計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法

　　為什么我們寫這本書在本書的三個版本中，我們的目標一直是描述揭示未來科技發(fā)展方向的基本原理。我們關(guān)于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱情沒有消退，正如同我們從第一版開始就不斷重復(fù)的那樣：“這絕不是無聊的紙上談兵式的計算機科學(xué)：這個學(xué)科閃耀著奪目的智慧火花，還需要平衡市場購買力和性能價格比，它可能導(dǎo)致巨大的失敗，也可能帶來偉大的成功?！痹趯懙谝话鏁r，我們的主要目標是改變?nèi)藗儗W(xué)習(xí)和認識計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法。我們感到這個目標依然重要。這是一個日新月異的領(lǐng)域，我們必須研究實際的例子，評估實際的機器，而不是僅僅給出一堆毫無必要的定義和設(shè)計。我們在此熱烈地歡迎那些從一開始就和我們在一起的人們，同時也熱烈歡迎現(xiàn)在加入到我們中間的人們。自始至終我們都將用定量的方法對真實的機器進行分析。和前幾個版本一樣，我們努力編寫這個新版本，使其既適用于專業(yè)的工程師和設(shè)計者，也適用于學(xué)習(xí)高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計課程的人士。同樣，這一版將致力于通過強調(diào)價格和性能的綜合考慮以及良好的工程設(shè)計，來闡明計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。我們相信這個領(lǐng)域在不斷地成熟，正在成為精確量化長期建立的科學(xué)和工程理論的基礎(chǔ)。在我們199年的第一版和1996年的第二版中描述的理論能夠成功地應(yīng)用于揭示現(xiàn)今計算機技術(shù)領(lǐng)域的狀況，這使我們得到了莫大的滿足。我們期望在未來的幾十年中，讀者能夠應(yīng)用這本書中的基本理論得到同樣滿意的結(jié)果。關(guān)于第三版本書的第三版本來應(yīng)該是很容易寫的：和前兩個版本相同，我們的量化研究方法沒有改變，我們的著眼點還是計算機設(shè)計中的基本原理。和第二版一樣，書中的例子已經(jīng)進行了更新。但這個領(lǐng)域中日新月異的進展和新出現(xiàn)的市場，以及和這些市場相關(guān)的方法，使得我們幾乎重寫了整本書。在第二版發(fā)行后的六年里，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直沒有減緩過。當編寫第二版的時候，我們就發(fā)現(xiàn)有許多的新概念需要介紹，還有一些材料應(yīng)該有更基本的定位。我們的系列叢書從本書的第一版開始，接著是“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”（《計算機組織與設(shè)計：硬件/軟件接口》），然后是本書和“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”的第二版，現(xiàn)在出的本書第三版，已經(jīng)是我們系列叢書中的第五本了。一些過時的概念被移到了“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”這本書或者本書的附錄中。這和我們的目標是一致的，即在最新的計算機技術(shù)環(huán)境中介紹概念。所以，本書第二版中只有少量有意義的部分被保留，而第一版中幾乎所有內(nèi)容都已經(jīng)被替換了。可能最讓我們吃驚的是，現(xiàn)在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)被分成了彼此相關(guān)但又有不同的三個市場部分，每一部分都有自己獨特的需求。在本書的第一版和第二版中介紹的性能價格比主題內(nèi)容仍然能夠很好地說明臺式計算機部分。另外兩個新的部分是嵌入式計算機和服務(wù)器，為了反映這些變化，這一版做了兩點比較大的改動：第一點，我們拓展了標準化的成功這一方面的內(nèi)容；第二點，我們加入了一個稱為“其他視角：……”的新部分，用視頻游戲、數(shù)碼相機和可視電話等材料補充了各章的“綜合：……”主題中的傳統(tǒng)例子。和臺式機相比，嵌入式計算機更加關(guān)注低能耗。通常情況下，它們只用來運行單個程序，采用電池供電，沒有主動制冷機制，對能量的利用率要求非常嚴格。為了闡述嵌入式處理器方面的內(nèi)容，我們增加了一些內(nèi)容，例如采用EEMBC標準來評測系統(tǒng)的性能，還有多媒體處理器和DSP指令集的一些設(shè)計準則。附錄中包含了關(guān)于最流行的嵌入式指令集結(jié)構(gòu)的材料，本書中還包括了平衡性能和能耗的一些方法，介紹了兩個強調(diào)低能耗的例子：Transmeta和低能耗MIPS處理器，還提到了嵌入式系統(tǒng)的一些例子，包括PlayStation-2視頻游戲機、Sanyo數(shù)碼相機以及Nokia移動電話。臺式機強調(diào)性能，服務(wù)器則不同，它更強調(diào)系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和吞吐量。通常情況下，這種系統(tǒng)包含多個處理器和多塊磁盤。本書解釋了可靠性的概念，給出了很難得的組件故障率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。除了評測處理器性能的SPEC2基準測試，我們還介紹了文件服務(wù)器的TPC數(shù)據(jù)庫基準測試以及SPEC基準測試。本書中介紹的服務(wù)器處理器的例子包括Intel的IA-64處理器和Sun的UltraSPARCIII處理器，服務(wù)器系統(tǒng)的例子包括SunFire68，SunWildfire，EMCSymmetrix，EMCCelerra，Google集群計算機和IBM事務(wù)處理集群計算機。在第三版中，我們繼續(xù)采用真實世界的例子來說明我們的思想。另外，“綜合：……”部分的例子是1%新增的。這部分包括MIPS64指令集結(jié)構(gòu)，IntelPentiumIII和Pentium4的流水線組織，IntelIA-64結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)（microarchitecture），Alpha21264存儲器層次結(jié)構(gòu)，SunWildfire多處理器，EMCSymmetrix存儲陣列，EMECelerra文件服務(wù)器和Google搜索引擎。“其他視角：……”部分介紹了真實世界中的嵌入式處理器和服務(wù)器，包括TrimediaTMS多媒體處理器，PowerPC多線程處理器，SonyPlaystation-2上動畫引擎的存儲器層次結(jié)構(gòu)，SunFire68/UltraSPARCIII存儲器層次結(jié)構(gòu)，EmpowerTelMXP嵌入式多處理器，Sanyo數(shù)碼相機和Nokia移動電話。根據(jù)讀者的建議，我們改進了練習(xí)部分。所有的練習(xí)都經(jīng)過了復(fù)查，減少了不明確的地方，去掉了不合適的題目，同時我們還加入了許多新的習(xí)題。應(yīng)許多讀者的要求，我們在附錄B中給出了部分習(xí)題的答案。為了方便讀者的閱讀，我們加入了一些比較新的特性。例如，我們用流行的64位MIPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)代替了假想的32位DLX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因為使用現(xiàn)有的軟件顯然比我們另外開發(fā)并維護自己的編譯器更有意義。在附錄中我們包含了數(shù)十種指令集結(jié)構(gòu)的描述，還包括了它們的基本教程、流水線的簡單介紹以及向量處理器和浮點運算算法。論題的選擇和組織就如同從前一樣，我們采用保守的方法進行論題的選擇，由于在這個領(lǐng)域中有太多有意義的想法，超過了基本理論所能夠覆蓋的范圍。我們沒有去全面綜述每種結(jié)構(gòu)，而是把我們的論述集中在任何新機器中都可能涉及到的核心概念。關(guān)鍵標準是選擇那些已經(jīng)成功地經(jīng)受了考驗并得到了充分的應(yīng)用，同時能夠使用定量的術(shù)語進行討論的觀點。我們確定是否選擇一個新論題時，所遇到的第一個困難就是由于某些論題已經(jīng)發(fā)展得更為重要，原來只需要幾頁篇幅的描述，而現(xiàn)在幾頁根本不能說明問題。第二個困難是某些以前我們沒有包括進來的論題已經(jīng)成長為需要基于我們的定量標準和它們成功的市場表現(xiàn)進行討論的主題了。為了討論這些新的材料，我們減少了介紹性知識所占的比例，并且假定讀者了解“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”這本書中的介紹性概念?？紤]到對流水線不熟悉的讀者，我們在附錄A中包括了對流水線的基本介紹（如果讀者想要更深入地了解流水線的基本知識，請參閱“ComputerOrganizationandDesign：TheHardware/SoftwareInterface”一書）。我們的目的一直都是盡力提供從其他類似來源不能獲得的材料，所以我們在可能的時候就會重點介紹一些高級內(nèi)容。實際上有幾個本書中全面介紹的系統(tǒng)，其他文獻中是找不到相關(guān)描述的。內(nèi)容概述第1章主要講計算機設(shè)計的基本量化原理和性能的評測方法。這一章指出了技術(shù)的作用和影響計算機系統(tǒng)價格的因素。本章總結(jié)了臺式機、服務(wù)器和嵌入式計算機市場中的性能評測和性價比評測，同時考慮了嵌入式處理器的能量利用率。第2章包括了指令集設(shè)計的基本原理和示例。本章除了給出基于SPEC2基準測試的指令集使用量化數(shù)據(jù)，還介紹了貫穿全書的MIPS64系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這個版本中新加入了數(shù)字信號處理器的原理，包括其基本功能和評測方法。這一章還介紹了現(xiàn)代編譯器的結(jié)構(gòu)，講述了它們?nèi)绾斡绊憘鹘y(tǒng)計算機，DSP和多媒體擴展指令集的功能。同時給出了一個和多媒體處理器對照的例子：TrimediaTM52，這個處理器的指令集混合了多媒體指令和MIPS指令。附錄C到G擴展了這一章的內(nèi)容，加入了十幾種流行的指令集。第3章和第4章主要介紹高性能處理器中的指令級并行技術(shù)，包括超標量技術(shù)、分支預(yù)測、猜測執(zhí)行、動態(tài)調(diào)度以及相關(guān)的編譯器技術(shù)。這些技術(shù)發(fā)展非常迅速，盡管我們用了57頁的附錄（附錄A，以第二版第3章為基礎(chǔ)），我們?nèi)匀恍枰脙烧碌钠鶃斫榻B一些相對高級的內(nèi)容。這一版的第3章主要描述基于硬件的指令級并行技術(shù)，而第4章把重點放在了與之相關(guān)的編譯技術(shù)上。第3章用IntelPentium系列處理器作為主要示例，而第4章的示例采用IntelIA-64架構(gòu)的第一個實現(xiàn)版本：Itanium。第5章首先介紹了cache的基本原理，然后討論了現(xiàn)在比較有挑戰(zhàn)性的問題：存儲器層次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。除了傳統(tǒng)的例子，例如Alpha21264，AMDAthlon，IntelPentiumIII和Pentium4以外，這一章還介紹了SonyPlaystation-2視頻游戲機上的動畫引擎和使用UltraSPARCIII處理器的SunFire68服務(wù)器的存儲器層次結(jié)構(gòu)。書中描述了應(yīng)用帶寬優(yōu)化技術(shù)的DRAM芯片，例如RAMBUS，并分析了它們的性價比。另外，這一章還包括了臺式機cache的SPEC2基準測試性能數(shù)據(jù)，以及cache在多媒體和服務(wù)器應(yīng)用程序中的性能。第6章討論了多處理器系統(tǒng)，重點放在共享內(nèi)存的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上。這一章開頭討論了在線程級并行層次上不同應(yīng)用領(lǐng)域的特性，然后討論了對稱和分布式內(nèi)存結(jié)構(gòu)的基本組織原理和性能。這一章的基本論題是同步、內(nèi)存一致性模型和多線程（包括并發(fā)多線程）。另外，本章還討論并分析了采用分布式內(nèi)存結(jié)構(gòu)擴展對稱式結(jié)構(gòu)的SunWildfire設(shè)計。第7章講述存儲系統(tǒng)，本章進行了極為可觀的修訂，增加了可靠性和實用性方面的內(nèi)容、RAID的基本介紹、可用性基準測試和難得的實際系統(tǒng)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這一章提供了隊列理論的介紹和I/O性能的基準測試數(shù)據(jù)。除了對傳統(tǒng)總線的介紹外，還介紹了嵌入式總線和服務(wù)器總線。這一章后面部分描述的5個設(shè)計實例，通過越來越實際的性能要求對一個I/O系統(tǒng)不斷進行改進，同時進行了平均故障時間的評估。EMC提供了把這些都綜合在一起的實例，這是這些系統(tǒng)相關(guān)文檔的首次公布。本章對數(shù)碼相機的剖析使得讀者能夠從嵌入式的視角對存儲系統(tǒng)進行理解和研究，同時從歷史的角度給出了最真切的RAID系統(tǒng)發(fā)展和普及的歷程。第8章的目標是從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度介紹網(wǎng)絡(luò)。由于該領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，因此重點介紹概念和基本原理。本章開頭提供了一個通用的框架，給出了在各種情況下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本思想，包括局域網(wǎng)、存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)，并對因特網(wǎng)技術(shù)進行了總結(jié)。本章的后半部分深入探討了集群技術(shù)及其在科學(xué)計算和數(shù)據(jù)庫程序方面的應(yīng)用，還詳細討論了集群系統(tǒng)的性價比，包括了機房和網(wǎng)絡(luò)帶寬的價格。最后通過對Google搜索引擎使用的集群系統(tǒng)的討論，總結(jié)了這一章的內(nèi)容。本書的附錄編號從A到I。附錄A是流水線基本概念的指南，對流水線不熟悉的讀者應(yīng)該在讀第3章、第4章之前先閱讀附錄A，了解一下流水線的基本知識。附錄B是部分練習(xí)題的解答。附錄C更新了第二版中RISC附錄的內(nèi)容，加入了64位Alpha，MIPS，PowerPC和SPARC及其多媒體擴展指令的描述，同時該附錄中還包括了流行的嵌入式指令集，例如ARM，Thumb，SuperH，MIPS16和MitsubishiM32R。附錄D介紹了8x86系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。附錄E和附錄F分別對應(yīng)兩種在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史上有一定意義的結(jié)構(gòu)，它們是VAX（附錄E）和IBM36/37（附錄F）。附錄G包含了更新過的一些向量處理器的知識。附錄H描述計算機算法，附錄I則介紹了一致性協(xié)議的實現(xiàn)。限于篇幅，本書紙介版本附錄C到I只給出其標題，具體內(nèi)容請到www.mkp.com/CA3瀏覽或下載?？傮w上說，這個版本有7%的內(nèi)容是新的。如果不包含聯(lián)機的附錄，那么第三版比第一版長1%，如果包含網(wǎng)上的在線附錄，那么第三版比第一版長3%。內(nèi)容導(dǎo)讀對于本書其實并沒有一個最好的閱讀順序。我們編寫這本書的時候，就已經(jīng)考慮到要保證讀者能夠按照多種順序來閱讀這本書。本書中有一些章節(jié)需要按照一定先后順序閱讀：：第2章、第3章、第4章和第7章、第8章這幾章。讀者應(yīng)該從第1章開始閱讀，在閱讀第6章之前先閱讀第5章。如果需要了解附錄C、附錄D、附錄E、附錄F和附錄H的內(nèi)容，應(yīng)該在第2章之前閱讀。如果讀者準備閱讀附錄A，那么應(yīng)該在第3章、第4章之前進行。附錄G的內(nèi)容和第3章、第4章的內(nèi)容形成了很有趣的對照：建議穿插閱讀。雖然有很多閱讀的方法，但我們還是建議讀者采用如下兩種主要的閱讀方法：1.由內(nèi)到外（Insideout）。這種方法的指導(dǎo)思想是：處理器設(shè)計是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，與處理器無關(guān)的章節(jié)只有在時間充足的情況下才去閱讀。先從第1章開始，然后是處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（第2章、第3章和第4章）、存儲器層次結(jié)構(gòu)（第5章），接著是多處理器（第6章）和存儲系統(tǒng)（第7章），最后是網(wǎng)絡(luò)和集群（第8章）。2.由外到內(nèi)（Outsidein）。這種方法的指導(dǎo)思想是：當今計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有挑戰(zhàn)性的問題都在處理器之外，處理器內(nèi)部的知識只有在時間充足的情況下才去閱讀。先從第1章開始，然后是存儲器層次結(jié)構(gòu)（第5章）、多處理器（第6章）、存儲系統(tǒng)（第7章）、網(wǎng)絡(luò)和集群系統(tǒng)（第8章），最后用指令集和流水線來進行總結(jié)（第2章、第3章和第4章）。章節(jié)結(jié)構(gòu)和習(xí)題每個章節(jié)中，所有的內(nèi)容都按照相同的模式組織。在每一章的開始我們引入該章的主要論題。然后是相關(guān)問題部分，主要講述這章中所涉及的思想是如何和其他章節(jié)中的思想相互影響相互作用的。接著是“綜合：……”部分，描述了如何將這些思想應(yīng)用于實際的機器，并且由此來組織這些思想。接下來是“其他視角：……”部分，這是第三版的新特性，通過實際的嵌入式或者服務(wù)器系統(tǒng)的例子使讀者對本章的內(nèi)容有新的認識。下一個部分是謬誤和易犯的錯誤部分，主要目的是使讀者能夠從其他人的錯誤中得到教訓(xùn)。我們指出了通常存在的誤解和非常難以避免的結(jié)構(gòu)上的陷阱，力圖使讀者對這些攔路虎保持警惕。每一章的最后是結(jié)論、歷史回顧和參考文獻幾部分，對這些章節(jié)中所提到的思想給出評價并對這些發(fā)明創(chuàng)造的歷史背景進行介紹。我覺得這就像是一部計算機設(shè)計的戲劇一樣。參考文獻是為了方便學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的學(xué)生進行查找。如果讀者有時間，我們推薦閱讀一些本書提到的領(lǐng)域中的經(jīng)典論文。從原創(chuàng)作者那里直接體驗這些思想是非常有樂趣和教育意義的。謬誤和易犯的錯誤以及歷史回顧是前兩個版本中最受歡迎的部分。本書每章后面都有習(xí)題，總共有超過2道習(xí)題。每個習(xí)題號后面的括號中都會指出回答該問題所需要閱讀的主要相關(guān)章節(jié)。我們希望這能夠幫助讀者避免做那些還沒有閱讀相應(yīng)章節(jié)的練習(xí)，同時這也提供了評判結(jié)果合理與否的參考內(nèi)容。注意對于標有量號（★）的題目，我們在附錄B中給出了解答。我們還將習(xí)題分類，估計了各個問題可能需要花費的時間：[1]5分鐘以內(nèi)（閱讀和理解）[2]15到2分鐘內(nèi)寫出完整解答[25]1個小時內(nèi)寫出完整解答[3]短程序設(shè)計：少于一整天的編程[4]大程序設(shè)計：2周的時間[5]學(xué)期設(shè)計（一個小團隊2到4周的時間）[討論]和其他對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)感興趣的人進行討論的題目補充MorganKaufmann出版社還可以向使用該書的正式教員提供一本教師手冊（“Instructor誷Manual”），該手冊給出了本書所有練習(xí)題的全面解答。眾多的附錄材料可以從MorganKaufmann的主頁上得到（www.mkp.com）。由于我們使用的是標準的指令集，所以我們已經(jīng)不需要提供專用的軟件。主頁中包含了MIPS結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，例如模擬器、編譯器和匯編器等。這個主頁還包括了勘誤表、書中插圖的eps版本，以及讀者可能感興趣的相關(guān)材料的鏈接。為了感謝讀者的一貫支持，出版社將經(jīng)常性地加入新的內(nèi)容，并且補充到相關(guān)站點的鏈接中。幫助改進這本書閱讀這本書還有可能掙錢。談?wù)勑阅軆r格比吧！如果你讀了后面的致謝，你就會看到在修正錯誤上，我們有很長的路要走。因為一本書會多次印刷，我們有機會進行更多的校訂。如果你發(fā)現(xiàn)了任何錯誤①，請通過電子郵件（ca3bugs@mkp.com）和出版社聯(lián)系。第一位報告某個錯誤，并且該錯誤被我們在下一次印刷中糾正的讀者將獲得1美元的獎金。請查閱http：//www.mkp.com主頁的勘誤表，看看所發(fā)現(xiàn)的錯誤是否已經(jīng)有人報告了。我們將處理錯誤報告，并在一年左右發(fā)送核實結(jié)果，請耐心等待。我們也非常歡迎對于本書內(nèi)容的建議，希望讀者能把寶貴的建議發(fā)送到另一個電子郵件地址ca3comments@mkp.com②。結(jié)束語本書又是一次真正合作的結(jié)晶，我們每人寫了一半的章節(jié)和一半的附錄。我們無法想像，如果沒有另外一個人的工作，我們需要多長的時間才能完成這本書。我們在看上去沒有希望的時候相互鼓勵，共同深入地說明比較困難的概念，在周末時為長達1頁的書稿進行檢查，以及在沉重的責(zé)任和壓力使得我們難以拿起筆的時候互相寬慰。因此，我們將再次共同承擔(dān)讀者在閱讀后的各種批評。美國斯坦福大學(xué)計算機系Hennessy教授和加州大學(xué)伯克利分校計算機系Patterson教授是現(xiàn)今計算機設(shè)計領(lǐng)域非常受人尊敬的學(xué)者和開拓者。JohnHennessy精通軟硬件兩個方面，是具有傳奇色彩的MIPS編譯器和幾代MIPS硬件產(chǎn)品技術(shù)上的領(lǐng)導(dǎo)者。DavidPatterson是RISC的最初提倡者之一。他首創(chuàng)了RISC一詞，定義了RISC的含義，是Sun公司SPARC處理器的主要顧問。他提出了RAID（獨立/廉價磁盤冗余陣列）的概念，推動了為海量數(shù)據(jù)服務(wù)器提供磁盤存儲解決方案的工業(yè)革命，并且還提出了NOW（工作站網(wǎng)絡(luò)）的概念。該書是他們對計算機組織、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究和實踐的全面而系統(tǒng)的總結(jié)。目前，世界上很多大學(xué)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程采用這本教材。國內(nèi)也有大學(xué)采用這本教材的英文版。與同類著作相比，這本書具有結(jié)構(gòu)清晰完整、系統(tǒng)性強、內(nèi)容新穎、行文深入淺出和可讀性強的特點。特別值得強調(diào)的是，這本書講授計算機組織和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的量化研究方法能夠使讀者深入、扎實地掌握基本概念和理論，同時培養(yǎng)一種科學(xué)、規(guī)范而且有效的學(xué)習(xí)和科研方法乃至思想。這也是本書能在世界范圍內(nèi)備受推崇以及我們把它翻譯成中文并極力在國內(nèi)推廣的主要原因。這是一本能使讀者在較短時間內(nèi)全面了解、熟悉和掌握當代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展主流技術(shù)和最新成就的優(yōu)秀教材和專業(yè)參考書。其中譯本的問世必將為我國計算機科學(xué)技術(shù)教育和研究工作帶來新的思路和靈感。感謝電子工業(yè)出版社對出版中譯本（第三版）的支持，感謝清華大學(xué)計算機系許多同學(xué)在翻譯和校對過程中所付出的辛勤努力。由于時間倉促、譯者水平有限，文中定有不當或欠妥之處，還望讀者批評指正。本書系統(tǒng)而全面地介紹了計算機系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)、指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流水線和指令級并行技術(shù)、層次化存儲系統(tǒng)與存儲設(shè)備、互連網(wǎng)絡(luò)以及多處理器系統(tǒng)等重要內(nèi)容。對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的論述主要以較流行的64位MIPS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過量化分析的方法進行。本書內(nèi)容豐富全面，既介紹了當今計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最新研究成果，也引述了大量有影響的計算機系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)方面的實踐經(jīng)驗。全書編排層次合理，敘述由淺入深。各章結(jié)尾還附有大量的習(xí)題和參考文獻。本書既可以作為高等院校計算機專業(yè)高年級學(xué)生和研究生學(xué)習(xí)“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“計算機原理”等課程的教科書或參考書，也可供與計算機相關(guān)的專業(yè)人士學(xué)習(xí)參考。BillJoy，Sun微系統(tǒng)公司的首席科學(xué)家兼首席執(zhí)行官。非常幸運，二十多年前我能在加州大學(xué)伯克利分校的DavidPatterson教授指導(dǎo)下學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。我非常欣賞他的課程，那時正是RISC架構(gòu)發(fā)展的初期。在離開伯克利后幫助創(chuàng)建Sun微系統(tǒng)公司的過程中，我有很多想法來自于他的課程教學(xué)，以及這本非常重要的書。今天，一個好消息是，這本書的內(nèi)容覆蓋了許多當代非常重要的知識。未來的好消息是，仍然有無數(shù)激動人心的、富有挑戰(zhàn)性的工作等著我們?nèi)ネ瓿?。而本書無疑是一個很好的開始。我參加過的最成功的項目都是由簡單的想法開始，并采用從經(jīng)驗中總結(jié)來的簡單數(shù)學(xué)模型來完成的。計算機技術(shù)正在迅速地發(fā)展，各種新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，這促使我們需要新的簡單模型來理解未來可能出現(xiàn)的新事物，理解新的應(yīng)用如何在各種不同的方面影響我們的系統(tǒng)。第1章介紹的定量方法是理解這些問題的重要工具。我們尤其希望在不遠的將來，各種或大或小的系統(tǒng)都會更加強調(diào)用最小的能耗達到應(yīng)用的要求。這方面還有許多工作需要去做。在我的職業(yè)生涯中，我接觸過許多不同的指令集。我開始編程的時候用的是PDP-8計算機，它的指令集非常簡單，我的一個朋友甚至通過打孔紙帶的數(shù)據(jù)就能理解程序。我用PDP-11的匯編器寫了許多程序，包括一個VAX上的Pascal語言解釋程序（本書第一版中的一個例子）。VAX的成功使得UNIX系統(tǒng)在早期的互聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛的傳播。PDP-11和VAX是非常傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集（CISC）結(jié)構(gòu)，其相對簡潔的指令集使得它幾乎無法使用流水線。在多年的公開訪談中，我都把VAX11/78的性能作為基準，它的速度廣為人知，因為在很長一段時間內(nèi)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的快速實現(xiàn)一直沒有出現(xiàn)。微處理器的x86以及68x等復(fù)雜指令集出現(xiàn)后，VAX的性能就顯得很落伍了。微處理器的價格優(yōu)勢使得它們漸漸取得了統(tǒng)治地位。這個時候，精簡指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（RISC）出現(xiàn)了。這種結(jié)構(gòu)最早由IBM的JohnCocke提出，Patterson和Hennessy為它正式命名并大力提倡，并由POWERPC，MIPS和SPARC等微處理器實現(xiàn)。這些實現(xiàn)證明采用簡單的寄存器指令集能夠獲得高性能的流水線。一般來說，采用RISC的程序代碼比較長，由此需要更高的取指令（fetch）帶寬，第1章中的技術(shù)和CarverMead的經(jīng)典論斷所揭示的未來CMOS技術(shù)的發(fā)展趨勢告訴我們，這點代價是值得的。對當前所存在問題的思考和對未來計算的展望，使得我們更傾向于RISC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這將成為本書關(guān)注的中心。第2章（以及相關(guān)的附錄）介紹了當代以及歷史上有影響的指令集結(jié)構(gòu)。雖然經(jīng)歷了近二十年的努力，RISC結(jié)構(gòu)還遠不能成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的終結(jié)者。前后有十幾年的時間里我參與了SPARC結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其幾個版本的實現(xiàn)，現(xiàn)在我正在參與另外兩種不同結(jié)構(gòu)處理器的設(shè)計，它們是：picoJava，它實現(xiàn)了大部分的JAVA虛擬機指令，這是一種簡潔的字節(jié)碼高級指令；MAJC，一種簡單的多線程超長指令字（VLIW，Verylonginstructionword）處理器，主要用于Java程序和多媒體應(yīng)用。這兩種結(jié)構(gòu)針對不同的新市場應(yīng)用，即低能耗的嵌入式設(shè)備領(lǐng)域和能夠在一定的能耗和成本下采用并行計算獲得高性能的領(lǐng)域。這兩者現(xiàn)在都還沒有取得廣泛的商業(yè)成功。但我認為未來會有許多不同的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)（ISA）受到青睞。對歷史的深入了解可以讓我們深受啟發(fā)，通過對過去成功設(shè)計的研究，可以發(fā)現(xiàn)它們是如何在幾個關(guān)鍵因素，例如程序大小、執(zhí)行速度和能耗等方面取得平衡的。這些經(jīng)驗將為我們今天的設(shè)計提供幫助。第3章和第4章講述了指令級并行（ILP），這種能力可以使計算機在同一時刻執(zhí)行多條指令。在過去的二十幾年中，RISC技術(shù)和超長指令字技術(shù)大大促進了這一領(lǐng)域的發(fā)展。但是，在IntelItanium的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，RISC技術(shù)，特別是VLIW技術(shù)需要很高的能耗。當我們試圖獲得更高的指令級并行度的時候，我們遇到了設(shè)計中的難題：如果需要同時執(zhí)行N條語句，那么晶體管數(shù)量和能耗的需求將以N2的態(tài)勢迅速增長。另一種方法是采用簡單的流水線，比較現(xiàn)實的指令級并行度，并混合使用其他的并行方法，例如每處理器多線程和每芯片多處理器技術(shù)。對于未來的高性能系統(tǒng)設(shè)計，最大的挑戰(zhàn)就是要明白并行執(zhí)行是完全可能的，但在實際中融合其他并行度低但是能耗也低也更簡單的技術(shù)才是明智的做法。在研究所的時候，我經(jīng)常開玩笑地說高速緩存是計算機科學(xué)中惟一重要的思想。事實上，高速緩存技術(shù)確實極大地影響了計算機系統(tǒng)的設(shè)計。第5章介紹了經(jīng)典的高速緩存設(shè)計和主存儲器層次結(jié)構(gòu)以及虛擬內(nèi)存技術(shù)?，F(xiàn)在，類似于Java的高級編程語言開始采用垃圾回收和內(nèi)存越界檢查技術(shù)來支持更可靠的軟件設(shè)計，這樣可以避免內(nèi)存共享錯誤和緩沖區(qū)溢出等大程序中常見的錯誤。只有類似于Java的高級語言才支持自動存儲管理，只有這樣才能實現(xiàn)真正的軟件組件。但是在現(xiàn)在的存儲器層次結(jié)構(gòu)上，要實現(xiàn)垃圾回收功能是非常困難的。設(shè)計這樣的系統(tǒng)或者設(shè)計這樣的語言是研究的熱點，雖然我們?nèi)〉昧撕艽蟪晒?，但仍然有很長的路要走。Java語言能夠很好地支持線程級并行。這是實現(xiàn)簡單、高效的高性能系統(tǒng)的關(guān)鍵，這種方法避免了前面所說的N2問題，但也帶來了新的挑戰(zhàn)。第6章將對這一領(lǐng)域進行基本的介紹。傳統(tǒng)的做法是每一個處理器放在一塊單獨的芯片上，由于存儲器層次結(jié)構(gòu)的問題以及同步操作本身的高昂代價，在不同處理器之間保持同步非常困難。Java語言試圖解決這個問題。我們的嘗試是在Java語言規(guī)范（我是作者之一）中給出用Java實現(xiàn)內(nèi)存模型的一個描述。我們清醒地看到，這個描述存在技術(shù)上的問題（可修正），我們需要對存儲器層次結(jié)構(gòu)進行仔細思考，以便使我們設(shè)計的語言能夠更好地運行在新的系統(tǒng)平臺上。我們把Java規(guī)范看做是未來將要完成的許多工作的第一步。和第7章描述的一樣，存儲系統(tǒng)由原來連接在單個計算機的一個組成部分，變成了一種獨立的網(wǎng)絡(luò)資源。這讓人想起了計算機圖形技術(shù)的發(fā)展史，隨著圖形處理重要性的增加，原來由主機處理的功能被單獨分割出來，成為了獨立的圖形處理芯片。在接下來的幾年中，一切將會發(fā)生巨大的改變，大量的并行主處理器將擁有比主板之外的圖形處理單元更好的性能。與此類似，存儲技術(shù)將會有突破性的進展，例如分子電子學(xué)和納米技術(shù)將會大大降低存儲設(shè)備的價格并縮短訪問時間。這將鼓勵人們把數(shù)據(jù)備份在不同的計算節(jié)點上，而不是通過網(wǎng)絡(luò)共享。存儲技術(shù)將發(fā)生和圖形技術(shù)類似的變化。同樣，存儲系統(tǒng)也將會有非常嚴格的健壯性要求，不僅僅是針對硬件錯誤，還要考慮軟件錯誤以及人為操作失誤。這將是近幾年一個非常有挑戰(zhàn)性的課題。第8章提供了計算機互連和網(wǎng)絡(luò)的一個基本介紹。這方面我的模型來自于Sun公司另外一位創(chuàng)始人AndyBechtolsheim，他經(jīng)常說：“以太網(wǎng)不??！”。更為合適的表述是：給出網(wǎng)絡(luò)互連的要求，不管以太網(wǎng)有什么缺點，總會有一款經(jīng)過某些修改的以太網(wǎng)協(xié)議版本在市場上獲得勝利。原因何在？很明顯，以太網(wǎng)協(xié)議具有簡單和使用廣泛的特點，然而更加有說服力的原因是，采用以太網(wǎng)協(xié)議我們能夠立即開始工作，而不需要爭論對最終結(jié)果無關(guān)緊要的細節(jié)。這個經(jīng)驗?zāi)軌蜻m用于本書中有關(guān)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一切領(lǐng)域。多年以前，DavePatterson曾經(jīng)說過，對于一個新的項目，你只能獲得有限的“亮點”（clevernessbeans）。即你只能在設(shè)計中有限的幾個方面采用很“聰明”的做法，如果想在方方面面都采用“聰明”的做法，那么你的設(shè)計很可能達不到最終的目標，甚至無法工作或者無法完成。在二十多年的設(shè)計中我學(xué)到的一個教訓(xùn)就是：在設(shè)計的過程中，你必須要選擇最重要的部分并且將重點放在那里。真正的智慧是知道應(yīng)該放棄什么，知道什么是無法企及的是具有這種能力的關(guān)鍵。同樣，你必須要仔細選擇你的猜想。很多年以前我參加了在夏威夷舉行的一個會議，在會上，富有傳奇色彩的計算機設(shè)計師MauriceWilkes為我們做了一次演講。他說，在他的記憶中，好的研究總是包含一些猜想，這些猜想也許在當時看來是不切實際的，但是在未來有可能實現(xiàn)。如果這些猜想實現(xiàn)了，那么你將發(fā)現(xiàn)你做了非常偉大的研究。例如，XeroxPARC的研究小組給出了一個猜想：人人都使用帶有圖形界面的個人電腦，通過互連網(wǎng)絡(luò)連接其他人的機器，并采用便宜的Xerography技術(shù)進行打印?，F(xiàn)在看來，他們的預(yù)言是多么的準確，他們的工作是多么的重要??！在我們的時代，在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，我想將會有許多猜想變?yōu)楝F(xiàn)實。有一些甚至不會有爭議，例如摩爾定律將在近十年內(nèi)繼續(xù)有效，也許十年之后大規(guī)模芯片設(shè)計的復(fù)雜程度將會達到它的物理極限。更毋庸置疑的是，分子技術(shù)有可能極大地降低存儲和邏輯元件的價格，光學(xué)互連技術(shù)將極大地增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬并減少傳輸?shù)腻e誤率，軟件仍然會因為編寫困難而不可靠，安全問題將繼續(xù)成為人們關(guān)心的重點。本書詳細介紹了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢。下一代的計算機設(shè)計者能夠利用本書中的知識精華甄別優(yōu)劣，減少缺陷，從而設(shè)計出各種樣式和大小的系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計正變得越來越多樣化，也越來越有趣。讓我們立即啟程探索，或者再次征服這個領(lǐng)域吧，而本書將是最好的起點。芯片中見！

　　斯坦福大學(xué)校長，IEEE和ACM會士，美國國家工程研究院院士及美國科學(xué)藝術(shù)研究院院士。Hennessy教授因為在RISC技術(shù)方面做出了突出貢獻而榮獲2001年的Eckert-Mauchly獎?wù)?。他也?001年SeymourCray計算機工程獎的得主，并且和本書另外一位作者DavidA.Patterson分享了2000年的JohnvonNeumann獎。