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计算机体系结构中令人感到最有趣的一个方面就是其变化频率之快。该领域中差不多每一天都会产生新的变革，这样就为每个人提供了献身于该领域的良机。但是，这种快速变化频率对于讲授计算机体系结构和组织课程的人员来说则是带来了一大挑战。与其他许多领域不同的是，计算机体系结构和组织这门课程的内容每学期都必须有所改变，以便吸收该领域中的新进展情况，而不是向学生灌输过多的学习材料。类似地，编写适用于该领域的教材也存在着一定困难，这主要是由于作者必须在边角材料与历史观点二者之间寻找某种平衡。
　　本书还包括主题选择这个过程，目的是使本书对于以前曾对本领域有过广泛了解的那些读者来说也很有用。第1～5章涉及到计算机组织领域中的许多基本概念，包括怎样测度计算机性能、计算机如何表示数值数据和程序、计算机中的不同编程模型，以及有关处理器设计的基础知识。第6、7章涵盖了流水线和指令级并行性这两种技术，它们对于现代处理器的性能来说至关重要。第8～10章涵盖了存储器系统设计方面的内容，包括存储器层次结构、高速缓冲存储器（Cache）以及虚拟存储器。第11章描述了输入/输出系统。第12章介绍了多处理机系统，即将多个处理机组合在一起，以便改进系统性能。
　　希望读者在学习计算机体系结构课程时，能够发现本书很有用。我已经尝试尽可能清楚地解释好每一个主题，并且避免陷入细节之中。将计算机体系结构和组织领域中的所有内容都压缩到像本书这样大小的教材中，这是一项挑战性任务。因此，我期待来自读者的各种评论信息，可以是材料选择、课程练习等方面的评论，也可以是与本书相关的其他信息。
　　总之，我想感谢使本书得以出版的所有人员，包括我的父母、朋友、伊利诺伊（Illinois）大学的同事们，以及曾经教育过我的所有老师们。此外，我还想特别感谢McGraw-Hill出版公司的工作人员，是他们鼓励我完成了本书的写作，并且允许我拖延了本书的写作日程安排。

尼古拉斯 P. 卡特

肖明 王永红 等译：肖明: 北京师范大学信息技术与信息管理系副教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为：因特网文本挖掘、多媒体信息处理、信息系统检索、计算机网络。已发表40多篇论文、译文100多万字，参加编译书籍11部，独立编写教材1部，参加包括国家863计划项目、国家教委教改项目、国家科委攻关项目等在内的4项国家级科研项目，主持国家青年基金项目2项（在研）。目前从事教学的课程主要有：计算机组成原理与体系结构、信息资源管理、中文信息处理、计算机网络等。代表性著作主要有：《电脑文化简明教程》、《信息系统分析与设计》（以上两本教材为教育部审订面向21世纪教材）、《数据仓库生命周期工具箱》、《数字图书馆：概念与技术实现》、《信息资源管理》等。

本书是全美经典学习指导系列中的一本讲述计算机体系结构相关知识的教辅书籍。
　　全书共分12章，主要包括：计算机体系结构概述、数据表示与计算机算术运算、计算机组织、编程模型、处理器设计、流水线、指令级并行性、存储器系统、高速缓冲存储器、虚拟存储器、输入/输出系统、多处理机系统等内容。每章正文部分均精选了与之相关的主要概念和关键技术，每章最后还提供了许多较实用的复习题和思考题，有利于读者深入理解计算机体系结构相关知识，便捷地检验学习效果。另外，本书还可以与计算机体系结构方面的任何教材配合使用，并可根据个人实际情况合理安排学习进度，有助于读者迅速牢记各章知识要点，掌握计算机体系结构的基本原理以及求解计算机体系结构问题的思路与方法，提高分析与解决相关问题的能力。
　　作为本书的主要译者和审校者，我觉得本书内容翔实，适合于想要了解计算机体系结构的各类读者阅读。对于正在学习计算机体系结构课程的相关专业师生来说，本书是不可或缺的教辅材料；对于从事各类实际工作的相关技术人员来说，本书是极佳的参考读物；对于准备参加计算机专业考试的各类考生来说，本书是优秀的复习资料。
　　需要补充说明的是，本书主要由北京师范大学信息技术与信息管理系的肖明副教授翻译，王永红、续鸿飞、陈颖等参加了本书5、7、11等部分章节的翻译。全书由肖明副教授统一审校，所有插图由王永红负责绘制和修改。最后，还应该特别感谢机械工业出版社的蒋祎编辑为本书出版所付出的大量辛勤劳动。
　　由于本书涉及的内容较多，而译者水平有限，所以书中难免会有疏漏或者错误之处，敬请广大读者不吝指教。如有任何批评意见和建议，请与译者联系：　 ming_xiao02@sohu.com。

肖明
2004年2月28日
写于北京师范大学青年公寓

第1章 概述
1.1 本书目的
1.2 假定背景
1.3 涵盖材料
1.4 本章目标
1.5 技术趋势
1.6 性能测度
1.7 加速比
1.8 Amdahl定律
1.9 本章小结
习题与解答
第2章 数据表示与计算机算术运算
2.1 本章目标
2.2 从电子到比特
2.3 正整数的二进制表示
2.4 正整数的算术运算
2.5 负整数
2.6 浮点数
2.7 本章小结
习题与解答
第3章 计算机组织
3.1 本章目标
3.2 本章概述
3.3 程序
3.4 操作系统
3.5 计算机组织
3.6 本章小结
习题与解答
第4章 编程模型
4.1 本章目标
4.2 本章概述
4.3 指令类型
4.4 基于堆栈的体系结构
4.5 通用寄存器体系结构
4.6 对基于堆栈的体系结构与通用寄存器体系结构进行比较
4.7 利用堆栈来实现过程调用
4.8 本章小结
习题与解答
第5章 处理器设计
5.1 本章目标
5.2 本章概述
5.3 指令集体系结构
5.4 处理器微体系结构
5.5 本章小结
习题与解答
第6章 流水线
6.1 本章目标
6.2 本章概述
6.3 流水线
6.4 指令冒险及其对吞吐量的影响
6.5 流水线处理器中的预测执行时间
6.6 结果转发（旁路）
6.7 本章小结
习题与解答
第7章 指令级并行性
7.1 本章目标
7.2 本章概述
7.3 什么是指令级并行性？
7.4 指令级并行性的局限性
7.5 超标量处理器
7.6 顺序执行与乱序执行
7.7 寄存器重命名
7.8 超长指令字处理器
7.9 指令级并行性的编译技术
7.10 本章小结
习题与解答
第8章 存储器系统
8.1 本章目标
8.2 本章概述
8.3 延时、吞吐量和带宽
8.4 存储器层次结构
8.5 存储器技术
8.6 本章小结
习题与解答
第9章 高速缓冲存储器
9.1 本章目标
9.2 本章概述
9.3 数据Cache、指令Cache和统一Cache
9.4 描述Cache
9.5 容量
9.6 行长
9.7 相联度
9.8 替换策略
9.9 写回式Cache与写直达式Cache
9.10 Cache实现
9.11 标记阵列
9.12 命中/失效逻辑
9.13 数据阵列
9.14 对Cache失效进行细分
9.15 多级Cache
9.16 本章小结
习题与解答
第10章 虚拟存储器
10.1 本章目标
10.2 本章概述
10.3 地址转换
10.4 请求调页与页面交换
10.5 页表
10.6 转换旁路缓冲器
10.7 保护
10.8 Cache与虚拟存储器
10.9 本章小结
习题与解答
第11章 输入/输出
11.1 本章目标
11.2 本章概述
11.3 I/O总线
11.4 中断
11.5 存储器映射I/O
11.6 直接存储器访问
11.7 输入/输出设备
11.8 磁盘系统
11.9 本章小结
习题与解答
第12章 多处理机系统
12.1 本章目标
12.2 本章概述
12.3 加速比与性能
12.4 多处理机系统
12.5 消息传递系统
12.6 共享式存储器系统
12.7 消息传递与共享式存储器比较
12.8 本章小结
习题与解答
索引