《世界著名计算机教材精选·计算机组织与体系结构：性能设计（第7版）》是介绍当代计算机体系主流技术的技术的优秀教材。作者以Intel Pentium 4和IBM/Motorola PowerPC作为考察实例，将当代计算机系统性能问题和计算机组织与体系结构的基本概念及原理紧密联系起来。本书共18章，分成5个部分。主要内容有：CPU性能设计、指令流水线、整数和浮点算术、微程序设计的控制器；RISC处理器和超标量处理器；的IA-64体系结构和Itanium处理器；PCI新型系统总线规范；cache存储器组织、cache一致性问题和MESI协议；包括行总线和最近研发的InfiniBand；最后是多个处理器的并行组织，包括对称多处理机、机群系统、非均匀存储器存取（NUMA）系统。
本书可作为计算机科学、计算机程等专业的计算机体系结构课程的教材，对从事计算机研究与开发的技术人员来说，也具有指导意义。
第1章 导论
这是一本关于计算机结构和功能的书，其目标是尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。这项任务颇具挑战性，主要原因有两方面。
首先，从只值几美元的单片机到价值几千万美元的超级计算机，这中间有多种产品都可以称为计算机。多样性不仅表现在计算机的成本上，而且还表现在计算机的体积大小、性能和应用上。其次，计算机技术发展的步伐相当快，绝无停顿。这些发展表现在计算机技术的各个方面，从用于构成计算机部件的底层集成电路技术，到越来越广泛采用的将这些部件组合起来的并行组织技术。
尽管计算机领域内富有多样性并且仍在改变，但始终存在一些基本概念。当然，这些概念的应用依赖于技术的发展状况，以及设计者所要达到的性能／价格目标。本书的目的在于深入地讨论计算机组织与结构的基本原理，并将它们应用到当代计算机设计问题中去。作为介绍性的章节，本章简略地讨论将要采用的描述方法，并对本书其余部分进行概述。
1．1 计算机组织与体系结构
要描述计算机系统，就要清楚地区分计算机体系结构(computcr architccture)和计算机组织(cmputcr。rganizati。n)这两个概念。虽然很难给出这两个术语的精确定义，但对它们所涉及的领域则存在着共识(见参考文献[VRAN8。]、[SIEW82]和[BELL78a])
计算机体系结构是指那些对程序员可见的系统属性。换句话说，这些属性直接影响到程序的逻辑执行。计算机组织是指实现其结构规范的操作单元及其相互连接。例如’结构的属性包括指令集、表示各种数据类型(例如，整型、字符型)的比特数、输入输出机制以及内存寻址技术。组织的属性包括那些对程序员透明的硬件细节，如控制信号、计算机和外设的接口以及存储器使用技术。
例如，计算机是否有乘法指令是结构设计问题。而这条指令是由特定的乘法单元实现，还是通过重复使用系统的加法单元来实现，则是一个组织问题。决定使用哪种组织需要考虑预期使用乘法单元的频度，考虑两种方案的相对速度，还需要考虑一个特定乘法单元的成本和物理尺寸等因素。
无论过去还是现在，了解结构和组织的差别都是很重要的。计算机制造商往往提供一系列型号的计算机，它们都有相同的结构，但组织却不同。因而，某一系列中不同型号的计算机的价格和性能特点也不相同。一种结构可能存在多年，但它的组织则随着技术的进步而不断更新。这种现象的一个突出例子就是IBM System／370结构，这种结构于1970年推出，包括多种型号。仅有最低要求的客户可以购买较便宜的、速度较慢的类型。如果今后要求提高了，可以升级到更贵的、速度更快的类型，从而不必丢弃已经开发的软件。几年来，IBM通过改进技术推出了许多新型号来替代旧的型号，为用户提供高速、低价或二者兼而有之的产品。这些新型号保留了同样的结构，因而保障了用户的软件投资。值得注意的是，Systcm／370体系结构经过几次增强，不但生存至今，而且仍是IBM的旗舰产品。
在被称为微型计算机一类的系统中，体系结构和组织的关系非常密切。技术的更新不仅影响了计算机的组织，还导致了更强大且更复杂的体系结构。通常，越小的机器，新旧两代之间的兼容性要求就越少，因此组织和体系结构设计决策的关系就更加密切。关于它的一个有趣例子是精简指令集计算机(RISC)，本书将在第13章进行深人探讨。
本书介绍计算机组织和计算机体系结构两个方面的内容，或许更强调组织方面的内容。但是，计算机组织的设计必须遵照特定的体系结构规范，所以对组织的深入论述也要求对体系结构有同样细致的考察。
1．2 结构和功能
计算机是一个复杂的系统，当代计算机包含数百万个电子元件，怎样才能清楚地描述它呢？关键就在于认识包括计算机在内的大多数复杂系统的分层性质[SIMO96]。层次系统是一组互相关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成最基本的子系统。
复杂系统的层次特性是设计和说明它们的基础。设计者每次只需处理某个特定的层即可，每一层由一组部件及其相互关系组成。每一层的行为仅依赖于其下一层更为简单的抽象特征。在每一层上，设计者关心的是结构和功能．。
结构：部件相互关联的方式。
功能：作为有关结构组成部分的各个部件的操作。
根据描述，有两种选择：由底层开始建立完整的描述；或者从顶层开始将系统分解成各个子部分。许多领域的事实证明，由顶至下的方法是最清晰并且最有效的方法[WEIN75]。
本书采用的方法也遵循这一观点，将自顶向下地描述计算机系统。从系统的主要部件开始，描述它的结构和功能，然后逐级深入推进到体系中的低层。这一部分的其余章节将为这种逐级推进的描述提供简短概述。1．2．l 功能
从本质上来说，计算机的结构和功能运作都很简单。图1．1描述了计算机能够完成的基本功能，概括起来有4项：
数据处理
数据存储
数据传送
控制
计算机当然能处理数据，数据可以有多种形式，处理的要求也是很广泛的。但是数据处理的基本方法或类型只有几种。
存储数据也很重要。即使简单地处理数据(即数据输入并处理，结果直接输出)，计算机也必须在某个特定的时刻存储它正在运算的数据值。因此，计算机至少要有短期数据存储功能。计算机的长期数据存储功能也同样重要。存储在计算机内的数据文件可用于以后的检索或更新。
计算机必须能在它自身与外界之间传送数据。计算机操作环境包含了作为数据源或目标的设备。当由直接与计算机相连的设备接收数据或向其发送数据时，这个过程称为输入输出(I／O)，这个设备称为外围设备(pcripheral)。当数据传至远处，或从远方设备接收时，这个过程称为数据通信。
最后，必须对这3种功能进行控制。这种控制功能最终是由给计算机提供指令的人来施加的。在计算机系统中，控制器根据这些指令管理计算机的资源，并协调各个功能部件的操作方式。
在这种通常讨论的级别上，能够完成的操作非常少。图1．2描述了4种可能的操作类型。计算机作为数据传送设备(如图1．2(a)所示)，只需简单地将数据从一个外设或通信线路传到另一个。计算机同样可作为数据存储设备(如图l。2(b)所示)，将数据从外部环境传送到计算机存储器(读)，反之亦然(写)。最后的两个图表示涉及计算机中的数据处理操作，数据或者在存储器中(图1．2(c))，或者在存储器与外部环境之间的路径中(图1．2(d))。
前面的讨论似乎过于概括，即使在计算机结构的最高层，区分许多不同的功能仍是可能的。但是，这里可以引用参考文献[smw82]中的一段话：
“为适应功能而改变计算机结构的情况很少发生。计算机的通用性是根本’所有的功能专门化均发生在编程阶段，而不是设计阶段。”
1．2．2 结构
图1．3是对计算机尽可能简单的描述。计算机是以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说，与外部环境的所有连接可以划分为外围设备和通信线路。后面将会讨论这两种连接。
本书最关心的是计算机本身的内部结构，它在图1．4中以高层表示，有4种主要的结构组件。
……
第0章 读者指南
0.1 本书概要
0.2 因特网和Web资源
第一部分 概述
第1章 导论
1.1 计算机组织与体系结构
1.2 结构和功能
1.3 为何要学习计算机组织和体系结构
第2章 计算机的演变和性能
2.1 计算机简史
2.2 性能设计
2.3 Pentium和PowerPC的进展
2.4 推荐的参考文献和Web站点
2.5 关键词、思考题和习题
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
3.1 计算机的部件
3.2 计算机功能
3.3 互连结构
3.4 总线互连
3.5 PCI
3.6 推荐的参考文献和Web站点
3.7 关键词、思考题和习题
附录3A 时序图
第4章 cache
4.1 计算机存储系统概述
4.2 cache存储器原理
4.3 cache的设计要素
4.4 Pentium 4和PowerP的Ccache组织
4.5 推荐的参考文献
4.6 关键词、思考题和习题
附录4A 两级存储器的性能特点
第5章 内部存储器
5.1 半导体主存储器
5.2 纠错
5.3 高级DRAM组织
5.4 推荐的参考文献和Web站点
5.5 关键词、思考题和习题
第6章 外部存储器
6.1 磁盘
6.2 RAID（磁盘冗余阵列）
6.3 光存储器
6.4 磁带
6.5 推荐的参考文献和Web站点
6.6 关键词、思考题和习题
第7章 输入输出
7.1 外部设备
7.2 I/O模块
7.3 编程式I/O
7.4 中断驱动式I/O
7.5 存储器直接存取（DMA）
7.6 I/O通道和处理器
7.7 外部接口：FireWire和InfiniBand
7.8 推荐的参考文献和Web站点
7.9 关键词、思考题和习题
第8章 操作系统支持
……
第三部分 中央处理器
第四部分 控制器
第五部分 并行处理的组织
附录A 计算机组织与体系结构课题
参考文献
