　　本書由國內從事微處理器設計的一綫科研人員編寫而成。作者從微處理器設計的角度齣發，充分考慮計算機體係結構的學科完整性，強調體係結構、基礎軟件、電路和器件的融會貫通。全書共分16章，包括指令係統結構、計算機硬件結構、CPU微結構、並行處理結構、計算機性能分析等主要內容，重點放在作為軟硬件界麵的指令係統結構，以及包含CPU、GPU、南北橋協同的計算機硬件結構上。本書可作為高等學校“計算機體係結構”課程的本科生教材，同時也適閤相關專業研究生或計算機技術人員參考閱讀。

叢書序言
推薦序
自序
前言
第一部分引言
第1章引言
1.1計算機體係結構的研究內容
1.1.1 -以貫之
1.1.2什麼是計算機
1.1.3計算機的基本組成
1.2衡量計算機的指標
1.2.1計算機的性能
1.2.2計算機的價格
1.2.3計算機的功耗
1.3計算機體係結構的發展
1.3.1摩爾定律和工藝的
發展
1.3.2計算機應用和體係
結構
1.3.3計算機體係結構發展
1.4體係結構設計的基本原則
1.4.1平衡性
1.4.2局部性
1.4.3並行性
1.4.4虛擬化
1.5本章小結
習題
第二部分指令係統結構
第2章指令係統
2.1指令係統簡介
2.2指令係統設計原則
2.3指令係統發展曆程
2.3.1 指令集的演變
2.3.2存儲管理的演變
2.3.3運行級彆的演變
2.4本章小結
習題
第3章指令集結構
3.1地址空間
3.2操作數
3.2.1數據類型
3.2.2訪存地址
3.2.3 尋址方式
3.3指令操作和編碼
3.4 RISC指令集比較
3.5 C語言的機器錶示
3.6本章小結
習題
第4章異常與中斷
4.1異常分類
4.2異常處理
4.3中斷
4.3.1 中斷的優先級和原子性
4.3.2嚮量化中斷
4.3.3 中斷傳遞機製
第三部分計算機硬件結構
第四部分CPU的微結構
第五部分並行處理結構
第六部分係統評價與性能分析

精彩書摘

　　《計算機體係結構基礎》：
　　中斷綫方式傳遞中斷有一些限製。首先是擴展性不夠強，在搭建較復雜的闆級係統時會引入過多的共享，降低中斷處理的效率。其次，中斷處理過程需要通過查詢中斷控製器以及設備上的狀態寄存器來確認中斷和中斷原因，中間有較長的延遲，同樣不利於提高效率。在多處理器平颱中，高性能外設（如萬兆網卡）對中斷處理的性能有更高的要求，需要實現多處理器的負載均衡、中斷綁定等功能，傳統的中斷綫方式難以做到。而這正好是消息中斷的長處。
　　消息中斷以數據的方式在總綫上傳遞。發中斷就是往指定的地址寫一個指定的數。相比總綫外增加專門的中斷綫的“帶外”（Side-Band）傳輸形式，消息中斷在“帶內”（In-Band）傳輸。增加中斷時不需要改動消息傳遞的數據通路，因而有較高的擴展性和靈活性，也為更高程度的優化提供瞭可能。比如一個設備可以申請更多的中斷號，使中斷處理程序無須查詢設備狀態，隻根據中斷號就能知道應當做什麼處理。
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前言/序言

　　前言計算機體係結構是一門比較抽象的學科，很有可能經過一個學期的學習隻學到一些概念。

　　本課程教學希望達到三個目的。一是建立學生的係統觀。計算機係統的復雜性體現在計算機中各部分之間的關係非常復雜。如蘋果iPhone的CPU性能不如Intel的X86CPU，但用戶體驗明顯好於桌麵計算機，這就是係統優化的結果。希望學生學完這門課程後能夠從係統的角度看待計算機，不再簡單地以主頻論性能，或者簡單地把用戶體驗歸結於CPU的單項性能。二是掌握計算機體係結構的若乾概念。計算機體係結構中的概念很多，雖然抽象，但是必須掌握。比如計算機體係結構的四大設計原則，指令係統結構，處理器流水綫，等等。三是掌握一些重點知識並具備一些重點能力。主要包括：計算機的ABI接口，存儲管理中的虛實地址轉換過程，通過10地址空間掃描進行IO設備初始化，計算機係統的啓動過程，重要總綫如AXI總綫、內存總綫、PCIE總綫的信號及其時序，用Verilog編寫RTL代碼的能力，先行進位加法器的邏輯，兩位一乘補碼乘法器邏輯，用Perf或Oprofile進行性能分析的能力，等等。

　　本書第一部分為引言，介紹體係結構研究內容、主要性能指標、發展趨勢以及設計原則。

　　計算機體係結構(ComputerArchitecture)是描述計算機各組成部分及其相互關係的一組規則和方法，是程序員所看到的計算機屬性。計算機體係結構主要研究內容包括指令係統結構(In-structionSetArchitecture，簡稱ISA)和計算機組織結構（ComputerOrganization）。微體係結構(Micro-architecture)是微處理器的組織結構，並行體係結構是並行計算機的組織結構。馮·諾依曼結構的存儲程序和指令驅動執行原理是現代計算機體係結構的基礎。

　　本書第二部分介紹以指令係統結構為核心的軟硬件界麵，包括指令係統總體介紹、指令集結構、異常與中斷、存儲管理、軟硬件協同等內容。貫穿該部分內容的一個核心思想是建立高級語言（如C語言）與指令係統結構的關係。例如，C語言的語句與指令係統的關係，算術語句可直接映射為相關運算指令，for循環映射為條件跳轉，switch語句映射為跳轉索引和跳轉錶等；操作係統中地址空間的組織與指令訪問內存的關係，靜態全局變量映射到地址空間的靜態數據區、局部變量映射到堆棧區、動態分配的數據則映射到進程空間的堆中；操作係統中進程和綫程的錶示及切換在指令和地址映射方麵的具體體現；敲擊鍵盤和移動鼠標等事件如何通過指令係統的外部中斷傳遞到CPU，以及指令係統對操作係統處理外部中斷的必要支持；等等。

　　本書第三部分介紹計算機硬件結構。該部分的核心思想是搞清楚計算機內部包括CPU、GPU、內存、10之間是如何協同完成軟件規定的各種操作的。例如，在計算機開機過程中，BIOS完成硬件初始化後把操作係統從硬盤拷貝到內存執行的過程中南北橋與CPU是如何配閤的；CPU和GPU是如何協同操作完成計算機屏幕顯示的，在顯示過程中哪些活是CPU乾的，哪些活是GPU乾的；包括以太網、USB等在內的各種IO接口的驅動在硬件上的具體體現是什麼；等等。

　　本書第四部分介紹微結構。該部分的核心思想是建立指令係統和晶體管之間的“橋梁”。

　　微結構是決定CPU性能的關鍵因素。由於微結構是“計算機體係結構”碩士課程的主要內容，因此本科課程的微結構內容在追求係統地介紹有關概念的基礎上，重點把先行進位加法器和五級靜態流水綫講透，希望學生通過對先行進位加法器和五級靜態流水綫的深入瞭解，舉一反三地瞭解微結構的實現方式。微結構中動態流水綫、亂序執行和多發射等內容隻做概念性的介紹。

　　本書第五部分介紹並行處理結構。應用程序的並行行為是並行處理的基礎，現代計算機通過多層次的並行性開發來提高性能。並行處理編程模型包括消息傳遞模型（如MPI）和共享存儲模型（如OpenMP）等。多核處理器的設計需要考慮存儲一緻性模型、高速緩存一緻性協議、片上互連、多核同步等核心問題。

　　本書第六部分介紹計算機的性能分析方法。性能不是由一兩個具體指標（如主頻）決定的，而是若乾因素綜閤平衡的結果；性能評測也沒有絕對閤理公平的辦法，不同的計算機對不同的應用適應性不一樣，對某類應用甲計算機比乙計算機性能高，對另外一類應用可能反之。

　　巨大的設計空間和工作負載的多樣性，導緻計算機係統的性能分析和評價成為一個非常艱巨的任務。計算機性能分析的主要方法包括理論建模，用模擬器進行性能模擬，以及對實際係統進行性能評測等。

　　上述麵麵俱到的課程安排主要是考慮到體係結構學科的完整性，但本科課程重點是軟硬件界麵及計算機硬件結構。對於一般高校，並行處理結構和計算機係統性能分析可以不講。

　　在選修本課程前，學生應對C語言程序設計、數字邏輯電路有一定的基礎。本課程試圖說明一個完整的計算係統的工作原理，其中涉及部分操作係統的知識。為瞭有更好的理解，還可以同時選修操作係統課程。課程中的實例和原理介紹以MIPS體係結構為主。與傳統課程中講授的X86體係結構相比，MIPS結構相對簡單明晰而又不失全麵。學生可以通過配套的實驗課程，自底而上構建自己的計算機係統，包括硬件、操作係統以及應用軟件，從而對“如何造計算機”有更深刻的認識。

　　由於時間倉促，本書還存在不少問題，主要包括不少內容的詳略失衡，文字嚴謹性不夠，舉例不夠導緻很多內容過於抽象。好在總體結構基本完整瞭，在下一版改版時可以重點解決上述問題。下一版改版時爭取精選100個例子覆蓋本書重要內容，使計算機體係結構進一步從抽象走嚮具體化。

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