第10版的新內(nèi)容
自本書第9版出版以來，計算機組成與體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的創(chuàng)新和改進不斷。在新版本中，我試著反映這些變化，并保持對整個領(lǐng)域廣泛而全面的覆蓋。為了本次修訂，我們對第9版進行了廣泛審閱，審閱者是講授這些主題的教授和在該領(lǐng)域工作的專業(yè)人士。因此，第10版進一步明晰或改進了許多地方的描述，也完善了插圖。
除了這些用以提升教學(xué)效果和用戶友好性的改動外，本書還有一些實質(zhì)性的變化。全書的章節(jié)組織仍然和以前大致相同，但修訂了許多資料，并添加了新資料。值得注意的變化如下：
GPGPU（圖形處理單元（GPU）上的通用計算）：近年來非常重要的新發(fā)展之一就是GPGPU的廣泛使用，它與傳統(tǒng)的CPU協(xié)作，以處理涉及大量數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用程序。本版新增加了一章專門討論GPGPU。
異構(gòu)多核處理器：多核架構(gòu)的發(fā)展是異構(gòu)多核處理器。多核計算機一章（第18章）中添加了一節(jié)內(nèi)容，介紹了各種類型的異構(gòu)多核處理器。
嵌入式系統(tǒng)：對第1章中的嵌入式系統(tǒng)概述部分做了大幅修訂和擴充，以反映嵌入式技術(shù)的現(xiàn)狀。
微控制器：就數(shù)量而言，當前我們使用的幾乎所有計算機都是嵌入式微控制器。第1章中的嵌入式系統(tǒng)部分現(xiàn)在包括微控制器。全書以ARM Cortex-M3微控制器為例貫穿始終。
云計算：新增了對云計算的討論，第1章對其進行了概述，第17章進行了更詳細的闡述。
系統(tǒng)性能：修訂、擴充和重組了關(guān)于系統(tǒng)性能問題的部分，以使其顯得更加清晰和透徹。第2章專門討論了這個主題，而且系統(tǒng)性能問題將貫穿全書。
閃存：更新和擴充了閃存部分，現(xiàn)在包含對內(nèi)存（第5章）與外存（第6章）閃存技術(shù)與組成的討論。
非易失性RAM：本版添加的內(nèi)容是三種重要的新非易失性固態(tài)RAM技術(shù)STT-RAM、PCRAM和ReRAM，它們位于存儲器層次結(jié)構(gòu)中的不同位置。
直接緩存訪問（DCA）：為了滿足高速網(wǎng)絡(luò)連接的協(xié)議處理需求，Intel和其他制造商開發(fā)了DCA技術(shù)，它提供的吞吐量遠遠高于傳統(tǒng)的直接內(nèi)存訪問（DMA）方法。第7章新增了對DCA的詳細討論。
Intel酷睿微架構(gòu)：與上一版相同，Intel x86系列自始至終都作為主要的示例系統(tǒng)。我們更新了這部分內(nèi)容以反映新的Intel系統(tǒng)，尤其是Intel酷睿微架構(gòu)，它用于PC和服務(wù)器產(chǎn)品。
家庭作業(yè)：增加了家庭作業(yè)的數(shù)量，這些作業(yè)都配有參考答案，可供學(xué)生練習(xí)。
對ACM/IEEE計算機科學(xué)課程指南 2013的支持
本書既適合學(xué)生，也適合專業(yè)讀者。作為一本教科書，它可以用于計算機科學(xué)、計算機工程和電氣工程專業(yè)的一學(xué)期或兩學(xué)期的本科課程。這一版的內(nèi)容支持ACM/IEEE計算機科學(xué)課程指南 2013（CS2013）的建議。CS2013把所有課程劃分為三類：核心一級（所有的主題都應(yīng)包含在課程中），核心二級（應(yīng)包含所有或幾乎所有的主題），選修（希望提供廣度和深度）。在體系結(jié)構(gòu)和組成（AR）部分，CS2013包括五個核心二級主題和三個選修主題，每個主題又有多個子主題。本書涵蓋了CS2013列出的所有八個主題。表P-1給出了本書對AR知識領(lǐng)域提供的支持。
表P-1　對CS2013 AR知識領(lǐng)域的覆蓋
IAS知識單元 主　　題 本書覆蓋章節(jié)
數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（核心二級） ? 計算機體系結(jié)構(gòu)概述與歷史
? 組合或時序邏輯/現(xiàn)場可編程門陣列作為基本的組合 時序邏輯構(gòu)建模塊
? 多種表示/分層的解釋（硬件僅僅是另外一層）
? 物理約束（門延遲、扇入、扇出、能耗/功率） ? 第1章
? 第11章
數(shù)據(jù)的機器級表示（核心二級） ? 位、字節(jié)和字
? 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示和數(shù)值的進制
? 定點和浮點系統(tǒng)
? 有符號和補碼表示
? 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（字符編碼和圖數(shù)據(jù)） ? 第9章
? 第10章
匯編級計算機組成（核心二級） ? 馮·諾伊曼機的基本組成
? 控制單元，取指、譯碼和執(zhí)行
? 指令集和類型（數(shù)據(jù)處理、控制、I/O）
? 匯編/機器語言編程
? 指令格式
? 尋址模式
? 子程序調(diào)用和返回機制（參照PL/語言翻譯與執(zhí)行）
? I/O和中斷
? 共享內(nèi)存的多處理器/多核結(jié)構(gòu)
? SIMD與MIMD簡介，F(xiàn)lynn分類法 ? 第1章
? 第7章
? 第12章
? 第13章
? 第17章
? 第18章
? 第20章
? 第21章
? 附錄A
存儲系統(tǒng)的組織與結(jié)構(gòu)（核心二級） ? 存儲系統(tǒng)及其技術(shù)
? 存儲層次結(jié)構(gòu)：時間和空間局部性
? 主存組成和操作
? 延遲、周期時間、帶寬和交叉
? 緩存（地址映射、塊大小、替換和存儲策略）
? 多處理器緩存一致性/使用存儲系統(tǒng)的內(nèi)核間同步/原子性內(nèi)存操作
? 虛擬存儲器（頁表、TLB）
? 故障處理和可靠性 ? 第4章
? 第5章
? 第6章
? 第8章
? 第17章
接口與通信（核心二級） ? I/O基本原理：握手、緩沖、可編程I/O、中斷驅(qū)動的I/O
? 中斷結(jié)構(gòu)：向量化和優(yōu)先級、中斷確認
? 外部存儲、物理組成及驅(qū)動
? 總線：總線協(xié)議、仲裁、直接內(nèi)存訪問（DMA）
? RAID體系結(jié)構(gòu) ? 第3章
? 第6章
? 第7章
功能性組成（選修） ? 實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)通路，包括指令流水線、冒險檢測和解決
? 控制單元：硬布線實現(xiàn)與微程序?qū)崿F(xiàn)
? 指令流水線
? 指令級并行（ILP）簡介 ? 第14章
? 第16章
? 第20章
? 第21章
多處理及其他體系結(jié)構(gòu)（選修） ? SIMD和MIMD指令集與體系結(jié)構(gòu)示例
? 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
? 共享多處理器內(nèi)存系統(tǒng)和內(nèi)存一致性
? 多處理器緩存一致性 ? 第12章
? 第13章
? 第17章
性能提高（選修） ? 超標量體系結(jié)構(gòu)
? 分支預(yù)測、推測執(zhí)行、亂序執(zhí)行
? 預(yù)取
? 向量處理器和GPU
? 多線程的硬件支持
? 可擴展性 ? 第15章
? 第16章
? 第19章

本書的目標
本書是介紹計算機結(jié)構(gòu)與功能的，其目標是盡可能清晰完整地介紹現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的性質(zhì)與特點。
由于種種原因，這個任務(wù)頗具挑戰(zhàn)性。首先，有各種各樣的產(chǎn)品可以被稱作計算機，從只值幾美元的單芯片微處理器到價值數(shù)千萬美元的超級計算機。多樣性不僅表現(xiàn)在成本方面，還表現(xiàn)在尺寸、性能和應(yīng)用方面。其次，計算機技術(shù)的特點就是變化非常迅速，且從未停止。這些變化涉及計算機技術(shù)的方方面面，從用于構(gòu)造計算機組件的底層集成電路技術(shù)，到組合這些組件時越來越多用到的并行性的概念。
盡管計算機領(lǐng)域不斷變化且非常多樣，但某些基本概念始終是適用的。這些概念的應(yīng)用取決于技術(shù)的現(xiàn)狀和設(shè)計者的性價比目標。本書的目標是對計算機組成與體系結(jié)構(gòu)進行全面討論，并將它們與當代的設(shè)計問題聯(lián)系起來。
副書名性能設(shè)計展示了本書采用的主題與方法。雖然獲得高性能在計算機系統(tǒng)設(shè)計中一直都很重要，但這一需求從未像現(xiàn)在這樣強烈，也從未像這樣難以滿足。計算機系統(tǒng)所有的基本性能，包括處理器速度、內(nèi)存速度、內(nèi)存容量和互連數(shù)據(jù)速率，都在迅速增長。而且，它們的增長速度不盡相同，很難設(shè)計一個平衡系統(tǒng)來化所有元素的性能和利用率。因此，計算機設(shè)計逐漸變成了一種博弈：改變一部分的結(jié)構(gòu)或功能來彌補另一部分的性能不足。我們將在本書中看到，這種博弈在許多設(shè)計決策中都發(fā)揮著作用。
和其他系統(tǒng)一樣，計算機系統(tǒng)由一組相互關(guān)聯(lián)的部件組成。描述系統(tǒng)特性的好方式是它的結(jié)構(gòu)和功能，結(jié)構(gòu)是指部件的互連方式，而功能是指各個部件的操作。此外，計算機的組成是層次化的。每個主要部件都可以分解為若干主要子部件，可以描述這些子部件的結(jié)構(gòu)和功能，由此進一步說明主要部件。為了清晰和易于理解，本書自上而下地描述這個層次結(jié)構(gòu)：
計算機系統(tǒng)：主要部件是處理器、內(nèi)存、I/O。
處理器：主要部件是控制單元、寄存器、ALU和指令執(zhí)行單元。
控制單元：為處理器所有部件的操作和協(xié)調(diào)提供控制信號。傳統(tǒng)上采用微程序?qū)崿F(xiàn)，主要部件是控制存儲器、微指令序列邏輯和寄存器。近，微程序設(shè)計并不那么突出了，但仍然是一種重要的實現(xiàn)技術(shù)。
我們的目標是在清晰明確的上下文中展示新的內(nèi)容，從而盡可能地幫助讀者理解這些知識。同時，相比自下而上的方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性會更高。
在討論過程中，我們從體系結(jié)構(gòu)（機器語言程序員可見的系統(tǒng)屬性）和組成（實現(xiàn)該體系結(jié)構(gòu)的操作單元及其互連）兩個角度來審視系統(tǒng)的方方面面。
示例系統(tǒng)
本書旨在使讀者了解當代系統(tǒng)的設(shè)計原則和實現(xiàn)問題。僅有純粹的概念和理論是不夠的，為了說明概念并把它們與必須做出的實際設(shè)計選擇聯(lián)系起來，我們選擇了兩個處理器系列作為運行示例：
Intel x86體系結(jié)構(gòu)：非嵌入式計算機系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的體系結(jié)構(gòu)是x86。x86本質(zhì)上是復(fù)雜指令集計算機（CISC），但是又具有一些精簡指令集計算機（RISC）的特點。x86系列的成員使用了超標量和多核設(shè)計原則。x86體系結(jié)構(gòu)特性的演變?yōu)橛嬎銠C體系結(jié)構(gòu)大多數(shù)設(shè)計原則的演變提供了一個獨特的研究案例。
ARM：ARM體系結(jié)構(gòu)大概是應(yīng)用廣泛的嵌入式處理器，用于手機、iPod、遠程傳感器設(shè)備和許多其他設(shè)備。ARM本質(zhì)上是RISC。ARM系列的成員使用了超標量和多核設(shè)計原則。
本書中的許多例子（但不是全部）都來自這兩個計算機系列。許多其他系統(tǒng)，無論是當代的還是過去的，都體現(xiàn)了重要的計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計特性。
本書的組織結(jié)構(gòu)
本書由六個部分組成：
引言
計算機系統(tǒng)
算術(shù)與邏輯
中央處理單元
并行結(jié)構(gòu)（包括多核）
控制單元
本書具備很多適用于教學(xué)的特色，包括使用交互式仿真和大量圖表來使討論更加清晰。每章都有關(guān)鍵詞列表、復(fù)習(xí)題、練習(xí)題以及擴展閱讀建議。本書還包括常用縮略語列表和參考文獻列表。
教師資源
教師的教輔資料可從本書的教師資源中心（IRC）獲取，可以通過出版商網(wǎng)站www.pearsonhighered.com/stallings訪問，也可以在本書的配套網(wǎng)站W(wǎng)illiamStallings.com/Computer-Organization上點擊Pearson Resources for Instructors鏈接訪問。如需訪問IRC，請通過pearsonhighered.com/educator/replocator/requestSalesRep.page與當?shù)氐腜earson銷售代表聯(lián)系，或致電Pearson教師服務(wù)熱線1-800-526-0485。IRC提供以下資料：
項目手冊：項目資源，包括文檔和可移植的軟件，以及本前言后面列出的所有項目類別的推薦項目作業(yè)。
解題手冊：每章復(fù)習(xí)題和練習(xí)題的參考答案。
PPT：全部章節(jié)的PPT，適用于教學(xué)。
PDF文檔：本書所有的圖表文件。
題庫：每章的問題集。
樣例教學(xué)大綱：本書包含的資料多于一學(xué)期所需的量。因此，為教師提供了幾個樣例教學(xué)大綱，以指導(dǎo)在有限時間內(nèi)如何使用本書。這些樣例都是基于教授本書第1版時的實際經(jīng)驗。
配套網(wǎng)站W(wǎng)illiamStallings.com/ComputerOrganization（點擊Instructor Resources鏈接）包含如下內(nèi)容：
使用本書的其他課程的網(wǎng)站鏈接。
Internet郵件列表的注冊信息，供使用本書的教師之間以及與作者之間進行信息、建議與問題的交流。
學(xué)生資源
在新版本中，學(xué)生可以在兩個網(wǎng)站上獲得大量的原始支持材料。在配套網(wǎng)站W(wǎng)illiamStallings.com/ComputerOrganization（點擊Student Resources鏈接）上，有按章節(jié)組織的相關(guān)鏈接列表和勘誤表。
購買新書的讀者可以在6個月內(nèi)訪問付費內(nèi)容網(wǎng)站，其中包含在線章節(jié)、在線附錄、家庭作業(yè)與參考答案。
后，WilliamStallings.com/StudentSupport.html上的Computer Science Student Resource Site由我維護。
項目和其他學(xué)生練習(xí)
對許多老師來說，計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程的一個重要組成部分是一個或多個項目，通過這些項目，學(xué)生可以獲得實踐經(jīng)驗來強化從書中學(xué)到的概念。本書為此提供了相關(guān)的支持，教師可將這些項目用于教學(xué)。Prentice Hall提供的教輔資源不僅包括關(guān)于布置和構(gòu)建項目的指導(dǎo)，還包含一組針對各種項目類型和特定任務(wù)的用戶手冊，這些都是專門為本書編寫的。教師可以針對下列各方面布置作業(yè)：
交互式仿真作業(yè)：說明見后文。
研究項目：一系列研究任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上研究特定主題并撰寫報告。
仿真項目：IRC支持使用兩個仿真包SimpleScalar可用于探索計算機組成與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計問題；SMPCache是一個強大的教學(xué)工具，能夠檢查對稱多處理器的緩存設(shè)計問題。
匯編語言項目：使用一種簡化的匯編語言CodeBlue，提供了基于流行的Core War概念的任務(wù)。
閱讀/報告任務(wù)：論文列表，每章一篇或多篇論文，可以布置給學(xué)生閱讀并讓他們撰寫一篇簡短的報告。
寫作作業(yè)：一份寫作作業(yè)清單，幫助學(xué)習(xí)書中的內(nèi)容。
題庫：包含是非題、多選題、填空題及答案。
這些多樣化的項目和練習(xí)使教師能夠使用本書豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，也可以定制課程計劃以滿足師生的特定需求。詳情請見本書附錄A。
交互式仿真
本版的一個重要特征是結(jié)合了交互式仿真。這些仿真為理解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計特性提供了強大的工具。共有20個交互式仿真用于說明計算機組成與體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵概念和算法。在本書的相應(yīng)位置上，我們用圖標表示有相關(guān)的交互式仿真可供學(xué)生在線使用。在動畫中，用戶可以設(shè)置初始條件，因此可以作為學(xué)生作業(yè)的基礎(chǔ)。教師補充材料包括一組作業(yè)，每個作業(yè)對應(yīng)一個動畫。每個作業(yè)都有幾個可以布置給學(xué)生的具體問題。
要訪問動畫，請點擊本書網(wǎng)站http://williamstallings.com/ComputerOrganization上的旋轉(zhuǎn)地球。
致謝
新版本受益于許多人的審閱，他們慷慨地貢獻了自己的時間和專業(yè)知識。以下教授和講師審閱了本書全部或大部分內(nèi)容：Molisa Derk（Dickinson 州立大學(xué)），Yaohang Li （Old Dominion大學(xué)），Dwayne Ockel （Regis大學(xué)），Nelson Luiz Passos（Midwestern 州立大學(xué)），Mohammad Abdus Salam（Southern大學(xué)），Vladimir Zwass（Fairleigh Dickinson大學(xué)）。
以下專家提供了一個或多個章節(jié)的技術(shù)意見：Rekai Gonzalez Alberquilla，Allen Baum，Jalil Boukhobza，Dmitry Bufistov，Humberto Calderón，Jesus Carretero，Ashkan Eghbal，Peter Glaskowsky，Ram Huggahalli，Chris Jesshope，Athanasios Kakarountas，Isil Oz，Mitchell Poplingher，Roger Shepherd，Jigar Savla，Karl Stevens，Siri Uppalapati，Sriram Vajapeyam博士，Kugan Vivekanandarajah，Pooria M. Yaghini，Peter Zeno。
Peter Zeno撰寫了第19章中的GPGPU部分。
Appalachian 州立大學(xué)的Cindy Norris教授、New Brunswick大學(xué)的Bin Mu教授以及Alaska 大學(xué)的Kenrick Mock教授提供了家庭作業(yè)。
Massachusetts大學(xué)的Aswin Sreedhar設(shè)計了交互式仿真作業(yè)，并編寫了習(xí)題庫。
西班牙Extremadura大學(xué)的Miguel Angel Vega Rodriguez教授、Juan Manuel Sánchez Pérez教授（博士）和Juan Antonio Gómez Pulido教授（博士）編寫了指導(dǎo)手冊中的SMPCache問題，以及SMPCache用戶指南。
Wisconsin大學(xué)的Todd Bezenek和Lehigh大學(xué)的James Stine編寫了指導(dǎo)手冊中的SimpleScalar問題，Todd還編寫了SimpleScalar用戶指南。

后，我要感謝負責(zé)出版本書的諸位編輯，他們所做的工作一如既往地出色。他們來自Pearson出版集團，特別是我的編輯Tracy Johnson、她的助理Kelsey Loanes、項目經(jīng)理Carole Snyder，以及生產(chǎn)經(jīng)理Bob Engelhardt。感謝Mahalatchoumy Saravanan以及Jouve India的工作人員，他們迅速、出色地完成了生產(chǎn)任務(wù)。還要感謝Pearson集團的營銷人員，沒有他們的努力，這