計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法

　　為什么我們寫這本書在本書的三個(gè)版本中，我們的目標(biāo)一直是描述揭示未來科技發(fā)展方向的基本原理。我們關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱情沒有消退，正如同我們從第一版開始就不斷重復(fù)的那樣：“這絕不是無聊的紙上談兵式的計(jì)算機(jī)科學(xué)：這個(gè)學(xué)科閃耀著奪目的智慧火花，還需要平衡市場購買力和性能價(jià)格比，它可能導(dǎo)致巨大的失敗，也可能帶來偉大的成功?！痹趯懙谝话鏁r(shí)，我們的主要目標(biāo)是改變?nèi)藗儗W(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法。我們感到這個(gè)目標(biāo)依然重要。這是一個(gè)日新月異的領(lǐng)域，我們必須研究實(shí)際的例子，評(píng)估實(shí)際的機(jī)器，而不是僅僅給出一堆毫無必要的定義和設(shè)計(jì)。我們在此熱烈地歡迎那些從一開始就和我們在一起的人們，同時(shí)也熱烈歡迎現(xiàn)在加入到我們中間的人們。自始至終我們都將用定量的方法對(duì)真實(shí)的機(jī)器進(jìn)行分析。和前幾個(gè)版本一樣，我們努力編寫這個(gè)新版本，使其既適用于專業(yè)的工程師和設(shè)計(jì)者，也適用于學(xué)習(xí)高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)課程的人士。同樣，這一版將致力于通過強(qiáng)調(diào)價(jià)格和性能的綜合考慮以及良好的工程設(shè)計(jì)，來闡明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。我們相信這個(gè)領(lǐng)域在不斷地成熟，正在成為精確量化長期建立的科學(xué)和工程理論的基礎(chǔ)。在我們199年的第一版和1996年的第二版中描述的理論能夠成功地應(yīng)用于揭示現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的狀況，這使我們得到了莫大的滿足。我們期望在未來的幾十年中，讀者能夠應(yīng)用這本書中的基本理論得到同樣滿意的結(jié)果。關(guān)于第三版本書的第三版本來應(yīng)該是很容易寫的：和前兩個(gè)版本相同，我們的量化研究方法沒有改變，我們的著眼點(diǎn)還是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的基本原理。和第二版一樣，書中的例子已經(jīng)進(jìn)行了更新。但這個(gè)領(lǐng)域中日新月異的進(jìn)展和新出現(xiàn)的市場，以及和這些市場相關(guān)的方法，使得我們幾乎重寫了整本書。在第二版發(fā)行后的六年里，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直沒有減緩過。當(dāng)編寫第二版的時(shí)候，我們就發(fā)現(xiàn)有許多的新概念需要介紹，還有一些材料應(yīng)該有更基本的定位。我們的系列叢書從本書的第一版開始，接著是“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”（《計(jì)算機(jī)組織與設(shè)計(jì)：硬件/軟件接口》），然后是本書和“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”的第二版，現(xiàn)在出的本書第三版，已經(jīng)是我們系列叢書中的第五本了。一些過時(shí)的概念被移到了“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”這本書或者本書的附錄中。這和我們的目標(biāo)是一致的，即在最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)環(huán)境中介紹概念。所以，本書第二版中只有少量有意義的部分被保留，而第一版中幾乎所有內(nèi)容都已經(jīng)被替換了?？赡茏钭屛覀兂泽@的是，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)被分成了彼此相關(guān)但又有不同的三個(gè)市場部分，每一部分都有自己獨(dú)特的需求。在本書的第一版和第二版中介紹的性能價(jià)格比主題內(nèi)容仍然能夠很好地說明臺(tái)式計(jì)算機(jī)部分。另外兩個(gè)新的部分是嵌入式計(jì)算機(jī)和服務(wù)器，為了反映這些變化，這一版做了兩點(diǎn)比較大的改動(dòng)：第一點(diǎn)，我們拓展了標(biāo)準(zhǔn)化的成功這一方面的內(nèi)容；第二點(diǎn)，我們加入了一個(gè)稱為“其他視角：……”的新部分，用視頻游戲、數(shù)碼相機(jī)和可視電話等材料補(bǔ)充了各章的“綜合：……”主題中的傳統(tǒng)例子。和臺(tái)式機(jī)相比，嵌入式計(jì)算機(jī)更加關(guān)注低能耗。通常情況下，它們只用來運(yùn)行單個(gè)程序，采用電池供電，沒有主動(dòng)制冷機(jī)制，對(duì)能量的利用率要求非常嚴(yán)格。為了闡述嵌入式處理器方面的內(nèi)容，我們增加了一些內(nèi)容，例如采用EEMBC標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)測系統(tǒng)的性能，還有多媒體處理器和DSP指令集的一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。附錄中包含了關(guān)于最流行的嵌入式指令集結(jié)構(gòu)的材料，本書中還包括了平衡性能和能耗的一些方法，介紹了兩個(gè)強(qiáng)調(diào)低能耗的例子：Transmeta和低能耗MIPS處理器，還提到了嵌入式系統(tǒng)的一些例子，包括PlayStation-2視頻游戲機(jī)、Sanyo數(shù)碼相機(jī)以及Nokia移動(dòng)電話。臺(tái)式機(jī)強(qiáng)調(diào)性能，服務(wù)器則不同，它更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和吞吐量。通常情況下，這種系統(tǒng)包含多個(gè)處理器和多塊磁盤。本書解釋了可靠性的概念，給出了很難得的組件故障率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。除了評(píng)測處理器性能的SPEC2基準(zhǔn)測試，我們還介紹了文件服務(wù)器的TPC數(shù)據(jù)庫基準(zhǔn)測試以及SPEC基準(zhǔn)測試。本書中介紹的服務(wù)器處理器的例子包括Intel的IA-64處理器和Sun的UltraSPARCIII處理器，服務(wù)器系統(tǒng)的例子包括SunFire68，SunWildfire，EMCSymmetrix，EMCCelerra，Google集群計(jì)算機(jī)和IBM事務(wù)處理集群計(jì)算機(jī)。在第三版中，我們繼續(xù)采用真實(shí)世界的例子來說明我們的思想。另外，“綜合：……”部分的例子是1%新增的。這部分包括MIPS64指令集結(jié)構(gòu)，IntelPentiumIII和Pentium4的流水線組織，IntelIA-64結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)（microarchitecture），Alpha21264存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，SunWildfire多處理器，EMCSymmetrix存儲(chǔ)陣列，EMECelerra文件服務(wù)器和Google搜索引擎?！捌渌暯牵骸辈糠纸榻B了真實(shí)世界中的嵌入式處理器和服務(wù)器，包括TrimediaTMS多媒體處理器，PowerPC多線程處理器，SonyPlaystation-2上動(dòng)畫引擎的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，SunFire68/UltraSPARCIII存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，EmpowerTelMXP嵌入式多處理器，Sanyo數(shù)碼相機(jī)和Nokia移動(dòng)電話。根據(jù)讀者的建議，我們改進(jìn)了練習(xí)部分。所有的練習(xí)都經(jīng)過了復(fù)查，減少了不明確的地方，去掉了不合適的題目，同時(shí)我們還加入了許多新的習(xí)題。應(yīng)許多讀者的要求，我們在附錄B中給出了部分習(xí)題的答案。為了方便讀者的閱讀，我們加入了一些比較新的特性。例如，我們用流行的64位MIPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)代替了假想的32位DLX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭褂矛F(xiàn)有的軟件顯然比我們另外開發(fā)并維護(hù)自己的編譯器更有意義。在附錄中我們包含了數(shù)十種指令集結(jié)構(gòu)的描述，還包括了它們的基本教程、流水線的簡單介紹以及向量處理器和浮點(diǎn)運(yùn)算算法。論題的選擇和組織就如同從前一樣，我們采用保守的方法進(jìn)行論題的選擇，由于在這個(gè)領(lǐng)域中有太多有意義的想法，超過了基本理論所能夠覆蓋的范圍。我們沒有去全面綜述每種結(jié)構(gòu)，而是把我們的論述集中在任何新機(jī)器中都可能涉及到的核心概念。關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是選擇那些已經(jīng)成功地經(jīng)受了考驗(yàn)并得到了充分的應(yīng)用，同時(shí)能夠使用定量的術(shù)語進(jìn)行討論的觀點(diǎn)。我們確定是否選擇一個(gè)新論題時(shí)，所遇到的第一個(gè)困難就是由于某些論題已經(jīng)發(fā)展得更為重要，原來只需要幾頁篇幅的描述，而現(xiàn)在幾頁根本不能說明問題。第二個(gè)困難是某些以前我們沒有包括進(jìn)來的論題已經(jīng)成長為需要基于我們的定量標(biāo)準(zhǔn)和它們成功的市場表現(xiàn)進(jìn)行討論的主題了。為了討論這些新的材料，我們減少了介紹性知識(shí)所占的比例，并且假定讀者了解“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”這本書中的介紹性概念。考慮到對(duì)流水線不熟悉的讀者，我們在附錄A中包括了對(duì)流水線的基本介紹（如果讀者想要更深入地了解流水線的基本知識(shí)，請(qǐng)參閱“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”一書）。我們的目的一直都是盡力提供從其他類似來源不能獲得的材料，所以我們在可能的時(shí)候就會(huì)重點(diǎn)介紹一些高級(jí)內(nèi)容。實(shí)際上有幾個(gè)本書中全面介紹的系統(tǒng)，其他文獻(xiàn)中是找不到相關(guān)描述的。內(nèi)容概述第1章主要講計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本量化原理和性能的評(píng)測方法。這一章指出了技術(shù)的作用和影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)價(jià)格的因素。本章總結(jié)了臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器和嵌入式計(jì)算機(jī)市場中的性能評(píng)測和性價(jià)比評(píng)測，同時(shí)考慮了嵌入式處理器的能量利用率。第2章包括了指令集設(shè)計(jì)的基本原理和示例。本章除了給出基于SPEC2基準(zhǔn)測試的指令集使用量化數(shù)據(jù)，還介紹了貫穿全書的MIPS64系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這個(gè)版本中新加入了數(shù)字信號(hào)處理器的原理，包括其基本功能和評(píng)測方法。這一章還介紹了現(xiàn)代編譯器的結(jié)構(gòu)，講述了它們?nèi)绾斡绊憘鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)，DSP和多媒體擴(kuò)展指令集的功能。同時(shí)給出了一個(gè)和多媒體處理器對(duì)照的例子：TrimediaTM52，這個(gè)處理器的指令集混合了多媒體指令和MIPS指令。附錄C到G擴(kuò)展了這一章的內(nèi)容，加入了十幾種流行的指令集。第3章和第4章主要介紹高性能處理器中的指令級(jí)并行技術(shù)，包括超標(biāo)量技術(shù)、分支預(yù)測、猜測執(zhí)行、動(dòng)態(tài)調(diào)度以及相關(guān)的編譯器技術(shù)。這些技術(shù)發(fā)展非常迅速，盡管我們用了57頁的附錄（附錄A，以第二版第3章為基礎(chǔ)），我們?nèi)匀恍枰脙烧碌钠鶃斫榻B一些相對(duì)高級(jí)的內(nèi)容。這一版的第3章主要描述基于硬件的指令級(jí)并行技術(shù)，而第4章把重點(diǎn)放在了與之相關(guān)的編譯技術(shù)上。第3章用IntelPentium系列處理器作為主要示例，而第4章的示例采用IntelIA-64架構(gòu)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)版本：Itanium。第5章首先介紹了cache的基本原理，然后討論了現(xiàn)在比較有挑戰(zhàn)性的問題：存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了傳統(tǒng)的例子，例如Alpha21264，AMDAthlon，IntelPentiumIII和Pentium4以外，這一章還介紹了SonyPlaystation-2視頻游戲機(jī)上的動(dòng)畫引擎和使用UltraSPARCIII處理器的SunFire68服務(wù)器的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)。書中描述了應(yīng)用帶寬優(yōu)化技術(shù)的DRAM芯片，例如RAMBUS，并分析了它們的性價(jià)比。另外，這一章還包括了臺(tái)式機(jī)cache的SPEC2基準(zhǔn)測試性能數(shù)據(jù)，以及cache在多媒體和服務(wù)器應(yīng)用程序中的性能。第6章討論了多處理器系統(tǒng)，重點(diǎn)放在共享內(nèi)存的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上。這一章開頭討論了在線程級(jí)并行層次上不同應(yīng)用領(lǐng)域的特性，然后討論了對(duì)稱和分布式內(nèi)存結(jié)構(gòu)的基本組織原理和性能。這一章的基本論題是同步、內(nèi)存一致性模型和多線程（包括并發(fā)多線程）。另外，本章還討論并分析了采用分布式內(nèi)存結(jié)構(gòu)擴(kuò)展對(duì)稱式結(jié)構(gòu)的SunWildfire設(shè)計(jì)。第7章講述存儲(chǔ)系統(tǒng)，本章進(jìn)行了極為可觀的修訂，增加了可靠性和實(shí)用性方面的內(nèi)容、RAID的基本介紹、可用性基準(zhǔn)測試和難得的實(shí)際系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這一章提供了隊(duì)列理論的介紹和I/O性能的基準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)。除了對(duì)傳統(tǒng)總線的介紹外，還介紹了嵌入式總線和服務(wù)器總線。這一章后面部分描述的5個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，通過越來越實(shí)際的性能要求對(duì)一個(gè)I/O系統(tǒng)不斷進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行了平均故障時(shí)間的評(píng)估。EMC提供了把這些都綜合在一起的實(shí)例，這是這些系統(tǒng)相關(guān)文檔的首次公布。本章對(duì)數(shù)碼相機(jī)的剖析使得讀者能夠從嵌入式的視角對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行理解和研究，同時(shí)從歷史的角度給出了最真切的RAID系統(tǒng)發(fā)展和普及的歷程。第8章的目標(biāo)是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度介紹網(wǎng)絡(luò)。由于該領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，因此重點(diǎn)介紹概念和基本原理。本章開頭提供了一個(gè)通用的框架，給出了在各種情況下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本思想，包括局域網(wǎng)、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)，并對(duì)因特網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。本章的后半部分深入探討了集群技術(shù)及其在科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)庫程序方面的應(yīng)用，還詳細(xì)討論了集群系統(tǒng)的性價(jià)比，包括了機(jī)房和網(wǎng)絡(luò)帶寬的價(jià)格。最后通過對(duì)Google搜索引擎使用的集群系統(tǒng)的討論，總結(jié)了這一章的內(nèi)容。本書的附錄編號(hào)從A到I。附錄A是流水線基本概念的指南，對(duì)流水線不熟悉的讀者應(yīng)該在讀第3章、第4章之前先閱讀附錄A，了解一下流水線的基本知識(shí)。附錄B是部分練習(xí)題的解答。附錄C更新了第二版中RISC附錄的內(nèi)容，加入了64位Alpha，MIPS，PowerPC和SPARC及其多媒體擴(kuò)展指令的描述，同時(shí)該附錄中還包括了流行的嵌入式指令集，例如ARM，Thumb，SuperH，MIPS16和MitsubishiM32R。附錄D介紹了8x86系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。附錄E和附錄F分別對(duì)應(yīng)兩種在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史上有一定意義的結(jié)構(gòu)，它們是VAX（附錄E）和IBM36/37（附錄F）。附錄G包含了更新過的一些向量處理器的知識(shí)。附錄H描述計(jì)算機(jī)算法，附錄I則介紹了一致性協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，本書紙介版本附錄C到I只給出其標(biāo)題，具體內(nèi)容請(qǐng)到www.mkp.com/CA3瀏覽或下載。總體上說，這個(gè)版本有7%的內(nèi)容是新的。如果不包含聯(lián)機(jī)的附錄，那么第三版比第一版長1%，如果包含網(wǎng)上的在線附錄，那么第三版比第一版長3%。內(nèi)容導(dǎo)讀對(duì)于本書其實(shí)并沒有一個(gè)最好的閱讀順序。我們編寫這本書的時(shí)候，就已經(jīng)考慮到要保證讀者能夠按照多種順序來閱讀這本書。本書中有一些章節(jié)需要按照一定先后順序閱讀：：第2章、第3章、第4章和第7章、第8章這幾章。讀者應(yīng)該從第1章開始閱讀，在閱讀第6章之前先閱讀第5章。如果需要了解附錄C、附錄D、附錄E、附錄F和附錄H的內(nèi)容，應(yīng)該在第2章之前閱讀。如果讀者準(zhǔn)備閱讀附錄A，那么應(yīng)該在第3章、第4章之前進(jìn)行。附錄G的內(nèi)容和第3章、第4章的內(nèi)容形成了很有趣的對(duì)照：建議穿插閱讀。雖然有很多閱讀的方法，但我們還是建議讀者采用如下兩種主要的閱讀方法：1.由內(nèi)到外（Insideout）。這種方法的指導(dǎo)思想是：處理器設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，與處理器無關(guān)的章節(jié)只有在時(shí)間充足的情況下才去閱讀。先從第1章開始，然后是處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（第2章、第3章和第4章）、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)（第5章），接著是多處理器（第6章）和存儲(chǔ)系統(tǒng)（第7章），最后是網(wǎng)絡(luò)和集群（第8章）。2.由外到內(nèi)（Outsidein）。這種方法的指導(dǎo)思想是：當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有挑戰(zhàn)性的問題都在處理器之外，處理器內(nèi)部的知識(shí)只有在時(shí)間充足的情況下才去閱讀。先從第1章開始，然后是存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)（第5章）、多處理器（第6章）、存儲(chǔ)系統(tǒng)（第7章）、網(wǎng)絡(luò)和集群系統(tǒng)（第8章），最后用指令集和流水線來進(jìn)行總結(jié)（第2章、第3章和第4章）。章節(jié)結(jié)構(gòu)和習(xí)題每個(gè)章節(jié)中，所有的內(nèi)容都按照相同的模式組織。在每一章的開始我們引入該章的主要論題。然后是相關(guān)問題部分，主要講述這章中所涉及的思想是如何和其他章節(jié)中的思想相互影響相互作用的。接著是“綜合：……”部分，描述了如何將這些思想應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)器，并且由此來組織這些思想。接下來是“其他視角：……”部分，這是第三版的新特性，通過實(shí)際的嵌入式或者服務(wù)器系統(tǒng)的例子使讀者對(duì)本章的內(nèi)容有新的認(rèn)識(shí)。下一個(gè)部分是謬誤和易犯的錯(cuò)誤部分，主要目的是使讀者能夠從其他人的錯(cuò)誤中得到教訓(xùn)。我們指出了通常存在的誤解和非常難以避免的結(jié)構(gòu)上的陷阱，力圖使讀者對(duì)這些攔路虎保持警惕。每一章的最后是結(jié)論、歷史回顧和參考文獻(xiàn)幾部分，對(duì)這些章節(jié)中所提到的思想給出評(píng)價(jià)并對(duì)這些發(fā)明創(chuàng)造的歷史背景進(jìn)行介紹。我覺得這就像是一部計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的戲劇一樣。參考文獻(xiàn)是為了方便學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的學(xué)生進(jìn)行查找。如果讀者有時(shí)間，我們推薦閱讀一些本書提到的領(lǐng)域中的經(jīng)典論文。從原創(chuàng)作者那里直接體驗(yàn)這些思想是非常有樂趣和教育意義的。謬誤和易犯的錯(cuò)誤以及歷史回顧是前兩個(gè)版本中最受歡迎的部分。本書每章后面都有習(xí)題，總共有超過2道習(xí)題。每個(gè)習(xí)題號(hào)后面的括號(hào)中都會(huì)指出回答該問題所需要閱讀的主要相關(guān)章節(jié)。我們希望這能夠幫助讀者避免做那些還沒有閱讀相應(yīng)章節(jié)的練習(xí)，同時(shí)這也提供了評(píng)判結(jié)果合理與否的參考內(nèi)容。注意對(duì)于標(biāo)有量號(hào)（★）的題目，我們在附錄B中給出了解答。我們還將習(xí)題分類，估計(jì)了各個(gè)問題可能需要花費(fèi)的時(shí)間：[1]5分鐘以內(nèi)（閱讀和理解）[2]15到2分鐘內(nèi)寫出完整解答[25]1個(gè)小時(shí)內(nèi)寫出完整解答[3]短程序設(shè)計(jì)：少于一整天的編程[4]大程序設(shè)計(jì)：2周的時(shí)間[5]學(xué)期設(shè)計(jì)（一個(gè)小團(tuán)隊(duì)2到4周的時(shí)間）[討論]和其他對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)感興趣的人進(jìn)行討論的題目補(bǔ)充MorganKaufmann出版社還可以向使用該書的正式教員提供一本教師手冊（“Instructor誷Manual”），該手冊給出了本書所有練習(xí)題的全面解答。眾多的附錄材料可以從MorganKaufmann的主頁上得到（www.mkp.com）。由于我們使用的是標(biāo)準(zhǔn)的指令集，所以我們已經(jīng)不需要提供專用的軟件。主頁中包含了MIPS結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，例如模擬器、編譯器和匯編器等。這個(gè)主頁還包括了勘誤表、書中插圖的eps版本，以及讀者可能感興趣的相關(guān)材料的鏈接。為了感謝讀者的一貫支持，出版社將經(jīng)常性地加入新的內(nèi)容，并且補(bǔ)充到相關(guān)站點(diǎn)的鏈接中。幫助改進(jìn)這本書閱讀這本書還有可能掙錢。談?wù)勑阅軆r(jià)格比吧！如果你讀了后面的致謝，你就會(huì)看到在修正錯(cuò)誤上，我們有很長的路要走。因?yàn)橐槐緯鴷?huì)多次印刷，我們有機(jī)會(huì)進(jìn)行更多的校訂。如果你發(fā)現(xiàn)了任何錯(cuò)誤①，請(qǐng)通過電子郵件（ca3bugs@mkp.com）和出版社聯(lián)系。第一位報(bào)告某個(gè)錯(cuò)誤，并且該錯(cuò)誤被我們在下一次印刷中糾正的讀者將獲得1美元的獎(jiǎng)金。請(qǐng)查閱http：//www.mkp.com主頁的勘誤表，看看所發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤是否已經(jīng)有人報(bào)告了。我們將處理錯(cuò)誤報(bào)告，并在一年左右發(fā)送核實(shí)結(jié)果，請(qǐng)耐心等待。我們也非常歡迎對(duì)于本書內(nèi)容的建議，希望讀者能把寶貴的建議發(fā)送到另一個(gè)電子郵件地址ca3comments@mkp.com②。結(jié)束語本書又是一次真正合作的結(jié)晶，我們每人寫了一半的章節(jié)和一半的附錄。我們無法想像，如果沒有另外一個(gè)人的工作，我們需要多長的時(shí)間才能完成這本書。我們在看上去沒有希望的時(shí)候相互鼓勵(lì)，共同深入地說明比較困難的概念，在周末時(shí)為長達(dá)1頁的書稿進(jìn)行檢查，以及在沉重的責(zé)任和壓力使得我們難以拿起筆的時(shí)候互相寬慰。因此，我們將再次共同承擔(dān)讀者在閱讀后的各種批評(píng)。美國斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系Hennessy教授和加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系Patterson教授是現(xiàn)今計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域非常受人尊敬的學(xué)者和開拓者。JohnHennessy精通軟硬件兩個(gè)方面，是具有傳奇色彩的MIPS編譯器和幾代MIPS硬件產(chǎn)品技術(shù)上的領(lǐng)導(dǎo)者。DavidPatterson是RISC的最初提倡者之一。他首創(chuàng)了RISC一詞，定義了RISC的含義，是Sun公司SPARC處理器的主要顧問。他提出了RAID（獨(dú)立/廉價(jià)磁盤冗余陣列）的概念，推動(dòng)了為海量數(shù)據(jù)服務(wù)器提供磁盤存儲(chǔ)解決方案的工業(yè)革命，并且還提出了NOW（工作站網(wǎng)絡(luò)）的概念。該書是他們對(duì)計(jì)算機(jī)組織、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究和實(shí)踐的全面而系統(tǒng)的總結(jié)。目前，世界上很多大學(xué)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程采用這本教材。國內(nèi)也有大學(xué)采用這本教材的英文版。與同類著作相比，這本書具有結(jié)構(gòu)清晰完整、系統(tǒng)性強(qiáng)、內(nèi)容新穎、行文深入淺出和可讀性強(qiáng)的特點(diǎn)。特別值得強(qiáng)調(diào)的是，這本書講授計(jì)算機(jī)組織和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的量化研究方法能夠使讀者深入、扎實(shí)地掌握基本概念和理論，同時(shí)培養(yǎng)一種科學(xué)、規(guī)范而且有效的學(xué)習(xí)和科研方法乃至思想。這也是本書能在世界范圍內(nèi)備受推崇以及我們把它翻譯成中文并極力在國內(nèi)推廣的主要原因。這是一本能使讀者在較短時(shí)間內(nèi)全面了解、熟悉和掌握當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展主流技術(shù)和最新成就的優(yōu)秀教材和專業(yè)參考書。其中譯本的問世必將為我國計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教育和研究工作帶來新的思路和靈感。感謝電子工業(yè)出版社對(duì)出版中譯本（第三版）的支持，感謝清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系許多同學(xué)在翻譯和校對(duì)過程中所付出的辛勤努力。由于時(shí)間倉促、譯者水平有限，文中定有不當(dāng)或欠妥之處，還望讀者批評(píng)指正。本書系統(tǒng)而全面地介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流水線和指令級(jí)并行技術(shù)、層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)與存儲(chǔ)設(shè)備、互連網(wǎng)絡(luò)以及多處理器系統(tǒng)等重要內(nèi)容。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的論述主要以較流行的64位MIPS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過量化分析的方法進(jìn)行。本書內(nèi)容豐富全面，既介紹了當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最新研究成果，也引述了大量有影響的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。全書編排層次合理，敘述由淺入深。各章結(jié)尾還附有大量的習(xí)題和參考文獻(xiàn)。本書既可以作為高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生和研究生學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“計(jì)算機(jī)原理”等課程的教科書或參考書，也可供與計(jì)算機(jī)相關(guān)的專業(yè)人士學(xué)習(xí)參考。BillJoy，Sun微系統(tǒng)公司的首席科學(xué)家兼首席執(zhí)行官。非常幸運(yùn)，二十多年前我能在加州大學(xué)伯克利分校的DavidPatterson教授指導(dǎo)下學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。我非常欣賞他的課程，那時(shí)正是RISC架構(gòu)發(fā)展的初期。在離開伯克利后幫助創(chuàng)建Sun微系統(tǒng)公司的過程中，我有很多想法來自于他的課程教學(xué)，以及這本非常重要的書。今天，一個(gè)好消息是，這本書的內(nèi)容覆蓋了許多當(dāng)代非常重要的知識(shí)。未來的好消息是，仍然有無數(shù)激動(dòng)人心的、富有挑戰(zhàn)性的工作等著我們?nèi)ネ瓿?。而本書無疑是一個(gè)很好的開始。我參加過的最成功的項(xiàng)目都是由簡單的想法開始，并采用從經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)來的簡單數(shù)學(xué)模型來完成的。計(jì)算機(jī)技術(shù)正在迅速地發(fā)展，各種新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，這促使我們需要新的簡單模型來理解未來可能出現(xiàn)的新事物，理解新的應(yīng)用如何在各種不同的方面影響我們的系統(tǒng)。第1章介紹的定量方法是理解這些問題的重要工具。我們尤其希望在不遠(yuǎn)的將來，各種或大或小的系統(tǒng)都會(huì)更加強(qiáng)調(diào)用最小的能耗達(dá)到應(yīng)用的要求。這方面還有許多工作需要去做。在我的職業(yè)生涯中，我接觸過許多不同的指令集。我開始編程的時(shí)候用的是PDP-8計(jì)算機(jī)，它的指令集非常簡單，我的一個(gè)朋友甚至通過打孔紙帶的數(shù)據(jù)就能理解程序。我用PDP-11的匯編器寫了許多程序，包括一個(gè)VAX上的Pascal語言解釋程序（本書第一版中的一個(gè)例子）。VAX的成功使得UNIX系統(tǒng)在早期的互聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛的傳播。PDP-11和VAX是非常傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集（CISC）結(jié)構(gòu)，其相對(duì)簡潔的指令集使得它幾乎無法使用流水線。在多年的公開訪談中，我都把VAX11/78的性能作為基準(zhǔn)，它的速度廣為人知，因?yàn)樵诤荛L一段時(shí)間內(nèi)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的快速實(shí)現(xiàn)一直沒有出現(xiàn)。微處理器的x86以及68x等復(fù)雜指令集出現(xiàn)后，VAX的性能就顯得很落伍了。微處理器的價(jià)格優(yōu)勢使得它們漸漸取得了統(tǒng)治地位。這個(gè)時(shí)候，精簡指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（RISC）出現(xiàn)了。這種結(jié)構(gòu)最早由IBM的JohnCocke提出，Patterson和Hennessy為它正式命名并大力提倡，并由POWERPC，MIPS和SPARC等微處理器實(shí)現(xiàn)。這些實(shí)現(xiàn)證明采用簡單的寄存器指令集能夠獲得高性能的流水線。一般來說，采用RISC的程序代碼比較長，由此需要更高的取指令（fetch）帶寬，第1章中的技術(shù)和CarverMead的經(jīng)典論斷所揭示的未來CMOS技術(shù)的發(fā)展趨勢告訴我們，這點(diǎn)代價(jià)是值得的。對(duì)當(dāng)前所存在問題的思考和對(duì)未來計(jì)算的展望，使得我們更傾向于RISC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這將成為本書關(guān)注的中心。第2章（以及相關(guān)的附錄）介紹了當(dāng)代以及歷史上有影響的指令集結(jié)構(gòu)。雖然經(jīng)歷了近二十年的努力，RISC結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)不能成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的終結(jié)者。前后有十幾年的時(shí)間里我參與了SPARC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其幾個(gè)版本的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在我正在參與另外兩種不同結(jié)構(gòu)處理器的設(shè)計(jì)，它們是：picoJava，它實(shí)現(xiàn)了大部分的JAVA虛擬機(jī)指令，這是一種簡潔的字節(jié)碼高級(jí)指令；MAJC，一種簡單的多線程超長指令字（VLIW，Verylonginstructionword）處理器，主要用于Java程序和多媒體應(yīng)用。這兩種結(jié)構(gòu)針對(duì)不同的新市場應(yīng)用，即低能耗的嵌入式設(shè)備領(lǐng)域和能夠在一定的能耗和成本下采用并行計(jì)算獲得高性能的領(lǐng)域。這兩者現(xiàn)在都還沒有取得廣泛的商業(yè)成功。但我認(rèn)為未來會(huì)有許多不同的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（ISA）受到青睞。對(duì)歷史的深入了解可以讓我們深受啟發(fā)，通過對(duì)過去成功設(shè)計(jì)的研究，可以發(fā)現(xiàn)它們是如何在幾個(gè)關(guān)鍵因素，例如程序大小、執(zhí)行速度和能耗等方面取得平衡的。這些經(jīng)驗(yàn)將為我們今天的設(shè)計(jì)提供幫助。第3章和第4章講述了指令級(jí)并行（ILP），這種能力可以使計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻執(zhí)行多條指令。在過去的二十幾年中，RISC技術(shù)和超長指令字技術(shù)大大促進(jìn)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。但是，在IntelItanium的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，RISC技術(shù)，特別是VLIW技術(shù)需要很高的能耗。當(dāng)我們試圖獲得更高的指令級(jí)并行度的時(shí)候，我們遇到了設(shè)計(jì)中的難題：如果需要同時(shí)執(zhí)行N條語句，那么晶體管數(shù)量和能耗的需求將以N2的態(tài)勢迅速增長。另一種方法是采用簡單的流水線，比較現(xiàn)實(shí)的指令級(jí)并行度，并混合使用其他的并行方法，例如每處理器多線程和每芯片多處理器技術(shù)。對(duì)于未來的高性能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最大的挑戰(zhàn)就是要明白并行執(zhí)行是完全可能的，但在實(shí)際中融合其他并行度低但是能耗也低也更簡單的技術(shù)才是明智的做法。在研究所的時(shí)候，我經(jīng)常開玩笑地說高速緩存是計(jì)算機(jī)科學(xué)中惟一重要的思想。事實(shí)上，高速緩存技術(shù)確實(shí)極大地影響了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第5章介紹了經(jīng)典的高速緩存設(shè)計(jì)和主存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)以及虛擬內(nèi)存技術(shù)。現(xiàn)在，類似于Java的高級(jí)編程語言開始采用垃圾回收和內(nèi)存越界檢查技術(shù)來支持更可靠的軟件設(shè)計(jì)，這樣可以避免內(nèi)存共享錯(cuò)誤和緩沖區(qū)溢出等大程序中常見的錯(cuò)誤。只有類似于Java的高級(jí)語言才支持自動(dòng)存儲(chǔ)管理，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)真正的軟件組件。但是在現(xiàn)在的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)上，要實(shí)現(xiàn)垃圾回收功能是非常困難的。設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)或者設(shè)計(jì)這樣的語言是研究的熱點(diǎn)，雖然我們?nèi)〉昧撕艽蟪晒?，但仍然有很長的路要走。Java語言能夠很好地支持線程級(jí)并行。這是實(shí)現(xiàn)簡單、高效的高性能系統(tǒng)的關(guān)鍵，這種方法避免了前面所說的N2問題，但也帶來了新的挑戰(zhàn)。第6章將對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行基本的介紹。傳統(tǒng)的做法是每一個(gè)處理器放在一塊單獨(dú)的芯片上，由于存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的問題以及同步操作本身的高昂代價(jià)，在不同處理器之間保持同步非常困難。Java語言試圖解決這個(gè)問題。我們的嘗試是在Java語言規(guī)范（我是作者之一）中給出用Java實(shí)現(xiàn)內(nèi)存模型的一個(gè)描述。我們清醒地看到，這個(gè)描述存在技術(shù)上的問題（可修正），我們需要對(duì)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)思考，以便使我們設(shè)計(jì)的語言能夠更好地運(yùn)行在新的系統(tǒng)平臺(tái)上。我們把Java規(guī)范看做是未來將要完成的許多工作的第一步。和第7章描述的一樣，存儲(chǔ)系統(tǒng)由原來連接在單個(gè)計(jì)算機(jī)的一個(gè)組成部分，變成了一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源。這讓人想起了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展史，隨著圖形處理重要性的增加，原來由主機(jī)處理的功能被單獨(dú)分割出來，成為了獨(dú)立的圖形處理芯片。在接下來的幾年中，一切將會(huì)發(fā)生巨大的改變，大量的并行主處理器將擁有比主板之外的圖形處理單元更好的性能。與此類似，存儲(chǔ)技術(shù)將會(huì)有突破性的進(jìn)展，例如分子電子學(xué)和納米技術(shù)將會(huì)大大降低存儲(chǔ)設(shè)備的價(jià)格并縮短訪問時(shí)間。這將鼓勵(lì)人們把數(shù)據(jù)備份在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，而不是通過網(wǎng)絡(luò)共享。存儲(chǔ)技術(shù)將發(fā)生和圖形技術(shù)類似的變化。同樣，存儲(chǔ)系統(tǒng)也將會(huì)有非常嚴(yán)格的健壯性要求，不僅僅是針對(duì)硬件錯(cuò)誤，還要考慮軟件錯(cuò)誤以及人為操作失誤。這將是近幾年一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的課題。第8章提供了計(jì)算機(jī)互連和網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本介紹。這方面我的模型來自于Sun公司另外一位創(chuàng)始人AndyBechtolsheim，他經(jīng)常說：“以太網(wǎng)不?。　?。更為合適的表述是：給出網(wǎng)絡(luò)互連的要求，不管以太網(wǎng)有什么缺點(diǎn)，總會(huì)有一款經(jīng)過某些修改的以太網(wǎng)協(xié)議版本在市場上獲得勝利。原因何在？很明顯，以太網(wǎng)協(xié)議具有簡單和使用廣泛的特點(diǎn)，然而更加有說服力的原因是，采用以太網(wǎng)協(xié)議我們能夠立即開始工作，而不需要爭論對(duì)最終結(jié)果無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蜻m用于本書中有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一切領(lǐng)域。多年以前，DavePatterson曾經(jīng)說過，對(duì)于一個(gè)新的項(xiàng)目，你只能獲得有限的“亮點(diǎn)”（clevernessbeans）。即你只能在設(shè)計(jì)中有限的幾個(gè)方面采用很“聰明”的做法，如果想在方方面面都采用“聰明”的做法，那么你的設(shè)計(jì)很可能達(dá)不到最終的目標(biāo)，甚至無法工作或者無法完成。在二十多年的設(shè)計(jì)中我學(xué)到的一個(gè)教訓(xùn)就是：在設(shè)計(jì)的過程中，你必須要選擇最重要的部分并且將重點(diǎn)放在那里。真正的智慧是知道應(yīng)該放棄什么，知道什么是無法企及的是具有這種能力的關(guān)鍵。同樣，你必須要仔細(xì)選擇你的猜想。很多年以前我參加了在夏威夷舉行的一個(gè)會(huì)議，在會(huì)上，富有傳奇色彩的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)師MauriceWilkes為我們做了一次演講。他說，在他的記憶中，好的研究總是包含一些猜想，這些猜想也許在當(dāng)時(shí)看來是不切實(shí)際的，但是在未來有可能實(shí)現(xiàn)。如果這些猜想實(shí)現(xiàn)了，那么你將發(fā)現(xiàn)你做了非常偉大的研究。例如，XeroxPARC的研究小組給出了一個(gè)猜想：人人都使用帶有圖形界面的個(gè)人電腦，通過互連網(wǎng)絡(luò)連接其他人的機(jī)器，并采用便宜的Xerography技術(shù)進(jìn)行打印。現(xiàn)在看來，他們的預(yù)言是多么的準(zhǔn)確，他們的工作是多么的重要?。≡谖覀兊臅r(shí)代，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，我想將會(huì)有許多猜想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。有一些甚至不會(huì)有爭議，例如摩爾定律將在近十年內(nèi)繼續(xù)有效，也許十年之后大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度將會(huì)達(dá)到它的物理極限。更毋庸置疑的是，分子技術(shù)有可能極大地降低存儲(chǔ)和邏輯元件的價(jià)格，光學(xué)互連技術(shù)將極大地增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬并減少傳輸?shù)腻e(cuò)誤率，軟件仍然會(huì)因?yàn)榫帉懤щy而不可靠，安全問題將繼續(xù)成為人們關(guān)心的重點(diǎn)。本書詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢。下一代的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者能夠利用本書中的知識(shí)精華甄別優(yōu)劣，減少缺陷，從而設(shè)計(jì)出各種樣式和大小的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正變得越來越多樣化，也越來越有趣。讓我們立即啟程探索，或者再次征服這個(gè)領(lǐng)域吧，而本書將是最好的起點(diǎn)。芯片中見！

　　斯坦福大學(xué)校長，IEEE和ACM會(huì)士，美國國家工程研究院院士及美國科學(xué)藝術(shù)研究院院士。Hennessy教授因?yàn)樵赗ISC技術(shù)方面做出了突出貢獻(xiàn)而榮獲2001年的Eckert-Mauchly獎(jiǎng)?wù)隆Ｋ彩?001年SeymourCray計(jì)算機(jī)工程獎(jiǎng)的得主，并且和本書另外一位作者DavidA.Patterson分享了2000年的JohnvonNeumann獎(jiǎng)。