計算機組成與設計（原書第4版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026
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具體描述
這本最暢銷的計算機組成書籍經過全麵更新，關注現今發生在計算機體係結構領域的革命性變革：從單處理器發展到多核微處理器，從串行發展到並行。與前幾版一樣，本書采用瞭MIPS處理器來展示計算機硬件技術、匯編語言、計算機算術、流水綫、存儲器層次結構以及I/O等基本功能。此外，本書還包括一些關於ARM和x86體係結構的介紹。
本書特色：
涵蓋從串行計算到並行計算的革命性變革，新增瞭關於並行化的一章，並且每章中還有一些強調並行硬件和軟件主題的小節。
新增一個由NVIDIA的首席科學傢和架構主管撰寫的附錄，介紹瞭現代GPU的齣現和重要性，首次詳細描述瞭這個針對可視計算進行瞭優化的高度並行化、多綫程、多核的處理器。
描述一種度量多核性能的獨特方法——Roofline model模型，自帶AMD Opteron X4、Intel Xeon 5000、Sun UltraSPARC T2和 IBM Cell的基準測試和分析。
涵蓋一些關於閃存和虛擬機的新內容。
提供瞭大量富有啓發性的練習題。
將AMD Opteron X4和Intel Nehalem作為貫穿本書的實例。
用SPEC CPU2006組件更新瞭所有處理器性能實例。
作者簡介
David A. Patterson 加州大學伯剋利分校計算機科學係教授，美國國傢工程研究院院士，IEEE和ACM會士，曾因成功的啓發式教育方法被IEEE授予James H. Mulligan，Jr教育奬章。他因為對RISC技術的貢獻而榮獲1995年IEEE技術成就奬，而在RAID技術方麵的成就為他贏得瞭1999年IEEE Reynold Johnson信息存儲奬。2000年他和John L. Hennessy分享瞭John von Neumann奬。
John L. Hennessy 斯坦福大學校長，IEEE和ACM會士，美國國傢工程研究院院士及美國科學藝術研究院院士。Hennessy教授因為在RISC技術方麵做齣瞭突齣貢獻而榮獲2001年的Eckert-Mauchly奬章，他也是2001年Seymour Cray計算機工程奬得主，並且和David A. Patterson分享瞭2000年John von Neumann奬。
目錄資訊
譯者序
前言
第1章 計算機概要與技術1
1.1 引言1
1.1.1 計算應用的分類及其特性2
1.1.2 你能從本書學到什麼3
1.2 程序概念入門4
1.3 硬件概念入門7
1.3.1 剖析鼠標8
1.3.2 顯示器8
1.3.3 打開機箱9
1.3.4 數據安全12
1.3.5 與其他計算機通信13
1.3.6 處理器和存儲器製造技術14
1.4 性能15
1.4.1 性能的定義15
1.4.2 性能的測量17
1.4.3 CPU性能及其因素18
1.4.4 指令的性能19
1.4.5 經典的CPU性能公式19
1.5 功耗牆21
1.6 滄海巨變：從單處理器嚮多處理器轉變23
1.7 實例：製造以及AMD Opteron X4基準25
1.7.1 SPEC CPU基準測試程序27
1.7.2 SPEC功耗基準測試程序28
1.8 謬誤與陷阱29
1.9 本章小結31
1.10 拓展閱讀32
1.11 練習題32
第2章 指令：計算機的語言42
2.1 引言42
2.2 計算機硬件的操作43
2.3 計算機硬件的操作數46
2.3.1 存儲器操作數47
2.3.2 常數或立即數操作數49
2.4 有符號和無符號數50
2.5 計算機中指令的錶示54
2.6 邏輯操作59
2.7 決策指令61
2.7.1 循環62
2.7.2 case/switch語句64
2.8 計算機硬件對過程的支持65
2.8.1 使用更多的寄存器66
2.8.2 嵌套過程68
2.8.3 在棧中為新數據分配空間69
2.8.4 在堆中為新數據分配空間70
2.9 人機交互72
2.10 MIPS中32位立即數和地址的尋址75
2.10.1 32位立即數75
2.10.2 分支和跳轉中的尋址76
2.10.3 MIPS尋址模式總結78
2.10.4 機器語言解碼79
2.11 並行與指令：同步81
2.12 翻譯並執行程序83
2.12.1 編譯器84
2.12.2 匯編器84
2.12.3 鏈接器85
2.12.4 加載器87
2.12.5 動態鏈接庫87
2.12.6 啓動一個Java程序88
2.13 以一個C排序程序為例89
2.13.1 swap過程89
2.13.2 sort過程90
2.14 數組與指針95
2.14.1 用數組實現clear96
2.14.2 用指針實現clear96
2.14.3 比較兩個版本的clear97
2.15 高級內容：編譯C語言和解釋Java語言98
2.16 實例：ARM指令集98
2.16.1 尋址模式99
2.16.2 比較和條件分支100
2.16.3 ARM的特色100
2.17 實例：x86指令集101
2.17.1 Intel x86的改進101
2.17.2 x86寄存器和數據尋址模式103
2.17.3 x86整數操作104
2.17.4 x86指令編碼106
2.17.5 x86總結107
2.18 謬誤與陷阱107
2.19 本章小結108
2.20 拓展閱讀110
2.21 練習題110
第3章 計算機的算術運算135
3.1 引言135
3.2 加法和減法135
3.2.1 多媒體算術運算137
3.2.2 小結138
3.3 乘法139
3.3.1 順序的乘法算法和硬件139
3.3.2 有符號乘法141
3.3.3 更快速的乘法142
3.3.4 MIPS中的乘法142
3.3.5 小結142
3.4 除法143
3.4.1 除法算法及其硬件結構143
3.4.2 有符號除法145
3.4.3 更快速的除法146
3.4.4 MIPS中的除法146
3.4.5 小結147
3.5 浮點運算148
3.5.1 浮點錶示149
3.5.2 浮點加法152
3.5.3 浮點乘法154
3.5.4 MIPS中的浮點指令157
3.5.5 算術精確性162
3.5.6 小結164
3.6 並行性和計算機算術：結閤律165
3.7 實例：x86的浮點165
3.7.1 x86浮點體係結構166
3.7.2 Intel SIMD流擴展2（SSE2）浮點體係結構167
3.8 謬誤與陷阱168
3.9 本章小結170
3.10 拓展閱讀172
3.11 練習題173
第4章 處理器182
4.1 引言182
4.1.1 一個基本的MIPS實現183
4.1.2 實現方式概述183
4.2 邏輯設計慣例185
4.3 建立數據通路187
4.4 一個簡單的實現機製192
4.4.1 ALU控製192
4.4.2 主控製單元的設計194
4.4.3 數據通路的操作197
4.4.4 控製的結束199
4.4.5 為什麼不使用單周期實現方式201
4.5 流水綫概述202
4.5.1 麵嚮流水綫的指令集設計205
4.5.2 流水綫冒險205
4.5.3 對流水綫概述的小結210
4.6 流水綫數據通路及其控製211
4.6.1 圖形化錶示的流水綫219
4.6.2 流水綫控製222
4.7 數據冒險：轉發與阻塞225
4.8 控製冒險234
4.8.1 假定分支不發生234
4.8.2 縮短分支的延遲235
4.8.3 動態分支預測237
4.8.4 流水綫小結239
4.9 異常240
4.9.1 異常在MIPS體係結構中的處理241
4.9.2 在流水綫實現中的異常242
4.10 並行和高級指令級並行245
4.10.1 推測的概念246
4.10.2 靜態多發射處理器247
4.10.3 動態多發射處理器250
4.11 實例：AMD Opteron X4（Barcelona）流水綫253
4.12 高級主題：通過硬件設計語言描述和建模流水綫來介紹數字設計以及更多流水綫示例255
4.13 謬誤與陷阱255
4.14 本章小結256
4.15 拓展閱讀257
4.16 練習題257
第5章 大容量和高速度：開發存儲器層次結構280
5.1 引言280
5.2 cache的基本原理283
5.2.1 cache訪問285
5.2.2 cache缺失處理288
5.2.3 寫操作處理289
5.2.4 一個cache的例子:內置FastMATH處理器290
5.2.5 設計支持cache的存儲係統292
5.2.6 小結294
5.3 cache性能的評估和改進295
5.3.1 通過更靈活地放置塊來減少cache缺失297
5.3.2 在cache中查找一個塊300
5.3.3 替換塊的選擇302
5.3.4 使用多級cache結構減少缺失代價302
5.3.5 小結305
5.4 虛擬存儲器305
5.4.1 頁的存放和查找308
5.4.2 缺頁309
5.4.3 關於寫312
5.4.4 加快地址轉換：TLB312
5.4.5 集成虛擬存儲器、TLB和cache315
5.4.6 虛擬存儲器中的保護317
5.4.7 處理TLB缺失和缺頁318
5.4.8 小結322
5.5 存儲器層次結構的一般架構323
5.5.1 問題1：一個塊可以被放在何處323
5.5.2 問題2：如何找到一個塊324
5.5.3 問題3：當cache缺失時替換哪一塊325
5.5.4 問題4：寫操作如何處理325
5.5.5 3C：一種理解存儲器層次結構行為的直觀模型326
5.6 虛擬機328
5.6.1 虛擬機監視器的必備條件329
5.6.2 指令集係統結構（缺乏）對虛擬機的支持329
5.6.3 保護和指令集係統結構329
5.7 使用有限狀態機來控製簡單的cache330
5.7.1 一個簡單的cache330
5.7.2 有限狀態機331
5.7.3 一個簡單的cache控製器的有限狀態機333
5.8 並行與存儲器層次結構：cache一緻性334
5.8.1 實現一緻性的基本方案335
5.8.2 監聽協議335
5.9 高級內容：實現cache控製器336
5.10 實例：AMD Opteron X4(Barcelona)和Intel Nehalem的存儲器層次結構337
5.10.1 Nehalem和Opteron的存儲器層次結構337
5.10.2 減少缺失代價的技術339
5.11 謬誤和陷阱340
5.12 本章小結342
5.13 拓展閱讀343
5.14 練習題343
第6章 存儲器和其他I/O主題355
6.1 引言355
6.2 可信度、可靠性和可用性357
6.3 磁盤存儲器359
6.4 快閃式存儲器362
6.5 連接處理器、內存以及I/O設備363
6.5.1 互聯基礎364
6.5.2 x86處理器的I/O互聯365
6.6 為處理器、內存和操作係統提供I/O設備接口366
6.6.1 給I/O設備發送指令367
6.6.2 與處理器通信368
6.6.3 中斷優先級369
6.6.4 在設備與內存之間傳輸數據370
6.6.5 直接存儲器訪問和內存係統371
6.7 I/O性能度量：磁盤和文件係統的例子372
6.7.1 事務處理I/O基準程序372
6.7.2 文件係統和Web I/O的基準程序373
6.8 設計I/O係統373
6.9 並行性與I/O：廉價磁盤冗餘陣列374
6.9.1 無冗餘(RAID 0)376
6.9.2 鏡像（RAID 1）376
6.9.3 錯誤檢測和糾錯碼（RAID 2）376
6.9.4 位交叉奇偶校驗（RAID 3）376
6.9.5 塊交叉奇偶校驗（RAID 4）376
6.9.6 分布式塊交叉奇偶校驗（RAID 5）377
6.9.7 P+Q冗餘（RAID 6）378
6.9.8 RAID小結378
6.10 實例：Sun Fire x4150服務器379
6.11 高級主題：網絡383
6.12 謬誤與陷阱383
6.13 本章小結386
6.14 拓展閱讀387
6.15 練習題387
第7章 多核、多處理器和集群394
7.1 引言394
7.2 創建並行處理程序的難點396
7.3 共享存儲多處理器398
7.4 集群和其他消息傳遞多處理器400
7.5 硬件多綫程403
7.6 SISD、MIMD、SIMD、SPMD和嚮量機404
7.6.1 在x86中的SIMD：多媒體擴展405
7.6.2 嚮量機406
7.6.3 嚮量與標量的對比407
7.6.4 嚮量與多媒體擴展的對比408
7.7 圖形處理單元簡介408
7.7.1 NVIDIA GPU體係結構簡介410
7.7.2 深入理解GPU411
7.8 多處理器網絡拓撲簡介412
7.9 多處理器基準測試程序415
7.10 Roofline：一個簡單的性能模型417
7.10.1 Roofline模型418
7.10.2 兩代Opteron的比較419
7.11 實例：使用屋頂綫模型評估四種多核處理器422
7.11.1 4個多核係統422
7.11.2 稀疏矩陣424
7.11.3 結構化網格425
7.11.4 生産率426
7.12 謬誤與陷阱427
7.13 本章小結428
7.14 拓展閱讀429
7.15 練習題429
附錄A 圖形和計算GPU439
A.1 引言439
A.1.1 GPU發展簡史439
A.1.2 異構係統440
A.1.3 GPU發展成瞭可擴展的並行處理器440
A.1.4 為什麼使用CUDA和GPU計算440
A.1.5 GPU統一瞭圖形和計算441
A.1.6 GPU可視化計算的應用441
A.2 GPU係統架構441
A.2.1 異構CPU-GPU係統架構442
A.2.2 GPU接口和驅動443
A.2.3 圖形邏輯流水綫443
A.2.4 將圖形流水綫映射到統一的GPU處理器443
A.2.5 基本的統一GPU結構444
A.3 可編程GPU445
A.3.1 為實時圖形編程446
A.3.2 邏輯圖形流水綫446
A.3.3 圖形渲染程序447
A.3.4 像素渲染示例447
A.3.5 並行計算應用編程448
A.3.6 使用CUDA進行可擴展並行編程449
A.3.7 一些限製453
A.3.8 體係結構隱含的問題453
A.4 多綫程的多處理器架構454
A.4.1 大規模多綫程454
A.4.2 多處理器體係結構455
A.4.3 單指令多綫程（SIMT）456
A.4.4 SIMT warp執行和分支457
A.4.5 管理綫程和綫程塊457
A.4.6 綫程指令458
A.4.7 指令集架構（ISA）458
A.4.8 流處理器（SP）461
A.4.9 特殊功能單元（SFU）461
A.4.10 與其他多處理器的比較461
A.4.11 多綫程多處理器總結462
A.5 並行存儲係統462
A.5.1 DRAM的考慮462
A.5.2 cache463
A.5.3 MMU463
A.5.4 存儲器空間463
A.5.5 全局存儲器463
A.5.6 共享存儲器464
A.5.7 局部存儲器464
A.5.8 常量存儲器464
A.5.9 紋理存儲器464
A.5.10 錶麵465
A.5.11 load/store訪問465
A.5.12 ROP465
A.6 浮點算術465
A.6.1 支持的格式465
A.6.2 基本算術465
A.6.3 專用算術466
A.6.4 性能467
A.6.5 雙精度467
A.7 資料：NVIDIA GeForce 8800468
A.7.1 流處理器陣列（SPA）468
A.7.2 紋理/處理器簇（TPC）469
A.7.3 流多處理器（SM）470
A.7.4 指令集471
A.7.5 流處理器（SP）471
A.7.6 特殊功能單元（SFU）471
A.7.7 光柵化471
A.7.8 光柵操作處理器（ROP）和存儲係統471
A.7.9 可擴展性472
A.7.10 性能472
A.7.11 密集綫性代數性能472
A.7.12 FFT性能473
A.7.13 排序性能474
A.8 資料：將應用映射到GPU474
A.8.1 稀疏矩陣475
A.8.2 在共享存儲器中進行緩存477
A.8.3 掃描和歸約478
A.8.4 基數排序480
A.8.5 GPU上的N-Body應用482
A.9 謬誤與陷阱486
A.10 小結489
A.11 拓展閱讀489
附錄B 匯編器、鏈接器和SPIM仿真器490
B.1 引言490
B.1.1 什麼時候使用匯編語言493
B.1.2 匯編語言的缺點493
B.2 匯編器494
B.2.1 目標文件的格式495
B.2.2 附加工具496
B.3 鏈接器498
B.4 加載499
B.5 內存的使用499
B.6 過程調用規範500
B.6.1 過程調用502
B.6.2 過程調用舉例503
B.6.3 另外一個過程調用的例子505
B.7 異常和中斷507
B.8 輸入和輸齣509
B.9 SPIM511
B.10 MIPS R2000匯編語言513
B.10.1 尋址方式514
B.10.2 匯編語法515
B.10.3 MIPS指令編碼515
B.10.4 指令格式516
B.10.5 常數操作指令520
B.10.6 比較指令520
B.10.7 分支指令521
B.10.8 跳轉指令523
B.10.9 陷阱指令523
B.10.10 取數指令525
B.10.11 保存指令526
B.10.12 數據傳送指令527
B.10.13 浮點運算指令528
B.10.14 異常和中斷指令532
B.11 小結533
B.12 參考文獻533
B.13 練習題533
· · · · · · (收起)
讀後感
两位殿堂级计算机大神出品的经典书籍，绝对值得反复阅读。 如果你是软件开发工程师，通过阅读本书，你可以了解到你所编写的软件代码是如何使用硬件的机器指令来工作的，这样会对以后的软件开发工作有更深入的理解，熟悉高级语言之下的“一角”下的“冰山”，对问题的认识会更深...
評分微机原理这本教材，不仅在知识层面对我等电子学子造成了难以愈合的创伤，更以其令人发指的卖萌在创口上撒了一把盐…… 以下内容为《计算机组成与设计：硬件/软件接口》中所有可以找到的题记，如有纰漏还请见谅。感谢@JimD 同学的工作 前言 我们能体验的最美好的东西是...
評分书籍说明 与计算机系统结构那本书同作者 怪不得，我说怎么这么眼熟呢 同样是大牛的作品，值得推荐 如果要在计算机硬件方面入门并学到一定程度，推荐和系统结构那本书一起读 毕竟同样作者写的，比较有连贯性，书中例子也足够的好 首先用这本书夯实计算机组成的基础，然后...
評分美国加州大学伯克利分校计算机系Patterson教授和斯坦福大学计算机系Hennesssy教授是现今计算机设计领域非常受人尊敬的学者和开创者。John Hennessy精通硬件/软件，是具有传奇色彩的MIPS编译器和几代MIPS硬件产品的技术上的领导者。David Patterson是RISC最初提倡者之一。他创造...
評分大名鼎鼎的H&R的姊妹篇P&H。 作者从ISA一直讲到CPU，到cache和TLB，一气呵成，没有停顿。 只是有些指令和寄存器结构，得看了后面的附录，才能理解，比如协处理器0。 可以对照着csapp一起看。一本是x86（更准确说是y86），一本是mips。
用戶評價
最讓我感到驚喜的是書中對現代處理器設計趨勢的關注。它並沒有沉溺於對過往經典架構的追憶，而是將目光聚焦於當前芯片設計麵臨的瓶頸和未來的發展方嚮，比如多核並行、內存牆問題以及能效比的優化。這種與時俱進的內容，讓這本書的價值遠遠超齣瞭單純的理論教材範疇，它更像是一本兼具深度和前瞻性的行業參考手冊。當我讀到關於緩存一緻性協議的章節時，簡直有種醍醐灌頂的感覺，那些過去在其他地方看到卻總感覺模糊不清的概念，在這裏得到瞭清晰、係統的梳理。這種結構化的知識體係，極大地增強瞭我對現代高性能計算平颱的理解深度。我甚至開始思考，在麵對未來的技術選型時，這本書提供的思維框架能給我帶來多大的啓發。
评分我花瞭整整一個周末的時間，沉浸在這套理論的海洋裏，尤其是關於指令集架構的部分，簡直讓人大呼過癮。這本書的敘事節奏把握得相當到位，它不是一股腦地把所有知識點砸過來，而是非常有層次感地引導讀者從宏觀的係統視角逐步深入到微觀的硬件實現細節。比如，它在講解流水綫技術時，那種將時間軸和並行處理的概念結閤起來的闡述方式，清晰地展現瞭性能優化的核心思想。我特彆欣賞作者對於不同設計權衡的討論，比如速度與功耗、成本與復雜性之間的取捨，這些真實例子讓理論不再是空中樓閣。閱讀過程中，我經常會閤上書本，嘗試在腦海中復現那種數據流動的場景，這極大地提升瞭我的空間想象能力。這本書的魅力就在於，它不僅僅是在“教”你知識，更是在“培養”你像一個真正的係統架構師那樣去思考問題。
评分這本書的封麵設計得相當紮眼，那種深沉的藍色調和金屬質感的字體，一下子就抓住瞭我的眼球。拿到手裏掂瞭掂，分量十足，光是這份厚重感，就讓人覺得裏麵必定是乾貨滿滿。我特地選瞭這本，就是衝著它在業內赫赫有名的地位去的。說實話，剛翻開目錄的時候，內心還是有點忐忑的，畢竟“組成與設計”這四個字聽起來就充滿瞭硬核氣息。我期待著能在這本書裏找到那種將復雜的底層邏輯剝繭抽絲、化繁為簡的講解方式。我希望作者能用生動的比喻，將那些抽象的二進製、寄存器、總綫結構，變得像搭積木一樣直觀易懂。如果能配上大量精美的圖示，那就更完美瞭。我渴望的不是那種冷冰冰的教科書式羅列，而是能真正感受到設計思想的脈絡，理解為什麼現代計算機要這樣組織和運作。這本書給我的第一印象是：這是一部嚴肅對待計算機科學本質的鴻篇巨製，值得我投入大量時間去啃食。
评分這本書帶給我最大的收獲，或許是那種對“為什麼”的深刻理解，而不是僅僅停留在“是什麼”的層麵。它不僅僅是告訴你CPU如何工作，更是讓你理解瞭在特定的物理和經濟約束下，無數工程師是如何巧妙地將這些復雜的組件組織在一起，以實現極緻的性能和可靠性。我發現自己看其他關於軟件優化的文章時，都會不自覺地去迴溯到這本書裏講的內存訪問模式和指令級並行性，這使得我的視野變得更加立體和紮實。雖然閱讀過程偶爾會因為其內容的密度而感到心纍，但每攻剋一個難點，那種成就感是無與倫比的。這本書無疑是計算機科學專業人士書架上不可或缺的一塊基石，它的價值，隻有在你真正動手去設計或調試底層係統時，纔能體會得淋灕盡緻。
评分這本書的排版和印刷質量也值得稱贊，厚實的紙張保證瞭即便是反復翻閱也不會輕易損壞，這對經常需要對照查閱的工具書來說至關重要。不過，我得坦誠地說，對於初學者而言，這本書的某些章節，尤其是涉及具體邏輯門電路和硬件描述語言的部分，可能需要更高的專注度。我嘗試著去理解書中那些略顯簡略的數學推導，老實說，有那麼幾處我不得不藉助網絡資源來補充背景知識，纔能真正跟上作者的思路。這倒不是說書寫得不好，而是這種專業深度，本身就決定瞭它必然是一本需要投入汗水去消化的“硬菜”。我感覺作者似乎默認讀者已經具備瞭一定的預備知識，所以在某些基礎概念的鋪墊上顯得相對剋製。總而言之，它更像是一位經驗豐富的大師在指導你進行一場高難度的攀登，你需要自己準備好足夠的體力和工具。
评分翻譯錯誤略多。是一本開始看前很頭大，看完後很爽的書。 說句無關的話，這是本需要至少十天復習的書，結果我花瞭三天半，炸裂。
评分附錄A和附錄B是某個研究生用榖歌翻譯的。
评分這本書主要是基於 MIPS 體係結構把馮諾依曼體係的五大組件進行瞭逐一的硬件實現+軟件設計介紹，更為重要的是引入瞭諸多並行計算的內容，這是大部分教材中忽略或者內容較少的，會根據這個思路把並行相關的內容，結閤 OpenMP, CUDA 和 Hadoop/Spark 整體融入到新書中，畢竟這是未來發展的趨勢
评分C語言和匯編語言做瞭對照
评分這本書主要是基於 MIPS 體係結構把馮諾依曼體係的五大組件進行瞭逐一的硬件實現+軟件設計介紹，更為重要的是引入瞭諸多並行計算的內容，這是大部分教材中忽略或者內容較少的，會根據這個思路把並行相關的內容，結閤 OpenMP, CUDA 和 Hadoop/Spark 整體融入到新書中，畢竟這是未來發展的趨勢
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