.Oh（Syracuse大学），Joe Oldham（Centre学院），Timour Paltashev，James Parkerson（Arkansas大学），Shaunak Pawagi（SUNY Stony Brook分校），Steve Pearce，Ted Pedersen（Minnesota大学），Lu Peng（Louisiana州立大学），Gregory D Peterson（Tennessee大学），Milos Prvulovic（Georgia理工），Partha Ranganathan（HP实验室），Dejan Raskovic（Alaska大学Fairbanks分校），Brad Richards（Puget Sound大学），Roman Rozanov，Louis Rubinfield（Villanova大学），Md Abdus Salam（Southern大学），Augustine Samba（Kent州立大学），Robert Schaefer（Daniel Webster学院），Carolyn J.C.Schauble（Colorado州立大学），Keith Schubert（CSU San Bernardino分校），William L.Schultz，Kelly Shaw（Richmond大学），Shahram Shirani（McMaster大学），Scott Sigman（Drury大学），Bruce Smith，David Smith，Jeff W.Smith（Georgia大学，Athens），Mark Smotherman（Clemson大学），Philip Snyder（Johns Hopkins大学），Alex Sprintson（Texas A&M），Timothy D.Stanley（Brigham Young大学），Dean Stevens（Morningside学院），Nozar Tabrizi（Kettering大学），Yuval Tamir（UCLA），Alexander Taubin（Boston大学），Will Thacker（Winthrop大学），Mithuna Thottethodi（Purdue大学），Manghui Tu（Southern Utah大学），Dean Tullsen（UC San Diego分校），Rama Viswanathan（Beloit学院），Ken Vollmar（Missouri州立大学），Guoping Wang（Indiana-Purdue大学），Patricia Wenner（Bucknell大学），Kent Wilken（California大学Davis分校），David Wolfe（Gustavus Adolphus学院），David Wood（Wisconsin大学Madison分校），Ki Hwan Yum（Texas大学San Antonio分校），Mohamed Zahran（New York城市学院），Gerald D.Zarnett（Ryerson大学），Nian Zhang（South Dakota School of Mines & Technology），Jiling Zhong（Troy大学），Huiyang Zhou（Central Florida大学），Weiyu Zhu（Illinois Wesleyan大学）。 特别感谢Mark Smotherman一遍又一遍地查找本书中的技术错误和写作错误，他的工作显著地改进了这一版的质量。 还要感谢Morgan Kaufmann公司同意在Todd Green和Nate McFadden的领导下对本书进行再版，没有他们的工作，我不可能完成本书。我们还要感谢Lisa Jones和Russell Purdy，她们分别负责管理出版过程和封面设计。新封面将本版中后PC时代的内容和第1版的封面呼应了起来。 以上提到的近150名人士为本版提供了大量帮助，使之成为我们希望的最好的书。 David A.Patterson