基本信息

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内容简介
作译者
自从1977年在加州大学伯克利分校任职开始一直讲授计算机体系结构课程,他现在是计算机科学系的执行主席。他的教学工作获得了加州大学优秀教学奖、ACM Karlstrom奖、IEEE的Mulligan教育奖章和本科生教学奖。因为对RISC的贡献,Patterson获得了IEEE技术进步奖和ACM Eckert-Mauchly奖,另外因为对RAID的贡献,他与别人分享了IEEE Johnson信息存储奖。他和John Hennessy分享了IEEE John von Neumann奖章与C & C奖励。Patterson是美国艺术与科学院、计算机历史博物馆、ACM和IEEE院士,并且入选国家工程院、国家科学院和硅谷工程名人堂。他曾任美国总统信息咨询委员会成员、伯克利EECS系CS分会主席、计算研究学会主席和ACM主席。这个纪录使他获得了ACM和CRA的杰出服务奖。
在伯克利,Patterson领导了RISC I的设计与实现,这是第一款精简指令系统计算机,并且是商用SPARC体系结构的基础。他是廉价磁盘冗余阵列(RAID)项目的负责人,RAID技术引导许多公司开发出了高可靠存储系统。他也参加了工作站网络(NOW)项目,该项目先引导互联网公司使用集群技术,再引导了后来的云计算。这些项目获得了三个ACM最佳论文奖。他当前的研究包括算法-机器-人、面向可证明优化实现的高可靠高效算法与专家系统。AMP实验室正在开发可扩展的机器学习算法、仓储式计算机编程模型以及密集资源工具,以从云中的大数据获得有价值的信息。ASPIRE实验室使用深度的硬件和软件协同技术在移动和货架计算系统中获得最高性能和能效。
John L.Hennessy
斯坦福大学的第十任校长,他从1977年开始任职于斯坦福大学电子工程与计算机科学系。Hennessy是ACM和IEEE会士、国家工程院成员、国家科学院成员、美国艺术与科学院院士。他获得了许多奖项,其中包括:因为对RISC的贡献获得的2001年ACM Eckert-Mauchly奖,2001年Seymour Cray计算机工程奖,与Patterson分享了2000年John von Neumann奖。他还获得了七个荣誉博士学位。
1981年,他在斯坦福大学与几个研究生开始了MIPS项目。在1984年完成了该项目后,他离开大学,与他人共同创建了MIPS计算机系统(现在的MIPS技术公司),该公司开发了第一款商用RISC微处理器。2006年,MIPS微处理器销售了20亿片,应用范围从视频游戏和掌上计算机到激光打印机和网络交换机。后来,Hennessy领导了DASH(共享存储器的主导体系结构)项目,该项目建立了第一个可扩展cache一致性多处理器的原形系统,其许多关键思想已经应用在先进的多处理器中。除了技术活动与大学工作外,他还是多家创业公司的早期顾问和投资者。
目录
本书赞誉
译者序
前言
作者简介
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欢迎来到后PC时代3
1.1.3你能从本书学到什么4
1.2计算机系统结构中的8个伟大思想6
1.2.1面向摩尔定律的设计6
1.2.2使用抽象简化设计6
1.2.3加速大概率事件6
1.2.4通过并行提高性能7
1.2.5通过流水线提高性能7
1.2.6通过预测提高性能7
1.2.7存储器层次7
1.2.8通过冗余提高可靠性7
1.3程序概念入门7
译者序
第5版在保持计算机组成方面传统论题以及前4版特点的基础上,引入了许多近几年计算机领域发展的新论题,如移动计算、大数据等。另外,在实例方面也与时俱进地采用ARM Cortex A8和Intel Core i7等现代设计对计算机组成的基本原理进行说明。
感谢机械工业出版社华章公司一直关注本书的引进和中译本的出版工作,姚蕾编辑和朱秀英编辑为中译本的翻译工作提出了大量宝贵意见。
感谢清华大学郑纬民教授对前3版中译本所做的工作,是他使得这本重要教材在国内有了广泛的读者。感谢西北工业大学康继昌教授、樊晓桠教授和安建峰副教授对第4版中译本所做的工作,是他们使得第5版的翻译有了很好的基础,另外,康继昌教授和安建峰副教授也参与了本版的翻译工作。
西北工业大学计算机学院的研究生赵磊、刘朝锋、庄淼、马鑫、朱迪、朱艳娜等也参加了本书的翻译和校对工作。本书的翻译工作还得到了国家自然科学基金项目(No.61472322)的支持。
由于译者水平有限,书中难免存在一些翻译不当或理解欠妥的地方,希望读者批评指正。
王党辉
2015年2月于西北工业大学
前言
——阿尔伯特·爱因斯坦,《我的信仰》,1930
关于本书
在学习计算机科学与工程时,除了掌握计算的基本原理外,还应该了解该领域的最新进展。各种计算领域中的读者应有机会学习计算机系统的组成理论,因为这是决定计算机系统的功能、性能甚至成功与否的关键。
现代计算机技术需要各种计算方面的专家,他们应对硬件和软件都有深入的理解。硬件和软件在多个层次上的相互关系成为理解计算基本原理的框架。无论你的主要兴趣是硬件还是软件,是计算机科学还是电气工程,计算机组成与设计的基本思想都是相同的。因此,本书着重展示硬件与软件的关系,并重点介绍当今计算机中的基础概念。
近年来,处理器已经由单核发展为多核,这也印证了本书自第1版就预测的发展趋势。有些程序员忽略了这一发展趋势,他们希望计算机体系结构专家、编译器设计者和芯片工程师能够帮助他们,让程序不做任何修改就可以更快或更高效地在新型处理器上运行。但是,这样的时代已经一去不返了。为了使程序运行得更快,必须将其并行化。然而,许多研究者的目标是希望程序员在编写程序时不需要考虑硬件的并行特征,这一目标要很多年才能实现。至少在下一个十年里,大多数程序员必须理解硬件/软件接口,才能编写出能在并行计算机上高效运行的程序。
本书适合以下读者:在汇编语言或逻辑设计方面只有少许经验,需要理解基本计算机组成的读者;具有汇编语言或逻辑设计的基础,需要学习如何设计计算机,或者要进一步理解计算机系统如何工作的读者。
与本书相关的另一本书
有些读者可能已经熟悉作者的另一本书《Computer Architecture:A Quantitative Approach》。该书已广为流传,经常以作者姓名命名,称为“Hennessy and Patterson”(本书则常称为“Patterson and Hennessy”)。我们写该书的目的是要用坚实的工程基础和量化的性价比权衡来描述计算机体系结构的原理。我们以商用系统为例,用测量的方法来描述实际的设计经验。我们的目标是用量化的方法而不是用描述的方法学习计算机体系结构,希望这一方法有助于培养能精确理解计算机的专业人才。
机械工业出版社已出版了本书的第3版、第4版和第5版影印书,书名为《计算机体系结构:量化研究方法》。——编辑注
本书的大多数读者并不一定要成为计算机体系结构的设计者。但是,未来软件设计人员对与软件系统协同工作的基本硬件技术的理解程度,将直接影响软件系统的性能和能效。因此,编译器设计者、操作系统设计者、数据库程序员以及其他大多数软件工程师对本书的原理必须有充分的了解。同样,硬件设计者也必须清楚地理解他们的工作对软件的相应影响。
所以,本书的内容远多于“Hennessy and Patterson”,而且进行了大量修订,以适应不同专业的读者。我们对再版“Hennessy and Patterson”时删除的大量介绍性材料的效果感到满意,这使得新版与第1版内容的重叠大大降低,本书亦如此。
第5版的变化
第5版有6个主要的目标:使用运行例子的方法论证理解硬件的重要性;对前面已经提到的重要技术采用黑体的方式进行强调;对例子进行了更新,以反映从PC时代到后PC时代的发展;将I/O吞吐率方面的材料贯穿在整本书中,而不是集中在一章中;对技术内容进行了更新,以反映自2009年第4版出版以来工业界的变化;将附录和可选章节(目录中带有图标的章节)的内容放在互联网上(booksite.elsevier.com/9780124077263/index.php),而不是放在CD上,降低了本书的成本,也使该版本变成了一部电子书。
在详细介绍第5版的修订目标之前,首先看下表。该表给出了本书的主要内容,并为关注硬件和关注软件的两种读者分别进行了导读。其中,第1、4、5和6章对两种读者同等重要。第1章讨论了能耗的重要性和由其引发的处理器从单核向多核的转变,并介绍了计算机设计中的8个伟大思想。第2章对于硬件读者来说很可能是复习性材料,而对于软件读者来说则是重要的阅读材料,特别是希望深入学习编译器和面向对象编程语言的读者。第3章适合对定点运算或者浮点运算感兴趣的读者,有些读者可能不需要学习第3章。然而,我们将在本章介绍矩阵乘法运行的例子,展示如何采用子字并行方法将性能提高4倍,因此不要跳过3.6~3.8节。第4章介绍了流水线处理器。其中,4.1、4.5和4.10节给出了流水线概述,4.12节给出了进一步提高矩阵乘法运算性能的方法,这些小节对于软件设计者来说比较重要。对于硬件设计者,第4章是核心内容。另外,根据读者知识背景的不同,可以选择是否首先阅读附录C中的逻辑设计部分。最后一章是多核、多处理器和集群系统,这一章是全新的内容,因此所有读者都应该阅读。本版的重要组织结构是使许多思想的引入更加自然,例如GPU、仓储式计算机和集群系统中的关键——网络接口卡的软硬件接口。
章/附录 节 关注软件 关注硬件
第1章计算机概要与技术1.1~1.111.12(历史)
第2章指令:计算机的语言2.1~2.142.15(编译器和Java)2.16~2.202.21(历史)
附录ERISC指令集体系结构E.1~E.17
第3章计算机的算术运算3.1~3.53.6~3.8(子字并行)3.9~3.10(谬误)3.11(历史)
序言
近年,在全球信息化大潮的推动下,我国的计算机产业发展迅猛,对专业人才的需求日益迫切。这对计算机教育界和出版界都既是机遇,也是挑战;而专业教材的建设在教育战略上显得举足轻重。在我国信息技术发展时间较短的现状下,美国等发达国家在其计算机科学发展的几十年间积淀和发展的经典教材仍有许多值得借鉴之处。因此,引进一批国外优秀计算机教材将对我国计算机教育事业的发展起到积极的推动作用,也是与世界接轨、建设真正的世界一流大学的必由之路。
机械工业出版社华章公司较早意识到“出版要为教育服务”。自1998年开始,我们就将工作重点放在了遴选、移译国外优秀教材上。经过多年的不懈努力,我们与Pearson, McGraw-Hill, Elsevier, MIT, John Wiley & Sons, Cengage等世界著名出版公司建立了良好的合作关系,从他们现有的数百种教材中甄选出Andrew S.Tanenbaum, Bjarne Stroustrup, Brain W.Kernighan, Dennis Ritchie, Jim Gray, Afred V.Aho, John E.Hopcroft, Jeffrey D.Ullman, Abraham Silberschatz, William Stallings, Donald E.Knuth, John L.Hennessy, Larry L.Peterson等大师名家的一批经典作品,以“计算机科学丛书”为总称出版,供读者学习、研究及珍藏。大理石纹理的封面,也正体现了这套丛书的品位和格调。
“计算机科学丛书”的出版工作得到了国内外学者的鼎力相助,国内的专家不仅提供了中肯的选题指导,还不辞劳苦地担任了翻译和审校的工作;而原书的作者也相当关注其作品在中国的传播,有的还专门为其书的中译本作序。迄今,“计算机科学丛书”已经出版了近两百个品种,这些书籍在读者中树立了良好的口碑,并被许多高校采用为正式教材和参考书籍。其影印版“经典原版书库”作为姊妹篇也被越来越多实施双语教学的学校所采用。
权威的作者、经典的教材、一流的译者、严格的审校、精细的编辑,这些因素使我们的图书有了质量的保证。随着计算机科学与技术专业学科建设的不断完善和教材改革的逐渐深化,教育界对国外计算机教材的需求和应用都将步入一个新的阶段,我们的目标是尽善尽美,而反馈的意见正是我们达到这一终极目标的重要帮助。华章公司欢迎老师和读者对我们的工作提出建议或给予指正,我们的联系方法如下:华章网站:www.hzbook.com
电子邮件:hzjsj@hzbook.com
联系电话:(010)88379604
联系地址:北京市西城区百万庄南街1号
邮政编码:100037
媒体评论
——Michael Goldweber,Xavier大学
从第1版开始,我已经使用本书很多年了。第5版在现有的经典内容上做了显著的改进。从桌面计算到移动计算再到大数据,技术的发展开辟了新的研究领域,包括ARM之类的嵌入式处理器、软件和硬件如何进行交互以提高性能以及云计算等,这些在本版中都有所体现,且没有牺牲基础知识的内容。
——Ed Harcourt,St.Lawrence大学
这是一本应该保存在书架上的计算机体系结构的教材。本书既陈旧又新颖,因为它不但介绍了基本原理——摩尔定律、抽象、加速大概率事件、冗余、存储器层级、并行和流水线,也使用如ARM Cortex A8和Intel Core i7等现代设计对这些基本原理进行了说明。
——Mark D.Hill,Wisconsin-Madison大学
第5版与先进嵌入式和众核(GPU)系统的发展保持同步,它们的发展使平板电脑和智能手机很快变成新的桌面电脑。本书展示了这些变化,并提供了丰富的计算机组成与设计的基本原理,这些内容对于这类新型设备和系统的软硬件设计人员来说非常有用。
——Dave Kaeli,Northeastern大学
当前,半导体加工工艺按比例缩小的困难在于系统功耗的限制,在移动系统和大数据处理器领域,该限制与不断增长的性能需求之间的矛盾越来越尖锐。第5版除了为读者提供计算机体系结构的介绍,还为读者准备了为应对该矛盾而必须在设计方面做出的修改。在这个计算技术的新领域,必须进行软硬件协同设计,另外,系统级体系结构优化与部件级优化一样重要。
——Christos Kozyrakis,Stanford大学
Patterson和Hennessy非常英明地指出持续发展的计算机硬件结构中的问题,强调硬件和软件模块在不同抽象层次上的交互。第5版通过一系列软硬件间的机制将I/O和并行概念贯穿全书,对后PC时代的计算机体系结构进行了全面的展示。对于在平板PC和云计算中面临能效问题和并行性挑战的软件和硬件专家而言,本书是一部必备的指导书。
——Jae C.Oh,Syracuse大学