具体描述
这本最畅销的计算机组成书籍经过全面更新，关注现今发生在计算机体系结构领域的革命性变革：从单处理器发展到多核微处理器，从串行发展到并行。与前几版一样，本书采用了MIPS处理器来展示计算机硬件技术、汇编语言、计算机算术、流水线、存储器层次结构以及I/O等基本功能。此外，本书还包括一些关于ARM和x86体系结构的介绍。
本书特色：
涵盖从串行计算到并行计算的革命性变革，新增了关于并行化的一章，并且每章中还有一些强调并行硬件和软件主题的小节。
新增一个由NVIDIA的首席科学家和架构主管撰写的附录，介绍了现代GPU的出现和重要性，首次详细描述了这个针对可视计算进行了优化的高度并行化、多线程、多核的处理器。
描述一种度量多核性能的独特方法——Roofline model模型，自带AMD Opteron X4、Intel Xeon 5000、Sun UltraSPARC T2和 IBM Cell的基准测试和分析。
涵盖一些关于闪存和虚拟机的新内容。
提供了大量富有启发性的练习题。
将AMD Opteron X4和Intel Nehalem作为贯穿本书的实例。
用SPEC CPU2006组件更新了所有处理器性能实例。
作者简介
David A. Patterson 加州大学伯克利分校计算机科学系教授，美国国家工程研究院院士，IEEE和ACM会士，曾因成功的启发式教育方法被IEEE授予James H. Mulligan，Jr教育奖章。他因为对RISC技术的贡献而荣获1995年IEEE技术成就奖，而在RAID技术方面的成就为他赢得了1999年IEEE Reynold Johnson信息存储奖。2000年他和John L. Hennessy分享了John von Neumann奖。
John L. Hennessy 斯坦福大学校长，IEEE和ACM会士，美国国家工程研究院院士及美国科学艺术研究院院士。Hennessy教授因为在RISC技术方面做出了突出贡献而荣获2001年的Eckert-Mauchly奖章，他也是2001年Seymour Cray计算机工程奖得主，并且和David A. Patterson分享了2000年John von Neumann奖。
目录信息
译者序
前言
第1章 计算机概要与技术1
1.1 引言1
1.1.1 计算应用的分类及其特性2
1.1.2 你能从本书学到什么3
1.2 程序概念入门4
1.3 硬件概念入门7
1.3.1 剖析鼠标8
1.3.2 显示器8
1.3.3 打开机箱9
1.3.4 数据安全12
1.3.5 与其他计算机通信13
1.3.6 处理器和存储器制造技术14
1.4 性能15
1.4.1 性能的定义15
1.4.2 性能的测量17
1.4.3 CPU性能及其因素18
1.4.4 指令的性能19
1.4.5 经典的CPU性能公式19
1.5 功耗墙21
1.6 沧海巨变：从单处理器向多处理器转变23
1.7 实例：制造以及AMD Opteron X4基准25
1.7.1 SPEC CPU基准测试程序27
1.7.2 SPEC功耗基准测试程序28
1.8 谬误与陷阱29
1.9 本章小结31
1.10 拓展阅读32
1.11 练习题32
第2章 指令：计算机的语言42
2.1 引言42
2.2 计算机硬件的操作43
2.3 计算机硬件的操作数46
2.3.1 存储器操作数47
2.3.2 常数或立即数操作数49
2.4 有符号和无符号数50
2.5 计算机中指令的表示54
2.6 逻辑操作59
2.7 决策指令61
2.7.1 循环62
2.7.2 case/switch语句64
2.8 计算机硬件对过程的支持65
2.8.1 使用更多的寄存器66
2.8.2 嵌套过程68
2.8.3 在栈中为新数据分配空间69
2.8.4 在堆中为新数据分配空间70
2.9 人机交互72
2.10 MIPS中32位立即数和地址的寻址75
2.10.1 32位立即数75
2.10.2 分支和跳转中的寻址76
2.10.3 MIPS寻址模式总结78
2.10.4 机器语言解码79
2.11 并行与指令：同步81
2.12 翻译并执行程序83
2.12.1 编译器84
2.12.2 汇编器84
2.12.3 链接器85
2.12.4 加载器87
2.12.5 动态链接库87
2.12.6 启动一个Java程序88
2.13 以一个C排序程序为例89
2.13.1 swap过程89
2.13.2 sort过程90
2.14 数组与指针95
2.14.1 用数组实现clear96
2.14.2 用指针实现clear96
2.14.3 比较两个版本的clear97
2.15 高级内容：编译C语言和解释Java语言98
2.16 实例：ARM指令集98
2.16.1 寻址模式99
2.16.2 比较和条件分支100
2.16.3 ARM的特色100
2.17 实例：x86指令集101
2.17.1 Intel x86的改进101
2.17.2 x86寄存器和数据寻址模式103
2.17.3 x86整数操作104
2.17.4 x86指令编码106
2.17.5 x86总结107
2.18 谬误与陷阱107
2.19 本章小结108
2.20 拓展阅读110
2.21 练习题110
第3章 计算机的算术运算135
3.1 引言135
3.2 加法和减法135
3.2.1 多媒体算术运算137
3.2.2 小结138
3.3 乘法139
3.3.1 顺序的乘法算法和硬件139
3.3.2 有符号乘法141
3.3.3 更快速的乘法142
3.3.4 MIPS中的乘法142
3.3.5 小结142
3.4 除法143
3.4.1 除法算法及其硬件结构143
3.4.2 有符号除法145
3.4.3 更快速的除法146
3.4.4 MIPS中的除法146
3.4.5 小结147
3.5 浮点运算148
3.5.1 浮点表示149
3.5.2 浮点加法152
3.5.3 浮点乘法154
3.5.4 MIPS中的浮点指令157
3.5.5 算术精确性162
3.5.6 小结164
3.6 并行性和计算机算术：结合律165
3.7 实例：x86的浮点165
3.7.1 x86浮点体系结构166
3.7.2 Intel SIMD流扩展2（SSE2）浮点体系结构167
3.8 谬误与陷阱168
3.9 本章小结170
3.10 拓展阅读172
3.11 练习题173
第4章 处理器182
4.1 引言182
4.1.1 一个基本的MIPS实现183
4.1.2 实现方式概述183
4.2 逻辑设计惯例185
4.3 建立数据通路187
4.4 一个简单的实现机制192
4.4.1 ALU控制192
4.4.2 主控制单元的设计194
4.4.3 数据通路的操作197
4.4.4 控制的结束199
4.4.5 为什么不使用单周期实现方式201
4.5 流水线概述202
4.5.1 面向流水线的指令集设计205
4.5.2 流水线冒险205
4.5.3 对流水线概述的小结210
4.6 流水线数据通路及其控制211
4.6.1 图形化表示的流水线219
4.6.2 流水线控制222
4.7 数据冒险：转发与阻塞225
4.8 控制冒险234
4.8.1 假定分支不发生234
4.8.2 缩短分支的延迟235
4.8.3 动态分支预测237
4.8.4 流水线小结239
4.9 异常240
4.9.1 异常在MIPS体系结构中的处理241
4.9.2 在流水线实现中的异常242
4.10 并行和高级指令级并行245
4.10.1 推测的概念246
4.10.2 静态多发射处理器247
4.10.3 动态多发射处理器250
4.11 实例：AMD Opteron X4（Barcelona）流水线253
4.12 高级主题：通过硬件设计语言描述和建模流水线来介绍数字设计以及更多流水线示例255
4.13 谬误与陷阱255
4.14 本章小结256
4.15 拓展阅读257
4.16 练习题257
第5章 大容量和高速度：开发存储器层次结构280
5.1 引言280
5.2 cache的基本原理283
5.2.1 cache访问285
5.2.2 cache缺失处理288
5.2.3 写操作处理289
5.2.4 一个cache的例子:内置FastMATH处理器290
5.2.5 设计支持cache的存储系统292
5.2.6 小结294
5.3 cache性能的评估和改进295
5.3.1 通过更灵活地放置块来减少cache缺失297
5.3.2 在cache中查找一个块300
5.3.3 替换块的选择302
5.3.4 使用多级cache结构减少缺失代价302
5.3.5 小结305
5.4 虚拟存储器305
5.4.1 页的存放和查找308
5.4.2 缺页309
5.4.3 关于写312
5.4.4 加快地址转换：TLB312
5.4.5 集成虚拟存储器、TLB和cache315
5.4.6 虚拟存储器中的保护317
5.4.7 处理TLB缺失和缺页318
5.4.8 小结322
5.5 存储器层次结构的一般架构323
5.5.1 问题1：一个块可以被放在何处323
5.5.2 问题2：如何找到一个块324
5.5.3 问题3：当cache缺失时替换哪一块325
5.5.4 问题4：写操作如何处理325
5.5.5 3C：一种理解存储器层次结构行为的直观模型326
5.6 虚拟机328
5.6.1 虚拟机监视器的必备条件329
5.6.2 指令集系统结构（缺乏）对虚拟机的支持329
5.6.3 保护和指令集系统结构329
5.7 使用有限状态机来控制简单的cache330
5.7.1 一个简单的cache330
5.7.2 有限状态机331
5.7.3 一个简单的cache控制器的有限状态机333
5.8 并行与存储器层次结构：cache一致性334
5.8.1 实现一致性的基本方案335
5.8.2 监听协议335
5.9 高级内容：实现cache控制器336
5.10 实例：AMD Opteron X4(Barcelona)和Intel Nehalem的存储器层次结构337
5.10.1 Nehalem和Opteron的存储器层次结构337
5.10.2 减少缺失代价的技术339
5.11 谬误和陷阱340
5.12 本章小结342
5.13 拓展阅读343
5.14 练习题343
第6章 存储器和其他I/O主题355
6.1 引言355
6.2 可信度、可靠性和可用性357
6.3 磁盘存储器359
6.4 快闪式存储器362
6.5 连接处理器、内存以及I/O设备363
6.5.1 互联基础364
6.5.2 x86处理器的I/O互联365
6.6 为处理器、内存和操作系统提供I/O设备接口366
6.6.1 给I/O设备发送指令367
6.6.2 与处理器通信368
6.6.3 中断优先级369
6.6.4 在设备与内存之间传输数据370
6.6.5 直接存储器访问和内存系统371
6.7 I/O性能度量：磁盘和文件系统的例子372
6.7.1 事务处理I/O基准程序372
6.7.2 文件系统和Web I/O的基准程序373
6.8 设计I/O系统373
6.9 并行性与I/O：廉价磁盘冗余阵列374
6.9.1 无冗余(RAID 0)376
6.9.2 镜像（RAID 1）376
6.9.3 错误检测和纠错码（RAID 2）376
6.9.4 位交叉奇偶校验（RAID 3）376
6.9.5 块交叉奇偶校验（RAID 4）376
6.9.6 分布式块交叉奇偶校验（RAID 5）377
6.9.7 P+Q冗余（RAID 6）378
6.9.8 RAID小结378
6.10 实例：Sun Fire x4150服务器379
6.11 高级主题：网络383
6.12 谬误与陷阱383
6.13 本章小结386
6.14 拓展阅读387
6.15 练习题387
第7章 多核、多处理器和集群394
7.1 引言394
7.2 创建并行处理程序的难点396
7.3 共享存储多处理器398
7.4 集群和其他消息传递多处理器400
7.5 硬件多线程403
7.6 SISD、MIMD、SIMD、SPMD和向量机404
7.6.1 在x86中的SIMD：多媒体扩展405
7.6.2 向量机406
7.6.3 向量与标量的对比407
7.6.4 向量与多媒体扩展的对比408
7.7 图形处理单元简介408
7.7.1 NVIDIA GPU体系结构简介410
7.7.2 深入理解GPU411
7.8 多处理器网络拓扑简介412
7.9 多处理器基准测试程序415
7.10 Roofline：一个简单的性能模型417
7.10.1 Roofline模型418
7.10.2 两代Opteron的比较419
7.11 实例：使用屋顶线模型评估四种多核处理器422
7.11.1 4个多核系统422
7.11.2 稀疏矩阵424
7.11.3 结构化网格425
7.11.4 生产率426
7.12 谬误与陷阱427
7.13 本章小结428
7.14 拓展阅读429
7.15 练习题429
附录A 图形和计算GPU439
A.1 引言439
A.1.1 GPU发展简史439
A.1.2 异构系统440
A.1.3 GPU发展成了可扩展的并行处理器440
A.1.4 为什么使用CUDA和GPU计算440
A.1.5 GPU统一了图形和计算441
A.1.6 GPU可视化计算的应用441
A.2 GPU系统架构441
A.2.1 异构CPU-GPU系统架构442
A.2.2 GPU接口和驱动443
A.2.3 图形逻辑流水线443
A.2.4 将图形流水线映射到统一的GPU处理器443
A.2.5 基本的统一GPU结构444
A.3 可编程GPU445
A.3.1 为实时图形编程446
A.3.2 逻辑图形流水线446
A.3.3 图形渲染程序447
A.3.4 像素渲染示例447
A.3.5 并行计算应用编程448
A.3.6 使用CUDA进行可扩展并行编程449
A.3.7 一些限制453
A.3.8 体系结构隐含的问题453
A.4 多线程的多处理器架构454
A.4.1 大规模多线程454
A.4.2 多处理器体系结构455
A.4.3 单指令多线程（SIMT）456
A.4.4 SIMT warp执行和分支457
A.4.5 管理线程和线程块457
A.4.6 线程指令458
A.4.7 指令集架构（ISA）458
A.4.8 流处理器（SP）461
A.4.9 特殊功能单元（SFU）461
A.4.10 与其他多处理器的比较461
A.4.11 多线程多处理器总结462
A.5 并行存储系统462
A.5.1 DRAM的考虑462
A.5.2 cache463
A.5.3 MMU463
A.5.4 存储器空间463
A.5.5 全局存储器463
A.5.6 共享存储器464
A.5.7 局部存储器464
A.5.8 常量存储器464
A.5.9 纹理存储器464
A.5.10 表面465
A.5.11 load/store访问465
A.5.12 ROP465
A.6 浮点算术465
A.6.1 支持的格式465
A.6.2 基本算术465
A.6.3 专用算术466
A.6.4 性能467
A.6.5 双精度467
A.7 资料：NVIDIA GeForce 8800468
A.7.1 流处理器阵列（SPA）468
A.7.2 纹理/处理器簇（TPC）469
A.7.3 流多处理器（SM）470
A.7.4 指令集471
A.7.5 流处理器（SP）471
A.7.6 特殊功能单元（SFU）471
A.7.7 光栅化471
A.7.8 光栅操作处理器（ROP）和存储系统471
A.7.9 可扩展性472
A.7.10 性能472
A.7.11 密集线性代数性能472
A.7.12 FFT性能473
A.7.13 排序性能474
A.8 资料：将应用映射到GPU474
A.8.1 稀疏矩阵475
A.8.2 在共享存储器中进行缓存477
A.8.3 扫描和归约478
A.8.4 基数排序480
A.8.5 GPU上的N-Body应用482
A.9 谬误与陷阱486
A.10 小结489
A.11 拓展阅读489
附录B 汇编器、链接器和SPIM仿真器490
B.1 引言490
B.1.1 什么时候使用汇编语言493
B.1.2 汇编语言的缺点493
B.2 汇编器494
B.2.1 目标文件的格式495
B.2.2 附加工具496
B.3 链接器498
B.4 加载499
B.5 内存的使用499
B.6 过程调用规范500
B.6.1 过程调用502
B.6.2 过程调用举例503
B.6.3 另外一个过程调用的例子505
B.7 异常和中断507
B.8 输入和输出509
B.9 SPIM511
B.10 MIPS R2000汇编语言513
B.10.1 寻址方式514
B.10.2 汇编语法515
B.10.3 MIPS指令编码515
B.10.4 指令格式516
B.10.5 常数操作指令520
B.10.6 比较指令520
B.10.7 分支指令521
B.10.8 跳转指令523
B.10.9 陷阱指令523
B.10.10 取数指令525
B.10.11 保存指令526
B.10.12 数据传送指令527
B.10.13 浮点运算指令528
B.10.14 异常和中断指令532
B.11 小结533
B.12 参考文献533
B.13 练习题533
· · · · · · (收起)
读后感
第四章211页，第二行“必须考虑复制时存储指令后紧跟着的是装载指令的情况”，原文为“ However, consider loads immediately followed by stores, useful when performing memory-to-memory copies in the MIPS architecture. ”，应该翻译为“但是应当考虑到，在MIPS架构中...
评分感觉这本书一遍下来并不能看通透,比如第四章的流水线那里,我开始看不下去了. 以下为部分摘抄. 发展趋势:并行的处理方式. 1.4如何衡量机器的性能呢? .cpu时间: 用户cpu时间 系统cpu时间 具体的衡量cpu性能: cpu时间=指令数*cpi*时钟周期 1.5 功耗墙 功耗=负载电容*开...
评分为什么新版把 IO 的内容删了。。。其他部分很棒，就是少了IO的内容感觉不太好。 大家感兴趣的话可以看看第三版中相关的内容补充一下，也写得非常好。（难怪学校不用新版的当教材，果然是自作聪明了orz） 总体来说，几乎完美。算是最喜欢的硬件书之一了！ 字数补丁字数补丁字数...
评分看了各种评论，说是这本书很好。无可厚非，作者可是体系结构的大拿，RISC的创始人，mips的发动者，计算机体系结构量化方法的作者。 大家也应该夸奖下引进和翻译这本书的成员！他们做了很多工作。有纰漏的地方，需要大家的鼓励支持和包含。这本书的翻译作者，是体系结构领域的博...
评分书写得非常好。基本上看完了前六章，看完作者所述计算机指令和关于cpu的叙述后，发现cpu真的很简单，我想这正说明作者的很高水平，由Mips的cpu的主要发明人之一来叙述cpu，确实能够把关于cpu的细节说清楚。比我原先学过的清华郑纬民那本《计算机系统结构》强多了那本书学完之后...
用户评价
这本书的封面设计得相当扎眼，那种深沉的蓝色调和金属质感的字体，一下子就抓住了我的眼球。拿到手里掂了掂，分量十足，光是这份厚重感，就让人觉得里面必定是干货满满。我特地选了这本，就是冲着它在业内赫赫有名的地位去的。说实话，刚翻开目录的时候，内心还是有点忐忑的，毕竟“组成与设计”这四个字听起来就充满了硬核气息。我期待着能在这本书里找到那种将复杂的底层逻辑剥茧抽丝、化繁为简的讲解方式。我希望作者能用生动的比喻，将那些抽象的二进制、寄存器、总线结构，变得像搭积木一样直观易懂。如果能配上大量精美的图示，那就更完美了。我渴望的不是那种冷冰冰的教科书式罗列，而是能真正感受到设计思想的脉络，理解为什么现代计算机要这样组织和运作。这本书给我的第一印象是：这是一部严肃对待计算机科学本质的鸿篇巨制，值得我投入大量时间去啃食。
评分我花了整整一个周末的时间，沉浸在这套理论的海洋里，尤其是关于指令集架构的部分，简直让人大呼过瘾。这本书的叙事节奏把握得相当到位，它不是一股脑地把所有知识点砸过来，而是非常有层次感地引导读者从宏观的系统视角逐步深入到微观的硬件实现细节。比如，它在讲解流水线技术时，那种将时间轴和并行处理的概念结合起来的阐述方式，清晰地展现了性能优化的核心思想。我特别欣赏作者对于不同设计权衡的讨论，比如速度与功耗、成本与复杂性之间的取舍，这些真实例子让理论不再是空中楼阁。阅读过程中，我经常会合上书本，尝试在脑海中复现那种数据流动的场景，这极大地提升了我的空间想象能力。这本书的魅力就在于，它不仅仅是在“教”你知识，更是在“培养”你像一个真正的系统架构师那样去思考问题。
评分这本书带给我最大的收获，或许是那种对“为什么”的深刻理解，而不是仅仅停留在“是什么”的层面。它不仅仅是告诉你CPU如何工作，更是让你理解了在特定的物理和经济约束下，无数工程师是如何巧妙地将这些复杂的组件组织在一起，以实现极致的性能和可靠性。我发现自己看其他关于软件优化的文章时，都会不自觉地去回溯到这本书里讲的内存访问模式和指令级并行性，这使得我的视野变得更加立体和扎实。虽然阅读过程偶尔会因为其内容的密度而感到心累，但每攻克一个难点，那种成就感是无与伦比的。这本书无疑是计算机科学专业人士书架上不可或缺的一块基石，它的价值，只有在你真正动手去设计或调试底层系统时，才能体会得淋漓尽致。
评分这本书的排版和印刷质量也值得称赞，厚实的纸张保证了即便是反复翻阅也不会轻易损坏，这对经常需要对照查阅的工具书来说至关重要。不过，我得坦诚地说，对于初学者而言，这本书的某些章节，尤其是涉及具体逻辑门电路和硬件描述语言的部分，可能需要更高的专注度。我尝试着去理解书中那些略显简略的数学推导，老实说，有那么几处我不得不借助网络资源来补充背景知识，才能真正跟上作者的思路。这倒不是说书写得不好，而是这种专业深度，本身就决定了它必然是一本需要投入汗水去消化的“硬菜”。我感觉作者似乎默认读者已经具备了一定的预备知识，所以在某些基础概念的铺垫上显得相对克制。总而言之，它更像是一位经验丰富的大师在指导你进行一场高难度的攀登，你需要自己准备好足够的体力和工具。
评分最让我感到惊喜的是书中对现代处理器设计趋势的关注。它并没有沉溺于对过往经典架构的追忆，而是将目光聚焦于当前芯片设计面临的瓶颈和未来的发展方向，比如多核并行、内存墙问题以及能效比的优化。这种与时俱进的内容，让这本书的价值远远超出了单纯的理论教材范畴，它更像是一本兼具深度和前瞻性的行业参考手册。当我读到关于缓存一致性协议的章节时，简直有种醍醐灌顶的感觉，那些过去在其他地方看到却总感觉模糊不清的概念，在这里得到了清晰、系统的梳理。这种结构化的知识体系，极大地增强了我对现代高性能计算平台的理解深度。我甚至开始思考，在面对未来的技术选型时，这本书提供的思维框架能给我带来多大的启发。
评分写的很详细，老胡讲的很无聊，然后考试没考好。。
评分第四版给力啊！
评分这本书主要是基于 MIPS 体系结构把冯诺依曼体系的五大组件进行了逐一的硬件实现+软件设计介绍，更为重要的是引入了诸多并行计算的内容，这是大部分教材中忽略或者内容较少的，会根据这个思路把并行相关的内容，结合 OpenMP, CUDA 和 Hadoop/Spark 整体融入到新书中，毕竟这是未来发展的趋势
评分除最后一章外这本书里面的大部分东西在CSAPP中都讲过，而且CSAPP讲的更好，可以并发地看CSAPP和这本书
评分对于学软件的还是更适合看《深入理解计算机系统》。
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