计算机组成与体系结构：性能设计（原书第8版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026
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- 计算机组成原理
- 计算机体系结构
- 性能优化
- 数字逻辑
- 处理器设计
- 存储系统
- 并行计算
- 流水线技术
- 缓存
- 计算机硬件
具体描述
本书是介绍当代计算机体系主流技术和最新技术的优秀教材，以Intel x86和ARM两个处理器系列为例，深入讨论了计算机组成与体系结构的基本原理和概念，并将它们运用到当代计算机系统设计的问题中。
自第7版出版以来，计算机组成与体系结构领域又有了不少革新和进展。第8版坚持全面覆盖整个领域，并在此基础上尽量跟上新技术的步伐。
新增内容
交互式模拟工具：提供了20个基于Web的交互式模拟工具，为理解现代处理器的复杂机制提供了有力的支持。
嵌入式处理器：以ARM体系结构为例，介绍嵌入式处理器以及它们提供的独特的设计问题。
多核处理器：阐述计算机体系结构最流行的新进展——单个芯片上多处理器的使用。
高速缓存：对高速缓存内容进行了全面的修订、更新和扩充，涵盖了更宽泛的技术领域。
性能评估：扩充了对性能评估的讨论，增加了对基准程序和阿姆达尔定律的分析。
汇编语言：增加了一个关于汇编语言和汇编器的新附录。
作者简介
William Stallings 拥有美国麻省理工学院计算机科学博士学位，现任教于澳大利亚新南威尔士大学国防学院（堪培拉）信息技术与电子工程系。他是世界知名计算机学者和畅销教材作者，出版了40多本书籍，内容涉及计算机安全、计算机网络和计算机体系结构等方面，堪称计算机界的全才。他曾十次荣获美国“教材和学术专著作者协会”颁发的“年度最佳计算机科学教材”奖。
目录信息
译者序
前言
第0章读者指南1
0.1本书概要1
0.2导读1
0.3为何要学习计算机组成和体系结构1
0.4因特网与Web资源2
0.4.1本书的Web站点2
0.4.2其他Web站点3
0.4.3USENET新闻组3
第一部分概论
第1章导论6
1.1计算机组成与体系结构6
1.2结构和功能7
1.2.1功能7
1.2.2结构8
1.3关键词和思考题9
第2章计算机的演变和性能10
2.1计算机简史10
2.1.1第一代：真空管10
2.1.2第二代：晶体管15
2.1.3第三代：集成电路16
2.1.4后续几代20
2.2性能设计22
2.2.1微处理器的速度23
2.2.2性能平衡23
2.2.3芯片组成和体系结构的改进25
2.3Intel x86体系结构的进展26
2.4嵌入式系统和ARM27
2.4.1嵌入式系统27
2.4.2ARM的进展29
2.5性能评价30
2.5.1时钟速度和每秒指令数30
2.5.2基准程序32
2.5.3阿姆达尔定律34
2.6推荐的读物和Web站点35
2.7关键词、思考题和习题36
第二部分计算机系统
第3章计算机功能和互连的顶层视图42
3.1计算机的部件42
3.2计算机的功能44
3.2.1指令的读取和执行44
3.2.2中断46
3.2.3I/O功能51
3.3互连结构51
3.4总线互连52
3.4.1总线结构52
3.4.2多总线层次结构54
3.4.3总线的设计要素55
3.5PCI58
3.5.1总线结构58
3.5.2PCI命令61
3.5.3数据传送62
3.5.4仲裁63
3.6推荐的读物和Web站点64
3.7关键词、思考题和习题64
附录3A时序图67
第4章cache存储器69
4.1计算机存储系统概述69
4.1.1存储系统的特性69
4.1.2存储器层次结构71
4.2cache存储器原理73
4.3cache的设计要素75
4.3.1cache地址75
4.3.2cache容量76
4.3.3映射功能77
4.3.4替换算法85
4.3.5写策略85
4.3.6行大小86
4.3.7cache数目86
4.4Pentium 4的cache组织88
4.5ARM的cache组织90
4.6推荐的读物91
4.7关键词、思考题和习题91
附录4A两级存储器的性能特点95
第5章内部存储器100
5.1半导体主存储器100
5.1.1组织100
5.1.2DRAM和SRAM100
5.1.3ROM类型102
5.1.4芯片逻辑103
5.1.5芯片封装104
5.1.6模块组织105
5.1.7多体交叉存储器106
5.2纠错107
5.3高级DRAM组织110
5.3.1同步DRAM111
5.3.2Rambus DRAM112
5.3.3DDR DRAM113
5.3.4cache DRAM114
5.4推荐的读物和Web站点114
5.5关键词、思考题和习题115
第6章外部存储器118
6.1磁盘118
6.1.1磁读写机制118
6.1.2数据组织和格式化119
6.1.3物理特性121
6.1.4磁盘性能参数122
6.2RAID124
6.2.1RAID 0级125
6.2.2RAID 1级128
6.2.3RAID 2级128
6.2.4RAID 3级128
6.2.5RAID 4级129
6.2.6RAID 5级130
6.2.7RAID 6级130
6.3光存储器131
6.3.1光盘131
6.3.2数字多功能光盘133
6.3.3高清晰光盘134
6.4磁带135
6.5推荐的读物和Web站点136
6.6关键词、思考题和习题137
第7章输入/输出140
7.1外部设备140
7.1.1键盘/监视器141
7.1.2磁盘驱动器142
7.2I/O模块142
7.2.1模块功能142
7.2.2I/O模块结构143
7.3编程式I/O143
7.3.1编程式I/O概述144
7.3.2I/O命令144
7.3.3I/O指令144
7.4中断驱动式I/O146
7.4.1中断处理146
7.4.2设计问题148
7.4.3Intel 82C59A中断控制器149
7.4.4Intel 82C55A可编程外部接口150
7.5直接存储器存取151
7.5.1编程式I/O和中断驱动式I/O的缺点151
7.5.2DMA功能151
7.5.3Intel 8237A DMA控制器153
7.6I/O通道和处理器155
7.6.1I/O功能的演变155
7.6.2I/O通道的特点155
7.7外部接口：FireWire和InfiniBand156
7.7.1接口类型156
7.7.2点对点和多点配置156
7.7.3FireWire串行总线157
7.7.4InfiniBand159
7.8推荐的读物和Web站点162
7.9关键词、思考题和习题162
第8章操作系统支持166
8.1操作系统概述166
8.1.1操作系统的目标与功能166
8.1.2操作系统的类型168
8.2调度173
8.2.1长期调度173
8.2.2中期调度173
8.2.3短期调度173
8.3存储器管理176
8.3.1交换177
8.3.2分区177
8.3.3分页179
8.3.4虚拟存储器180
8.3.5快表182
8.3.6分段183
8.4Pentium存储器管理184
8.4.1地址空间184
8.4.2分段184
8.4.3分页186
8.5ARM存储器管理187
8.5.1存储器系统组织187
8.5.2虚拟存储器地址转换187
8.5.3存储器管理格式189
8.5.4存取控制190
8.6推荐的读物和Web站点191
8.7关键词、思考题和习题191
第三部分中央处理器
第9章计算机算术196
9.1算术逻辑单元196
9.2整数表示196
9.2.1符号-幅值表示法197
9.2.22的补码表示法197
9.2.3不同位长间的转换199
9.2.4定点表示法200
9.3整数算术200
9.3.1取负200
9.3.2加法和减法201
9.3.3乘法203
9.3.4除法207
9.4浮点表示208
9.4.1原理208
9.4.2二进制浮点表示的IEEE标准211
9.5浮点算术212
9.5.1浮点加法和减法213
9.5.2浮点乘法和除法214
9.5.3精度考虑215
9.5.4二进制浮点算术的IEEE标准216
9.6推荐的读物和Web站点218
9.7关键词、思考题和习题219
第10章指令集：特征和功能222
10.1机器指令特征222
10.1.1机器指令要素222
10.1.2指令表示223
10.1.3指令类型224
10.1.4地址数目225
10.1.5指令集设计226
10.2操作数类型226
10.2.1数值227
10.2.2字符227
10.2.3逻辑数据228
10.3Intel x86和ARM数据类型228
10.3.1x86数据类型228
10.3.2ARM数据类型229
10.4操作类型230
10.4.1数据传送232
10.4.2算术运算233
10.4.3逻辑运算233
10.4.4转换234
10.4.5输入/输出235
10.4.6系统控制235
10.4.7控制转移235
10.5Intel x86和ARM操作类型238
10.5.1x86操作类型238
10.5.2ARM操作类型244
10.6推荐的读物246
10.7关键词、思考题和习题246
附录10A栈250
附录10B小端、大端和双端253
第11章指令集：寻址方式和指令格式256
11.1寻址方式256
11.1.1立即寻址257
11.1.2直接寻址257
11.1.3间接寻址257
11.1.4寄存器寻址258
11.1.5寄存器间接寻址258
11.1.6偏移寻址258
11.1.7栈寻址260
11.2x86和ARM寻址方式260
11.2.1x86寻址方式260
11.2.2ARM寻址方式262
11.3指令格式264
11.3.1指令长度264
11.3.2位的分配265
11.3.3变长指令267
11.4x86和ARM指令格式269
11.4.1x86指令格式269
11.4.2ARM指令格式271
11.5汇编语言272
11.6推荐的读物274
11.7关键词、思考题和习题274
第12章CPU结构和功能277
12.1CPU组成277
12.2寄存器组成278
12.2.1用户可见寄存器278
12.2.2控制和状态寄存器280
12.2.3微处理器寄存器组成的例子281
12.3指令周期282
12.3.1间接周期282
12.3.2数据流283
12.4指令流水线技术283
12.4.1流水线策略284
12.4.2流水线性能286
12.4.3流水线冒险288
12.4.4处理分支指令289
12.4.5Intel 80486的流水线292
12.5x86系列处理器293
12.5.1寄存器组成294
12.5.2中断处理298
12.6ARM处理器299
12.6.1处理器组成300
12.6.2处理器模式301
12.6.3寄存器组成301
12.6.4中断处理303
12.7推荐的读物304
12.8关键词、思考题和习题304
第13章精简指令集计算机308
13.1指令执行特征309
13.1.1操作309
13.1.2操作数310
13.1.3过程调用311
13.1.4推论311
13.2大寄存器组方案的使用311
13.2.1寄存器窗口312
13.2.2全局变量313
13.2.3大寄存器组与高速缓存的对比313
13.3基于编译器的寄存器优化314
13.4精简指令集体系结构315
13.4.1采用CISC的理由315
13.4.2精简指令集体系结构特征317
13.4.3CISC与RISC特征对比318
13.5RISC流水线技术319
13.5.1使用规整指令的流水线技术319
13.5.2流水线的优化320
13.6MIPS R4000322
13.6.1指令集322
13.6.2指令流水线324
13.7SPARC327
13.7.1SPARC寄存器组327
13.7.2指令集328
13.7.3指令格式329
13.8RISC与CISC的争论330
13.9推荐的读物331
13.10关键词、思考题和习题331
第14章指令级并行性和超标量处理器335
14.1概述335
14.1.1超标量与超级流水线的对比336
14.1.2限制337
14.2设计考虑338
14.2.1指令级并行性和机器并行性338
14.2.2指令发射策略339
14.2.3寄存器重命名341
14.2.4机器并行性342
14.2.5分支预测342
14.2.6超标量执行343
14.2.7超标量实现343
14.3Pentium 4343
14.3.1前端347
14.3.2乱序执行逻辑348
14.3.3整数和浮点执行单元349
14.4ARM CORTEXA8349
14.4.1指令取指单元349
14.4.2指令译码单元351
14.4.3整数执行单元353
14.4.4SIMD和浮点流水线354
14.5推荐的读物355
14.6关键词、思考题和习题356
第四部分控制器
第15章控制器操作362
15.1微操作362
15.1.1取指周期363
15.1.2间接周期364
15.1.3中断周期365
15.1.4执行周期365
15.1.5指令周期366
15.2处理器控制367
15.2.1功能需求367
15.2.2控制信号367
15.2.3控制信号举例368
15.2.4处理器内部的组织369
15.2.5Intel 8085370
15.3硬布线实现373
15.3.1控制器输入373
15.3.2控制器逻辑374
15.4推荐的读物374
15.5关键词、思考题和习题375
第16章微程序控制376
16.1基本概念376
16.1.1微指令376
16.1.2微程序控制器378
16.1.3Wilkes控制379
16.1.4优缺点382
16.2微指令定序382
16.2.1设计考虑382
16.2.2定序技术382
16.2.3地址生成384
16.2.4LSI11微指令定序384
16.3微指令执行385
16.3.1微指令的分类法385
16.3.2微指令编码387
16.3.3LSI11微指令执行388
16.3.4IBM 3033微指令执行390
16.4TI 8800391
16.4.1微指令格式391
16.4.2微定序器393
16.4.3寄存器式ALU395
16.5推荐的读物397
16.6关键词、思考题和习题397
第五部分并 行 组 织
第17章并行处理400
17.1多处理器组织401
17.1.1并行处理器系统的类型401
17.1.2并行组织402
17.2对称多处理器402
17.2.1组织403
17.2.2多处理器操作系统设计考虑405
17.2.3大型机SMP405
17.3cache一致性和MESI协议407
17.3.1软件解决方案408
17.3.2硬件解决方案408
17.3.3MESI协议409
17.4多线程和片上多处理器411
17.4.1隐式和显式多线程412
17.4.2显式多线程的方式413
17.4.3示例系统415
17.5集群416
17.5.1集群配置417
17.5.2操作系统设计问题418
17.5.3集群计算机体系结构419
17.5.4刀片服务器420
17.5.5集群与SMP的对比421
17.6非均匀存储器访问421
17.6.1动机421
17.6.2组织422
17.6.3NUMA的优缺点423
17.7向量计算424
17.7.1向量计算的方法424
17.7.2IBM 3090向量机制427
17.8推荐的读物和Web站点432
17.9关键词、思考题和习题433
第18章多核计算机437
18.1硬件性能问题437
18.1.1增加并行437
18.1.2功耗439
18.2软件性能问题440
18.2.1多核软件440
18.2.2应用实例：Valve游戏软件441
18.3多核组织结构442
18.4Intel x86多核结构443
18.4.1Intel Core Duo443
18.4.2Intel Core i7445
18.5ARM11 MPCore445
18.5.1中断处理446
18.5.2cache一致性448
18.6推荐的读物和Web站点448
18.7关键词、思考题和习题449
附录A计算机组成与体系结构的教学课题451
附录B汇编语言及相关主题455
术语表473
参考文献480
· · · · · · (收起)
读后感
对计算机底层的组成有了概念上的了解，书里面配有大量的图，可以帮助读者理解。 以下是一些感想： 电子计算机包括数据存储、数据处理、数据传输和控制功能。 最基本的元器件是门和存储器位元。 集成电路的发明是具有突破性的。 计算机变快的方式从一开始的提高主频，到有更高效...
评分评论标题写的好像这本书很差的样子，其实也不是。货比货得扔，是说斯老师这书要是和CSAPP或者“亨尼希/帕特森”一比就能看出差距来。有些需要讲得透而又透的基础知识，没有讲够。比如数的表示、流水线等等。原理结合实际的部分，比如x86和arm，也是浮光掠影，只能了解个粗略的...
评分评论标题写的好像这本书很差的样子，其实也不是。货比货得扔，是说斯老师这书要是和CSAPP或者“亨尼希/帕特森”一比就能看出差距来。有些需要讲得透而又透的基础知识，没有讲够。比如数的表示、流水线等等。原理结合实际的部分，比如x86和arm，也是浮光掠影，只能了解个粗略的...
评分对计算机底层的组成有了概念上的了解，书里面配有大量的图，可以帮助读者理解。 以下是一些感想： 电子计算机包括数据存储、数据处理、数据传输和控制功能。 最基本的元器件是门和存储器位元。 集成电路的发明是具有突破性的。 计算机变快的方式从一开始的提高主频，到有更高效...
评分对计算机底层的组成有了概念上的了解，书里面配有大量的图，可以帮助读者理解。 以下是一些感想： 电子计算机包括数据存储、数据处理、数据传输和控制功能。 最基本的元器件是门和存储器位元。 集成电路的发明是具有突破性的。 计算机变快的方式从一开始的提高主频，到有更高效...
用户评价
这本《计算机组成与体系结构：性能设计》读下来，感觉就像经历了一次对计算机“骨架”的深度探险。书中的内容非常详尽，每一个细节都处理得井井有条。特别是关于指令集架构（ISA）的部分，作者并没有停留在表面介绍，而是深入剖析了不同设计哲学对后续系统性能的影响。比如，他们花了大量篇幅讨论RISC和CISC的演进历程，以及现代处理器如何通过微操作和乱序执行来弥合两者之间的性能鸿沟。我印象最深的是关于流水线技术的那几章，图表和公式的结合使用，让原本抽象的概念变得可视化。作者很擅长用非常具象的例子来解释复杂的调度算法，比如如何处理数据冒险和控制冒险，这对于初学者来说简直是福音。读完这些章节，我对现代CPU的运行方式有了更清晰的认识，不再仅仅是把CPU看作一个黑箱，而是能够理解其中精妙的平衡艺术——在功耗、面积和性能之间寻求最佳折中点。这本书的深度，远超出了我预期的入门教材的范畴，更像是一本为未来硬件工程师准备的深度参考手册。
评分这本书对于体系结构设计中“权衡”艺术的阐释，是我认为其最高价值所在。它不止步于描述“是什么”，更着重于探讨“为什么是这样”。例如，在讨论指令级并行性（ILP）的演进时，作者清晰地展示了从超标量到VLIW的设计取舍，以及为什么现代主流设计最终倾向于依赖硬件动态调度而非软件预先规划。这种对设计决策背后驱动力的探究，非常发人深省。它让我认识到，计算机体系结构并非一成不变的真理集合，而是一个不断适应软件需求和物理限制的动态学科。即便是在讨论功耗和散热问题时，书中也将其置于整体性能预算的框架下进行分析，强调了能效比（Performance per Watt）作为衡量现代计算系统优劣的关键指标。这本书提供了一个广阔的视角，让我能够从系统整体去评估单个硬件特性的优劣，而不是孤立地看待它们，这对我后续的系统设计和性能调优工作具有极其深远的指导意义。
评分我发现这本书在讲解内存层次结构时，展现了极高的洞察力。它没有简单地罗列缓存的大小和命中率，而是将缓存设计提升到了一个性能优化的哲学高度。作者深入探讨了多级缓存（L1、L2、L3）的设计决策背道，比如块大小（Block Size）的选择如何影响空间局部性和时间局部性的发挥，以及写策略（Write-Through vs. Write-Back）对系统总线带宽的巨大影响。更让我眼前一亮的是对虚拟内存管理单元（MMU）的描述。书中详尽地展示了TLB（Translation Lookaside Buffer）如何作为硬件加速器，极大地减少了页表遍历的开销，保证了程序执行的流畅性。这种对“速度之墙”的深刻理解和应对策略的细致描绘，使得阅读过程充满了发现的乐趣。它不仅仅是知识的传递，更是一种思维方式的训练，教会读者如何从性能瓶颈的角度去审视每一个硬件组件的效率。对于希望在软件优化中榨取硬件极致性能的开发者来说，这部分内容价值连城。
评分坦白说，这本书的数学推导部分是相当硬核的，但处理得非常得体。它没有将复杂的概率论和排队论模型强行灌输给读者，而是在需要的地方，如缓存冲突分析或分支预测的准确率模型中，适当地引入公式，并用清晰的文字解释其物理意义。我记得关于分支预测的那一章，它不仅解释了静态预测，还深入探讨了动态预测器（如两级相关历史缓冲器）的运作机制，那些真值表和状态转换图的绘制，极大地帮助我理解了现代CPU如何通过“猜测”来保持流水线的满载。这种平衡点把握得极好——既满足了专业人士对数学严谨性的要求，又没有让非数学背景的读者感到望而却步。对我来说，这本书更像是一座桥梁，连接了抽象的理论世界和实际的芯片设计蓝图，每一次翻阅都能在某个角落发现新的理解层次。
评分整本书的叙事风格非常严谨且富有逻辑性，但又不失生动。作者在介绍一些前沿概念时，比如多核架构的编程模型挑战和新兴的异构计算（如GPU的并行模型），总能巧妙地穿插一些历史性的对比。例如，他们将现代并行编程的同步问题与早期多处理器的互连网络设计进行类比，让读者体会到技术进步的连续性。我尤其欣赏其对“性能度量”的审慎态度。书中明确指出，单一的MIPS或时钟频率往往具有误导性，并大力推崇使用端到端的应用程序性能指标。这种务实的态度，使得全书的论述都建立在可量化的基础上，而不是空泛的理论吹嘘。在讲解I/O系统时，作者也清晰地区分了中断驱动、DMA（直接内存访问）和现代的基于消息传递的I/O模式，详细说明了每种模式下的延迟和吞吐量特性。阅读体验是渐进式的，前一章的知识点是后一章更复杂模型的基础，构建了一个非常坚固的知识体系框架。
评分读得英文版 感觉还不错 有些地方太细了 读完没有高屋建瓴的感觉 计算机的组成与系统依旧一盘散沙
评分这本书算是一个异类，因为是用自顶向下的方式写的，但是总体来说偏于硬件，有些比较难说明的机制也不是特别清晰，但是最后的术语表和参考文献倒是不错，另外是对 ARM 结构说得稍微多一些，我在考虑是否加入到新书中。
评分感觉有点晦涩，读起来奇怪。只看了前12章。
评分大二学计算机体系结构的时候从头到尾认真看了一遍，算是让我对计算机底层（尤其是硬件）的认识上升了一个层次，因此个人还是比较推荐的。
评分读得英文版 感觉还不错 有些地方太细了 读完没有高屋建瓴的感觉 计算机的组成与系统依旧一盘散沙
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