神秘是我們所能體驗(yàn)的最美好的事物，它是所有真正的藝術(shù)和科學(xué)的源泉。
—阿爾伯特·愛因斯坦，《我的信仰》，1930年
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我們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程時(shí)，不僅需要了解這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展，同時(shí)也需要掌握計(jì)算技術(shù)背后的基本原理和組成結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成決定了系統(tǒng)的功能和性能，是系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。因此，計(jì)算領(lǐng)域各個(gè)方向的讀者都能從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成理論的學(xué)習(xí)中
受益。
隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算領(lǐng)域的各個(gè)方向都需要對(duì)硬件和軟件均有深入理解的專業(yè)人士。硬件和軟件在各個(gè)層次上的相互關(guān)系，為理解計(jì)算技術(shù)的基本原理提供了框架。無論你感興趣的是硬件還是軟件，是計(jì)算機(jī)科學(xué)還是電氣工程，計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)的核心思想都是相同的。因此，本書著重展示計(jì)算機(jī)硬件與軟件間的相互關(guān)系，并重點(diǎn)介紹當(dāng)今計(jì)算機(jī)中的基礎(chǔ)概念。
當(dāng)前，微處理器由單核發(fā)展為多核，這一趨勢(shì)印證了本書自第1版就提出的觀點(diǎn)。過去，程序員可以忽略我們的建議，在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)專家、編譯器開發(fā)者以及芯片工程師的幫助下，他們一行代碼也不用修改，就能讓程序更快或更高效地運(yùn)行在新型微處理器上。但是，這樣的時(shí)代已經(jīng)一去不返了。為了使程序運(yùn)行得更快，就必須要實(shí)現(xiàn)并行化。雖然許多研究者的目標(biāo)是希望程序員在編寫程序時(shí)無須考慮底層硬件的并行特性，但這一目標(biāo)還要很多年才能實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)為，至少在下一個(gè)十年里，大多數(shù)程序員仍必須理解硬件/軟件接口，才能編寫出在并行計(jì)算機(jī)上高效運(yùn)行的程序。
本書適合以下讀者：在匯編語言或（數(shù)字）邏輯設(shè)計(jì)方面只有少許經(jīng)驗(yàn)，需要對(duì)計(jì)算機(jī)組成的基本原理有所理解；具有匯編語言或邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，需要學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)，或者需要進(jìn)一步理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何工作的。
與本書相關(guān)的另一本書
有些讀者可能對(duì)《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法》一書有所了解，也就是人們常說的“Hennessy and Patterson”（本書則常被稱為“Patterson and Hennessy”）。我們撰寫“量化研究方法”那本書，意在通過堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)和量化的開銷/性能權(quán)衡方法來描述計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的原理。書中以商用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將案例和測(cè)量方法相結(jié)合，以期幫助讀者積累實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。我們希望闡明的是，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以通過“量化”的方法而不是“描述”的方法來學(xué)習(xí)。因此，它主要面向需要對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有詳細(xì)了解的計(jì)算機(jī)專業(yè)人士。
本書的大多數(shù)讀者可能并不打算成為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)專家。然而，軟件設(shè)計(jì)人員對(duì)底層硬件技術(shù)的理解程度，將對(duì)軟件系統(tǒng)的性能和能效產(chǎn)生顯著影響。因此，編譯器開發(fā)者、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、數(shù)據(jù)庫程序員以及其他大多數(shù)軟件工程師都應(yīng)當(dāng)對(duì)本書所介紹的原理有充分了解。同樣，硬件設(shè)計(jì)人員也必須清楚地理解他們的工作將對(duì)軟件應(yīng)用產(chǎn)生何種影響。
因此，本書絕非“量化研究方法”一書的子集，而是進(jìn)行了大量擴(kuò)充和修訂，以滿足不同層次的讀者。我們?cè)凇傲炕�研究方法”的后續(xù)版本中刪除了很多介紹性的內(nèi)容，較之這兩本書的第1版，現(xiàn)在重疊的內(nèi)容已經(jīng)大幅減少，這是一個(gè)令人高興的變化。
這一版為何采用ARMv8
指令集的選擇對(duì)于一本計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教科書而言是非常關(guān)鍵的。無論一種指令集多受歡迎，如果它對(duì)初學(xué)者來說花哨難懂，我們?nèi)詴?huì)放棄這種巴洛克式的華美。初次接觸的指令集應(yīng)當(dāng)是指令集中的“典范”，足以被牢記心間，就像牢記初戀一樣。你或許不會(huì)相信，初戀和初次接觸的指令集都有令人記憶猶新的魔力。
雖然當(dāng)年也有很多種指令集可供選擇，但在撰寫“量化研究方法”的第1版時(shí)，我們自己構(gòu)造了一種RISC風(fēng)格的指令集—MIPS。MIPS指令集非常簡(jiǎn)潔而且廣受歡迎，因此從第1版開始，那本書的后續(xù)版本以及我們的其他相關(guān)書籍都采用MIPS指令集作為范例。MIPS一直陪伴著我們以及我們的廣大讀者。
當(dāng)前，ARM發(fā)展速度驚人，其指令集的受歡迎程度也令人難以置信。2015年ARM芯片的出貨量就達(dá)到了140億片。很多教師提出需求，希望能夠基于ARM出版一個(gè)版本。在本書亞洲版的一些章節(jié)中，我們?cè)�做過嘗試。但是，ARMv7（32位地址）指令集“怪異”的風(fēng)格讓我們無法忍受。因此，我們考慮不再繼續(xù)采用ARMv7。
然而，讓人驚喜的是，ARM推出的64位指令集有了很大的改動(dòng)。較之ARMv7，新的64位指令集和MIPS有很多相似之處：
將寄存器數(shù)由16個(gè)增加為32個(gè)。
將PC設(shè)計(jì)為獨(dú)立的寄存器，而不是寄存器組中的一個(gè)。
去除了指令的條件執(zhí)行功能。
去除了多字連續(xù)load和store（load multiple和store multiple）指令。
增加了PC相對(duì)尋址的分支指令，支持較大的轉(zhuǎn)移空間。
將所有數(shù)據(jù)傳輸指令的尋址模式設(shè)置為一致的。
減少了指令集的條件碼。
……
雖然ARMv8比MIPS龐大得多（ARMv8指令集參考手冊(cè)多達(dá)5400頁），但是本書只挑選了ARMv8指令集的一個(gè)子集，這個(gè)子集在指令數(shù)量和特性上都與以前版本所采用的MIPS相似。為了避免混淆，本書將這個(gè)子集稱為L(zhǎng)EGv8。所以，本書基于LEGv8撰寫了ARMv8版。
ARMv8指令集本身提供了32位地址指令和64位地址指令兩種模式。我們?cè)�本可以選擇ARMv8指令集并保持32位地址模式，不過我們的出版商對(duì)讀者進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)論是75%的讀者傾向于采用64位地址模式或者持中立態(tài)度。因此我們最終決定將地址空間擴(kuò)展為64位，從目前技術(shù)發(fā)展的角度來看也更為合理。
ARM版和MIPS版的區(qū)別僅在于涉及指令集的章節(jié)，主要是第2、3、5章的虛擬存儲(chǔ)器部分，以及第6章的VMIPS例子部分。第4章切換到了ARMv8指令，修改了若干圖表，增加了一些“精解”模塊，這些改動(dòng)都較為簡(jiǎn)單。第1章和剩下的附錄幾乎沒有改動(dòng)�？紤]到網(wǎng)絡(luò)上大量的文檔材料以及ARMv8本身的復(fù)雜度，將原來的附錄A（匯編器、鏈接器和SPIM模擬器）從MIPS版替換為ARM版是非常困難的。對(duì)此，本書在第2、3、5章中均包含了對(duì)除ARMv8核心指令之外的其他ARMv8指令的快速概述，而這些核心指令則在其他章節(jié)中詳細(xì)介紹。我們相信本書的讀者即使沒有閱讀網(wǎng)絡(luò)上動(dòng)輒幾千頁的資料的經(jīng)驗(yàn)，也依舊能夠較好地理解ARMv8。其他勇于探索的讀者則可以通過閱讀這些概述對(duì)ARMv8形成框架性的認(rèn)識(shí)，以便后續(xù)更好地理解ARMv8眾多復(fù)雜的特點(diǎn)。
當(dāng)然，我們并沒有打算永久地采用ARMv8結(jié)構(gòu)，例如本書第5版的ARM版和MIPS版就同時(shí)在售。本書未來的版本可能還會(huì)有對(duì)MIPS版和ARM版的需求，也可能會(huì)有包含另一種指令集的新版本出現(xiàn)。我們期待你的反饋。
第5版的變化
第5版有6項(xiàng)主要變化：
通過實(shí)例論證理解硬件的重要性。
對(duì)于第1章中提到的8個(gè)偉大思想，在后面每次應(yīng)用這些思想時(shí)予以突出顯示。
更新例題，體現(xiàn)從PC時(shí)代到后PC時(shí)代的發(fā)展變化。
將I/O吞吐率方面的內(nèi)容貫穿在整本書中，而不是集中在一章中闡述。
對(duì)技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了更新，體現(xiàn)自2009年本書第4版出版以來工業(yè)界的變化。
將附錄和可選章節(jié)的內(nèi)容放在互聯(lián)網(wǎng)上（帶有??圖標(biāo)），而不是隨書附加CD，從而降低了成本，也使新版本可獨(dú)立成為一部電子書。
在詳細(xì)介紹第5版的變化即修訂目標(biāo)之前，首先看下表。該表列出了本書的主要內(nèi)容，并為關(guān)注硬件和關(guān)注軟件的兩類讀者分別進(jìn)行了導(dǎo)讀。其中，第1、4、5、6章是兩類讀者都需關(guān)注的。第1章討論了能耗的重要性及其如何引發(fā)微處理器從單核向多核轉(zhuǎn)變，還介紹了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的8個(gè)偉大思想。第2章對(duì)于硬件方向的讀者來說很可能是復(fù)習(xí)性的內(nèi)容，而對(duì)于軟件方向的讀者來說則是必選的學(xué)習(xí)內(nèi)容，特別是希望對(duì)編譯器和面向?qū)ο缶幊陶Z言有更多了解的讀者。第3章適合對(duì)數(shù)據(jù)通路構(gòu)建或浮點(diǎn)運(yùn)算感興趣的讀者。如果你對(duì)這些內(nèi)容沒有興趣，或是已經(jīng)掌握了這部分知識(shí)，則可以跳過該章。不過，第3章中給出了一個(gè)矩陣乘法的實(shí)例，展示如何通過子字并行方法將性能提高4倍，因此不要跳過3.6～3.8節(jié)。第4章介紹流水線處理器。其中，4.1、4.5和4.10節(jié)為概述，4.12節(jié)給出了進(jìn)一步提高矩陣乘法性能的方法，這些小節(jié)對(duì)于關(guān)注軟件的讀者來說比較重要。而對(duì)于關(guān)注硬件的讀者，第4章是核心內(nèi)容，你可以根據(jù)自己具備的硬件知識(shí)背景，選擇是否先閱讀附錄A中的邏輯設(shè)計(jì)部分。最后一章是全新的內(nèi)容，涉及多核、多處理器和集群系統(tǒng)，所有讀者都應(yīng)該閱讀。我們重新組織了內(nèi)容，希望能使很多技術(shù)思想的闡述更加自然，并且引入了更多關(guān)于GPU、倉儲(chǔ)式計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)軟硬件接口（集群系統(tǒng)中的關(guān)鍵）的內(nèi)容。
章/附錄節(jié)關(guān)注軟件關(guān)注硬件
第1章
計(jì)算機(jī)的抽象與技術(shù)1.1~1.11
1.12（歷史）
第2章
指令：計(jì)算機(jī)的語言2.1~2.14
2.15（編譯器和Java）
2.16~2.21
2.22（歷史）
附錄D
RISC指令集體系結(jié)構(gòu)D.1～D.17
第3章
計(jì)算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算3.1～3.5
3.6~3.9（子字并行）
3.10~3.11（謬誤）
3.12（歷史）
附錄A
邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)A.1~A.13
第4章
處理器4.1（引言）
4.2（邏輯設(shè)計(jì)的一般方法）
4.3~4.4（簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)）
4.5（流水線概述）
4.6（流水線數(shù)據(jù)通路）
4.7~4.9（冒險(xiǎn)和異常）
4.10~4.12（并行和實(shí)例）
4.13（Verilog流水線控制）
4.14~4.15（謬誤）
4.16（歷史）
附錄C
控制器的硬件實(shí)現(xiàn)C.1~C.6
第5章
大容量和高速度：開發(fā)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)5.1~5.10
5.11（廉價(jià)冗余磁盤陣列）
5.12（Verilog cache控制器）
5.13~5.16
5.17（歷史）
第6章
并行處理器：從客戶端到云6.1~6.8
6.9（網(wǎng)絡(luò)）
6.10~6.14
6.15（歷史）
附錄B
圖形處理單元B.1~B.13

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回顧或閱讀　拓展閱讀　　
第5版的第一個(gè)目標(biāo)是希望通過具體的例子，幫助讀者理解硬件對(duì)提高性能和能效的重要性。正如前面所述，第3章介紹了如何采用子字并行將矩陣乘法加速4倍。第4章介紹了通過循環(huán)展開將性能翻倍，從而證明了指令集并行的價(jià)值。第5章闡述了如何利用分塊技術(shù)優(yōu)化cache，將性能再次翻倍。第6章證明了通過在16個(gè)處理器上采用線程級(jí)并行可以獲得14倍的加速比。而這四種優(yōu)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，僅需要在原始矩陣乘法例子的C代碼上增加24行代碼。
第二個(gè)目標(biāo)是幫助讀者更好地理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的精髓：首先集中介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的8個(gè)偉大思想，然后在整本書中明確指出這些思想的應(yīng)用。在每次引用這些偉大思想時(shí)會(huì)突出顯示，全書大約有100次引用，每章中至少有7處應(yīng)用實(shí)例，并且每個(gè)思想至少被引用5次。通過并行、流水線以及預(yù)測(cè)技術(shù)提高性能是被引用最多的三個(gè)思想，其次是摩爾定律。講述處理器的第4章是實(shí)例最多的一章，也是最吸引計(jì)