世界著名計算機教材精選·計算機組織與體係結構：性能設計（第7版） 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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編輯推薦

　　《計算機組織與體係結構：性能設計》(第7版)可作為計算機科學、計算機程等專業的計算機體係結構課程的教材，對從事計算機研究與開發的技術人員來說，也具有指導意義。
　　（1）介紹當代計算機體係結構主流技術和新技術。
　　（2）示例豐富，語言簡潔，內容淺顯易懂。

內容簡介

　　《世界著名計算機教材精選·計算機組織與體係結構：性能設計（第7版）》是介紹當代計算機體係主流技術的技術的優秀教材。作者以Intel Pentium 4和IBM/Motorola PowerPC作為考察實例，將當代計算機係統性能問題和計算機組織與體係結構的基本概念及原理緊密聯係起來。本書共18章，分成5個部分。主要內容有：CPU性能設計、指令流水綫、整數和浮點算術、微程序設計的控製器；RISC處理器和超標量處理器；的IA-64體係結構和Itanium處理器；PCI新型係統總綫規範；cache存儲器組織、cache一緻性問題和MESI協議；包括行總綫和最近研發的InfiniBand；最後是多個處理器的並行組織，包括對稱多處理機、機群係統、非均勻存儲器存取（NUMA）係統。
　　本書可作為計算機科學、計算機程等專業的計算機體係結構課程的教材，對從事計算機研究與開發的技術人員來說，也具有指導意義。

作者簡介

　　斯托林斯，麻省理工學院計算機科學博士、顧問。著有《Operating Systems》等。

目錄

第0章 讀者指南
0.1 本書概要
0.2 因特網和Web資源
第一部分 概述
第1章 導論
1.1 計算機組織與體係結構
1.2 結構和功能
1.3 為何要學習計算機組織和體係結構
第2章 計算機的演變和性能
2.1 計算機簡史
2.2 性能設計
2.3 Pentium和PowerPC的進展
2.4 推薦的參考文獻和Web站點
2.5 關鍵詞、思考題和習題
第二部分 計算機係統
第3章 計算機功能和互連的頂層視圖
3.1 計算機的部件
3.2 計算機功能
3.3 互連結構
3.4 總綫互連
3.5 PCI
3.6 推薦的參考文獻和Web站點
3.7 關鍵詞、思考題和習題
附錄3A 時序圖
第4章 cache
4.1 計算機存儲係統概述
4.2 cache存儲器原理
4.3 cache的設計要素
4.4 Pentium 4和PowerP的Ccache組織
4.5 推薦的參考文獻
4.6 關鍵詞、思考題和習題
附錄4A 兩級存儲器的性能特點
第5章 內部存儲器
5.1 半導體主存儲器
5.2 糾錯
5.3 高級DRAM組織
5.4 推薦的參考文獻和Web站點
5.5 關鍵詞、思考題和習題
第6章 外部存儲器
6.1 磁盤
6.2 RAID（磁盤冗餘陣列）
6.3 光存儲器
6.4 磁帶
6.5 推薦的參考文獻和Web站點
6.6 關鍵詞、思考題和習題
第7章 輸入輸齣
7.1 外部設備
7.2 I/O模塊
7.3 編程式I/O
7.4 中斷驅動式I/O
7.5 存儲器直接存取（DMA）
7.6 I/O通道和處理器
7.7 外部接口：FireWire和InfiniBand
7.8 推薦的參考文獻和Web站點
7.9 關鍵詞、思考題和習題
第8章 操作係統支持
……
第三部分 中央處理器
第四部分 控製器
第五部分 並行處理的組織
附錄A 計算機組織與體係結構課題
參考文獻

精彩書摘

　　第1章 導論
　　這是一本關於計算機結構和功能的書，其目標是盡可能清晰而完整地介紹當代計算機係統的性質和特徵。這項任務頗具挑戰性，主要原因有兩方麵。
　　首先，從隻值幾美元的單片機到價值幾韆萬美元的超級計算機，這中間有多種産品都可以稱為計算機。多樣性不僅錶現在計算機的成本上，而且還錶現在計算機的體積大小、性能和應用上。其次，計算機技術發展的步伐相當快，絕無停頓。這些發展錶現在計算機技術的各個方麵，從用於構成計算機部件的底層集成電路技術，到越來越廣泛采用的將這些部件組閤起來的並行組織技術。
　　盡管計算機領域內富有多樣性並且仍在改變，但始終存在一些基本概念。當然，這些概念的應用依賴於技術的發展狀況，以及設計者所要達到的性能／價格目標。本書的目的在於深入地討論計算機組織與結構的基本原理，並將它們應用到當代計算機設計問題中去。作為介紹性的章節，本章簡略地討論將要采用的描述方法，並對本書其餘部分進行概述。
　　1．1 計算機組織與體係結構
　　要描述計算機係統，就要清楚地區分計算機體係結構(computcr architccture)和計算機組織(cmputcr。rganizati。n)這兩個概念。雖然很難給齣這兩個術語的精確定義，但對它們所涉及的領域則存在著共識(見參考文獻[VRAN8。]、[SIEW82]和[BELL78a])
　　計算機體係結構是指那些對程序員可見的係統屬性。換句話說，這些屬性直接影響到程序的邏輯執行。計算機組織是指實現其結構規範的操作單元及其相互連接。例如’結構的屬性包括指令集、錶示各種數據類型(例如，整型、字符型)的比特數、輸入輸齣機製以及內存尋址技術。組織的屬性包括那些對程序員透明的硬件細節，如控製信號、計算機和外設的接口以及存儲器使用技術。
　　例如，計算機是否有乘法指令是結構設計問題。而這條指令是由特定的乘法單元實現，還是通過重復使用係統的加法單元來實現，則是一個組織問題。決定使用哪種組織需要考慮預期使用乘法單元的頻度，考慮兩種方案的相對速度，還需要考慮一個特定乘法單元的成本和物理尺寸等因素。
　　無論過去還是現在，瞭解結構和組織的差彆都是很重要的。計算機製造商往往提供一係列型號的計算機，它們都有相同的結構，但組織卻不同。因而，某一係列中不同型號的計算機的價格和性能特點也不相同。一種結構可能存在多年，但它的組織則隨著技術的進步而不斷更新。這種現象的一個突齣例子就是IBM System／370結構，這種結構於1970年推齣，包括多種型號。僅有最低要求的客戶可以購買較便宜的、速度較慢的類型。如果今後要求提高瞭，可以升級到更貴的、速度更快的類型，從而不必丟棄已經開發的軟件。幾年來，IBM通過改進技術推齣瞭許多新型號來替代舊的型號，為用戶提供高速、低價或二者兼而有之的産品。這些新型號保留瞭同樣的結構，因而保障瞭用戶的軟件投資。值得注意的是，Systcm／370體係結構經過幾次增強，不但生存至今，而且仍是IBM的旗艦産品。
　　在被稱為微型計算機一類的係統中，體係結構和組織的關係非常密切。技術的更新不僅影響瞭計算機的組織，還導緻瞭更強大且更復雜的體係結構。通常，越小的機器，新舊兩代之間的兼容性要求就越少，因此組織和體係結構設計決策的關係就更加密切。關於它的一個有趣例子是精簡指令集計算機(RISC)，本書將在第13章進行深人探討。
　　本書介紹計算機組織和計算機體係結構兩個方麵的內容，或許更強調組織方麵的內容。但是，計算機組織的設計必須遵照特定的體係結構規範，所以對組織的深入論述也要求對體係結構有同樣細緻的考察。
　　1．2 結構和功能
　　計算機是一個復雜的係統，當代計算機包含數百萬個電子元件，怎樣纔能清楚地描述它呢？關鍵就在於認識包括計算機在內的大多數復雜係統的分層性質[SIMO96]。層次係統是一組互相關聯的子係統，每個子係統又在結構上分層，直到分成最基本的子係統。
　　復雜係統的層次特性是設計和說明它們的基礎。設計者每次隻需處理某個特定的層即可，每一層由一組部件及其相互關係組成。每一層的行為僅依賴於其下一層更為簡單的抽象特徵。在每一層上，設計者關心的是結構和功能．。
　　結構：部件相互關聯的方式。
　　功能：作為有關結構組成部分的各個部件的操作。
　　根據描述，有兩種選擇：由底層開始建立完整的描述；或者從頂層開始將係統分解成各個子部分。許多領域的事實證明，由頂至下的方法是最清晰並且最有效的方法[WEIN75]。
　　本書采用的方法也遵循這一觀點，將自頂嚮下地描述計算機係統。從係統的主要部件開始，描述它的結構和功能，然後逐級深入推進到體係中的低層。這一部分的其餘章節將為這種逐級推進的描述提供簡短概述。1．2．l 功能
　　從本質上來說，計算機的結構和功能運作都很簡單。圖1．1描述瞭計算機能夠完成的基本功能，概括起來有4項：
　　數據處理
　　數據存儲
　　數據傳送
　　控製
　　計算機當然能處理數據，數據可以有多種形式，處理的要求也是很廣泛的。但是數據處理的基本方法或類型隻有幾種。
　　存儲數據也很重要。即使簡單地處理數據(即數據輸入並處理，結果直接輸齣)，計算機也必須在某個特定的時刻存儲它正在運算的數據值。因此，計算機至少要有短期數據存儲功能。計算機的長期數據存儲功能也同樣重要。存儲在計算機內的數據文件可用於以後的檢索或更新。
　　計算機必須能在它自身與外界之間傳送數據。計算機操作環境包含瞭作為數據源或目標的設備。當由直接與計算機相連的設備接收數據或嚮其發送數據時，這個過程稱為輸入輸齣(I／O)，這個設備稱為外圍設備(pcripheral)。當數據傳至遠處，或從遠方設備接收時，這個過程稱為數據通信。
　　最後，必須對這3種功能進行控製。這種控製功能最終是由給計算機提供指令的人來施加的。在計算機係統中，控製器根據這些指令管理計算機的資源，並協調各個功能部件的操作方式。
　　在這種通常討論的級彆上，能夠完成的操作非常少。圖1．2描述瞭4種可能的操作類型。計算機作為數據傳送設備(如圖1．2(a)所示)，隻需簡單地將數據從一個外設或通信綫路傳到另一個。計算機同樣可作為數據存儲設備(如圖l。2(b)所示)，將數據從外部環境傳送到計算機存儲器(讀)，反之亦然(寫)。最後的兩個圖錶示涉及計算機中的數據處理操作，數據或者在存儲器中(圖1．2(c))，或者在存儲器與外部環境之間的路徑中(圖1．2(d))。
　　前麵的討論似乎過於概括，即使在計算機結構的最高層，區分許多不同的功能仍是可能的。但是，這裏可以引用參考文獻[smw82]中的一段話：
　　“為適應功能而改變計算機結構的情況很少發生。計算機的通用性是根本’所有的功能專門化均發生在編程階段，而不是設計階段。”
　　1．2．2 結構
　　圖1．3是對計算機盡可能簡單的描述。計算機是以某種方式與其外部環境交互的實體。概括地說，與外部環境的所有連接可以劃分為外圍設備和通信綫路。後麵將會討論這兩種連接。
　　本書最關心的是計算機本身的內部結構，它在圖1．4中以高層錶示，有4種主要的結構組件。
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前言/序言

　　目標
　　這是一本關於計算機結構和功能的書，力求盡可能清楚完整地給齣當今計算機係統的性質和特徵。
　　這個任務具有挑戰性，主要有如下幾個原因。首先，有非常多的産品類型都冠以“計算機’’的名字，從隻值幾美元的單片機到價值幾韆萬美元的超級計算機。這種多樣性不僅錶現在價格上，也錶現在規模、性能和應用上。其次，不斷的改變已成為持續發展的計算機技術的特徵。這些改變覆蓋瞭計算機技術的所有方麵，從用於構造計算機部件的底層的集成電路技術，到組閤這些部件的並行組織概念。
　　盡管計算機領域存在多樣性和改變的迅速性，但某些基本概念始終在起作用。當然，這些概念的應用取決於當前的技術狀況和設計者的性能／價格目標。本書的目的在於深入討論計算機組織與體係結構的基本概念和原理，並將它們運用到當代計算機係統設計問題上去。
　　副標題（指叫陸能設計”——譯者注）指齣瞭本書的主題和采用的方法。計算機係統的高性能設計曆來都是重要的，但這一要求從來沒有像今天這樣強烈和難以滿足。包括處理器速度、存儲器速度、存儲器容量和互連的數據速率在內的計算機係統的所有基本性能特徵都在迅速提高，而且，是以不同的速率在提高。這就使設計一個實現性能最大化並利用所有因素的平衡係統變得非常睏難。於是，計算機設計越來越成為一種博弈，它要以改變一個領域的結構和功能來補償另一領域的性能失配。讀者將會看到，這種博弈在本書的許多設計中始終起作用。
　　像任何係統一樣，計算機係統由一組相互關聯的部件組成。通過結構（部件互連方式）和功能（單個部件的操作）最能錶徵一個係統。另外，計算機的組織是層次化的，通過將主要部件分解成各主要子部件，並描述各主要子部件的結構和功能，來進一步描述各主要部件。為清楚和易於理解，本書由士至下地描述這種層次化組織。
　　計算機係統：主要部件是處理器、存儲器和I／O。
　　處理器：主要部件是控製器、寄存器、ALU和指令執行單元。
　　控製器：為所有處理器部件的操作和協調提供控製信號。傳統上，使用的是微程序式實現，其中主要部件是控製存儲器、微指令排序邏輯和寄存器。最近，微程序設計方式已不那麼突齣，但仍是一類重要的實現技術。
　　本文盡量采用以清晰的上下文來組織新素材的方式講解有關內容，這樣可以最大限度地避免讓讀者感到迷茫，應該會比自下而上地講解更好。
　　考查係統的兩個著眼點是體係結構（機器語言程序員可見的係統屬性）和組織（實現體係結構的操作單元和它們的互連），它們將自始至終貫穿於所有討論之中。
　　使用的範例
　　本書選用許多不同機器的例子，來闡明和強化所提齣的概念。多數例子來自兩種計算機係列。這兩種係統共同概括瞭當前計算機的主要設計趨勢。Pentium 4基本上是一種復雜指令集計算機（CISC），但具有某些RISC特徵；而基本上是一種精簡指令集計算機（RISC）。兩種係統都利用瞭超標量設計原理，並且都支持多個處理器的配置。
　　本書的安排
　　本書分為5個部分。
　　第一部分 概述：提供對本書其餘部分的概括說明並明確各部分的上下文關係。
　　第二部分 計算機係統：計算機係統由處理器、存儲器、I／。模塊以及這些主要部件之間的互連機構所組成。這部分依次討論這些方麵，隻是處理器太復雜，所以留作第三部分單獨討論。
　　第三部分 中央處理器：CPU由控製器、寄存器、算術邏輯單元、指令執行單元以及這些部件之間的互連結構所組成。這部分還介紹瞭如指令集設計和數據類型這類體係結構問題，以及如流水化這類組織問題。
　　第四部分 控製器：控製處理器其餘各部件的處理器部分，這裏討論控製器的功能實現。
　　第五部分 並行處理的組織：最後這一部分涉及到多個處理器使用的某些問題和嚮量處理的組織問題。
　　每章均附有習題、思考題和關鍵詞，以及為深入理解書中內容而推薦的參考文獻和Web站點，書末附有參考文獻總匯。
　　本書各部分的篇首給齣瞭該部分中各章的摘要。
　　讀者對象
　　本書麵嚮高校師生和專業技術人員。它可以作為計算機科學、計算機工程、電氣工程等專業主修的CS 22 omputer Architccturc課程的本科生教材，授課時間為一或兩個學期。而計算機體係結構是IEEE／ACM仁；omputer Curricula 200l這個最新計算機課程教學大綱的核心課程之一。
　　對關注此領域的專業技術人員，本書可作為有參考價值的基礎讀物，並適閤自學。
　　麵嚮教師和學生的網上服務
　　本書的wCb站點能為教師和學生提供支持，這包括與其他有關站點的鏈接、以PDF（Adobe Acrobat）格式提供的本書插圖和本書因特網郵件信箱列錶的注冊信息。wcb主頁為，詳見本序言之前的“本書wcb站點”。

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