计算机组成与体系结构：性能设计（原书第11版） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书是计算机组成与体系结构方面的经典教材，不仅清晰、完整地介绍了现代计算机系统的本质和特征，深入探讨计算机组成与体系结构中的知识，而且将这些知识与当代计算机的设计问题联系起来。同时，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。

在保持本书一贯特色的基础上，第11版做了如下改动：

多芯片模块:第1章增加了对多芯片模块（MCMs）的讨论

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:关于存储层次结构的一章扩展了cache存储器方面的内容，并对高速缓存章节做了大量更新和修订

内部存储器和外部存储器：在内存的章节中包括了对越来越流行的电子数据存储器的介绍，在外部存储器的章节中增加了对现在广泛使用的4k扇区硬盘格式的讨论

汇编语言：关于汇编语言的处理已经扩展到一整章（第15章），补充了更多的细节和例子

对流水线、高速缓存一致性、布尔代数等内容做了更新

目　录

Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, Eleventh Edition

译者序

前言

作者简介

译者简介

第一部分　概述

第1章　基本概念与计算机演化　2

1.1　组成与体系结构　2

1.2　功能和结构　3

1.2.1　功能　3

1.2.2　结构　3

1.3　IAS计算机　8

1.4　逻辑门、存储器位元、芯片和

　　多芯片模块　12

1.4.1　逻辑门和存储器位元　12

1.4.2　晶体管　13

1.4.3　微电子芯片　13

1.4.4　多芯片模块　15

1.5　Intel x86体系结构的演化　15

1.6　嵌入式系统　18

1.6.1　物联网　19

1.6.2　嵌入式操作系统　19

1.6.3　应用处理器与专用处理器　19

1.6.4　微处理器与微控制器　20

1.6.5　嵌入式系统与深度嵌入式系统　20

1.7　ARM体系结构　21

1.7.1　ARM的演变　21

1.7.2　指令集体系结构　21

1.7.3　ARM产品　22

1.8　关键词、思考题和习题　25

第2章　性能问题　28

2.1　性能设计　28

2.1.1　微处理器的速度　29

2.1.2　性能平衡　29

2.1.3　芯片组成和体系结构的改进　30

2.2　多核、MIC和GPGPU　32

2.3　阿姆达尔定律和利特尔法则　33

2.3.1　阿姆达尔定律　33

2.3.2　利特尔法则　34

2.4　计算机性能的基本指标　35

2.4.1　时钟速度　36

2.4.2　指令执行速度　36

2.5　计算平均值　37

2.5.1　算术平均值　39

2.5.2　调和平均值　39

2.5.3　几何平均值　41

2.6　基准测试和SPEC　43

2.6.1　基准测试原则　43

2.6.2　SPEC基准测试　44

2.7　关键词、思考题和习题　49

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56

3.1　计算机的部件　56

3.2　计算机的功能　58

3.2.1　指令的读取和执行　58

3.2.2　中断　61

3.2.3　I/O功能　67

3.3　互连结构　68

3.4　总线互连　68

3.5　点对点互连　70

3.5.1　QPI物理层　71

3.5.2　QPI链路层　72

3.5.3　QPI路由层　73

3.5.4　QPI协议层　73

3.6　PCIe　73

3.6.1　PCI物理和逻辑体系结构　74

3.6.2　PCIe物理层　75

3.6.3　PCIe事务处理层　76

3.6.4　PCIe数据链路层　78

3.7　关键词、思考题和习题　79

第4章　存储器层次结构：

　　　　局部性和性能 83

4.1　局部性原理　83

4.2　存储系统的特性　87

4.3　存储器层次结构　88

4.3.1　成本与性能特点　89

4.3.2　存储器层次结构的典型构件　91

4.3.3　IBM z13存储器层次结构 92

4.3.4　存储器层次结构的设计原则　93

4.4　多级存储器层次结构的性能建模　93

4.4.1　两级存储器存取　93

4.4.2　多级存储器存取　97

4.5　关键词、思考题和习题　99

第5章　cache存储器　102

5.1　cache存储器的原理　102

5.2　cache的设计要素　105

5.2.1　cache地址　105

5.2.2　cache容量　106

5.2.3　逻辑cache的组织结构　107

5.2.4　替换算法　117

5.2.5　写策略　118

5.2.6　行大小　119

5.2.7　cache的数目　119

5.2.8　包含策略　121

5.3　Intel x86的cache组织　122

5.4　IBM z13的cache组织　124

5.5　cache的性能模型　125

5.5.1　cache的时序模型　125

5.5.2　用于提高性能的设计选项　126

5.6　关键词、思考题和习题　127

第6章　内部存储器　131

6.1　半导体主存储器　131

6.1.1　组织　131

6.1.2　DRAM和SRAM　132

6.1.3　ROM类型　133

6.1.4　芯片逻辑　134

6.1.5　芯片封装　136

6.1.6　模块组织　136

6.1.7　多体交叉存储器　138

6.2　纠错　138

6.3　DDR DRAM　142

6.3.1　SDRAM　142

6.3.2　DDR SDRAM　144

6.4　eDRAM　146

6.4.1　IBM z13 eDRAM的

　　　 cache结构　146

6.4.2　Intel Core系统的cache结构　146

6.5　闪存　148

6.5.1　操作　148

6.5.2　NOR和NAND闪存　148

6.6　较新的非易失性固态存储器技术 150

6.6.1　STT-RAM　151

6.6.2　PCRAM　 152

6.6.3　ReRAM　152

6.7　关键词、思考题和习题　152

第7章　外部存储器　156

7.1　磁盘　156

7.1.1　磁读写机制　 156

7.1.2　数据组织和格式化　157

7.1.3　物理特性　 160

7.1.4　磁盘性能参数　161

7.2　RAID　163

7.2.1　RAID 0级　165

7.2.2　RAID 1级　167

7.2.3　RAID 2级　168

7.2.4　RAID 3级　168

7.2.5　RAID 4级　169

7.2.6　RAID 5级　169

7.2.7　RAID 6级　169

7.3　固态硬盘　171

7.3.1　固态硬盘与硬盘驱动器的比较 171

7.3.2　固态硬盘组织结构　171

7.3.3　实际问题　172

7.4　光存储器　172

7.4.1　光盘　173

7.4.2　数字多功能光盘　175

7.4.3　高清晰光盘　176

7.5　磁带　177

7.6　关键词、思考题和习题　178

第8章　输入/输出　182

8.1　外部设备　182

8.1.1　键盘/监视器　184

8.1.2　磁盘驱动器　184

8.2　I/O模块　184

8.2.1　模块功能　184

8.2.2　I/O模块结构　185

8.3　编程式I/O　186

8.3.1　编程式I/O概述　186

8.3.2　I/O命令　187

8.3.3　I/O指令　188

8.4　中断驱动式I/O　189

8.4.1　中断处理　189

8.4.2　设计问题　191

8.4.3　Intel 82C59A中断控制器　192

8.4.4　Intel 8255A可编程外部接口　192

8.5　DMA　196

8.5.1　编程式I/O和中断驱动式

　　　 I/O的缺点　196

8.5.2　DMA功能　197

8.5.3　Intel 8237A DMA控制器　198

8.6　DCA　200

8.6.1　使用共享的最后一级

　　　 cache的DMA　201

8.6.2　cache相关的性能问题　202

8.6.3　直接cache存取策略　204

8.6.4　直接数据I/O　204

8.7　I/O通道和处理器　206

8.7.1　I/O功能的演变　206

8.7.2　I/O通道的特点　206

8.8　外部互连标准　207

8.8.1　通用串行总线　207

8.8.2　FireWire串行总线　208

8.8.3　小型计算机系统接口　208

8.8.4　迅雷　208

8.8.5　InfiniBand　209

8.8.6　PCIe　209

8.8.7　SATA　209

8.8.8　以太网　209

8.8.9　WiFi　209

8.9　IBM z13 I/O结构　210

8.9.1　通道结构　210

8.9.2　I/O系统组织结构　211

8.10　关键词、思考题和习题　212

第9章　操作系统支持　217

9.1　操作系统概述　217

9.1.1　操作系统的目标与功能　217

9.1.2　操作系统的类型　219

9.2　调度　224

9.2.1　长期调度　225

9.2.2　中期调度　225

9.2.3　短期调度　225

9.3　存储器管理　228

9.3.1　交换　228

9.3.2　分区　229

9.3.3　分页　230

9.3.4　虚拟存储器　232

9.3.5　快表　233

9.3.6　分段　235

9.4　Intel x86存储器管理　235

9.4.1　地址空间　235

9.4.2　分段　236

9.4.3　分页　238

9.5　ARM存储器管理　239

9.5.1　存储器系统组织　239

9.5.2　虚拟存储器地址转换　239

9.5.3　存储器管理格式　240

9.5.4　存取控制　242

9.6　关键词、思考题和习题　242

第三部分　算术与逻辑

第10章　数字系统　248

10.1　十进制系统　248

10.2　按位记数制系统　249

10.3　二进制系统　249

10.4　二进制数与十进制数的转换　250

10.4.1　整数　250

10.4.2　小数　 251

10.5　十六进制表示法　252

10.6　关键词和习题　254

第11章　计算机算术运算　256

11.1　算术逻辑单元　256

11.2　整数表示　257

11.2.1　符号-幅值表示法　257

11.2.2　二进制补码表示法　258

11.2.3　范围扩展　260

11.2.4　定点表示法　261

11.3　整数算术运算　261

11.3.1　取负　261

11.3.2　加法和减法　262

11.3.3　乘法　265

11.3.4　除法　270

11.4　浮点表示　273

11.4.1　原理　273

11.4.2　二进制浮点表示的

　　　　　　　IEEE标准　275

11.5　浮点算术运算　279

11.5.1　浮点加法和减法　280

11.5.2　浮点乘法和除法　281

11.5.3　精度考虑　282

11.5.4　二进制浮点算术运算的

　　　　IEEE标准　284

11.6　关键词、思考题和习题　286

第12章　数字逻辑　290

12.1　布尔代数　290

12.1.1　集合代数　291

12.1.2　布尔恒等式　293

12.2　门　294

12.3　组合电路　296

12.3.1　布尔函数的实现　296

12.3.2　多路复用器　303

12.3.3　解码器　304

12.3.4　只读存储器　305

12.3.5　加法器　306

12.4　时序电路　309

12.4.1　触发器　309

12.4.2　寄存器　311

12.4.3　计数器　313

12.5　可编程逻辑器件　315

12.5.1　可编程逻辑阵列　316

12.5.2　现场可编程门阵列　317

12.6　关键词和习题　318

第四部分　指令集与汇编语言

第13章　指令集：特征和功能　324

13.1　机器指令特征　324

13.1.1　机器指令要素　324

13.1.2　指令表示　325

13.1.3　指令类型　326

13.1.4　地址数目　327

13.1.5　指令集设计　328

13.2　操作数类型　329

13.2.1　数值　329

13.2.2　字符　329

13.2.3　逻辑数据　330

13.3　Intel x86和ARM数据类型　330

13.3.1　x86数据类型　330

13.3.2　ARM数据类型　331

13.4　操作类型

作者简介

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最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。

译者简介

汤善江——博士，天津大学智能与计算学部副教授, 天津大学青年骨干教师，天津市“131”创新型人才培养工程第三层次人选，2022年ACM SIGHPC China新星奖获得者。中国计算机学会高性能计算专委会委员，ACM SIGHPC China执行委员，CCF 传播大使，国家超级计算天津中心高性能计算系统专家，中电云脑(天津)科技有限公司高性能计算领域技术顾问。研究方向主要为高性能计算、云计算和大数据分析与处理。在TPDS、TSC、TCC等国际顶级期刊和SC、ICS等会议上发表论文40余篇，主持国家自然科学基金项目2项、天津市自然科学基金重点项目1项。

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编辑推荐

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。

本书适合高校计算机、集成电路、电子工程及相关专业作为教材，也适合IT技术人员了解计算机组成和体系结构之用。

前言

前　言

Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, Eleventh Edition

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