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　　這是一本強(qiáng)調(diào)從實(shí)踐中學(xué)理念的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的教材。作者結(jié)合自身從事國產(chǎn)龍芯高性能通用處理器研制的實(shí)踐，以準(zhǔn)確精練、生動活潑的語言，將計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的知識深入淺出地傳授給讀者。　　全書共13章，第1～4章從計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容和發(fā)展趨勢、二進(jìn)制和邏輯電路、指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)內(nèi)容。第5～7章從靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、多發(fā)射數(shù)據(jù)通路等方面介紹指令流水線結(jié)構(gòu)。第8～11章從轉(zhuǎn)移預(yù)測、功能部件、高速緩存、存儲管理等方面介紹處理器的模塊級結(jié)構(gòu)。第12章介紹多處理器結(jié)構(gòu)。第13章主要介紹作者在龍芯處理器設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。　　本書適合作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)的高年級本科生、研究生的教材，也可以作為相關(guān)工程技術(shù)人員的學(xué)習(xí)參考書。

　　2002年初，我剛開始龍芯處理器的研制沒多久，中科院計(jì)算技術(shù)研究所負(fù)責(zé)研究生教育的徐志偉老師就找我說有沒有可能在計(jì)算技術(shù)研究所開設(shè)一門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的“大課程”。他進(jìn)一步解釋說，在國外很好的學(xué)校經(jīng)常有這樣的課程，讓學(xué)生每天都忙得“死去活來”，熬夜到凌晨兩三點(diǎn)才能完成作業(yè)，但從中還“真正能學(xué)到東西”。我便欣然應(yīng)允。

　　我從2002年秋季開始給計(jì)算技術(shù)研究所博士生開設(shè)“處理器設(shè)計(jì)”課程，講課后才知道給學(xué)生上課比做研究難。一方面是因?yàn)槭谡n比做研究在內(nèi)容上要求更加全面系統(tǒng)，尤其是講體系結(jié)構(gòu)課程，除了體系結(jié)構(gòu)本身外，還需要對操作系統(tǒng)、編譯器原理、晶體管原理和基本工藝流程等相關(guān)領(lǐng)域的知識融會貫通；另一方面做研究時很多內(nèi)容只要宏觀了解就可以了，但授課就必須對其搞清楚，不清楚就不敢講或者講起來不生動。例如，在龍芯處理器設(shè)計(jì)時我安排了專門的人負(fù)責(zé)浮點(diǎn)模塊，因?yàn)樽约簩τ贗EEE的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)只是大致了解，但要給學(xué)生講自己就得搞清楚；又如，在講TLB時，就得搞清楚操作系統(tǒng)的存儲管理，否則越講學(xué)生就越糊涂�；谏鲜鲈�，這門課程幾乎花掉了我前3年的所有業(yè)余時間，每一講都至少需要花一周的時間做準(zhǔn)備，而且每一年都要對講義做大幅度調(diào)整，成為一個沉重的負(fù)擔(dān)。經(jīng)過3年的積累，課程的章節(jié)框架才基本定型。

　　在此基礎(chǔ)上，2005年開始在中國科學(xué)院研究生院同時針對碩士和博士講授“高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程。碩士和博士課程的主要區(qū)別在于作業(yè)和考試內(nèi)容不同。由于要針對碩士講授，因此在基礎(chǔ)性方面又做了補(bǔ)充和加強(qiáng)，并根據(jù)授課的實(shí)際需要每年再對各章的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和完善。到2008年，準(zhǔn)備根據(jù)講課的內(nèi)容出版一部教材，因此對2008年的講授進(jìn)行了錄音整理。為了增加教材的可讀性和趣味性，在整理教材時保持了第一人稱的形式，同時盡量做到句子及內(nèi)容的簡潔和嚴(yán)謹(jǐn)。

　　本教材具有如下幾個特點(diǎn)。

　　一是基礎(chǔ)性，在快速變化的體系結(jié)構(gòu)學(xué)科中總結(jié)出其中不變的原理性東西。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展得很快，不斷有新的內(nèi)容出現(xiàn)，但幾十年來積淀下來的東西并不多。關(guān)鍵是要發(fā)現(xiàn)快速變化中不變的原理性的東西，如果掌握了這些原理，就能以不變應(yīng)萬變。因此，在教材編寫時“不趕時髦”且“不跟風(fēng)”，把計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在幾十年的發(fā)展過程中形成的里程碑的工作講透，重點(diǎn)介紹具體結(jié)構(gòu)背后的原理和思路。

　　二是系統(tǒng)性，做到對體系結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)軟件、電路和器件的融會貫通。根據(jù)我自己從事處理器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，一個體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者就像一個帶兵打仗的將領(lǐng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是“排兵布陣”。更重要的是要“上知天文，下知地理”。所謂“上知天文”，指的是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要充分地了解與處理器聯(lián)系緊密的操作系統(tǒng)、編譯器以及應(yīng)用程序的原理和行為；所謂“下知地理”，指的是在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要充分考慮到所設(shè)計(jì)的模塊和功能部件的電路和版圖結(jié)構(gòu)。要做到一以貫之。例如在打字時，要很清楚地知道從按鍵盤到屏幕上出現(xiàn)一個字的過程中應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、硬件、芯片、晶體管等的完整的交互行為。

　　三是實(shí)踐性，做“在硅上工作（work on silicon）”的設(shè)計(jì)。在龍芯處理器的研發(fā)中深刻感覺到，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。因此，在本教材的內(nèi)容中充分結(jié)合了龍芯處理器研發(fā)過程中獲得的體驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)要做work on silicon的設(shè)計(jì)，而不要停留在work on paper的設(shè)計(jì)上。本教材的最后一章“實(shí)踐是最好的課堂”，通過龍芯研制過程中發(fā)生的10個故事來進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐的重要性。此外，在教材的習(xí)題部分安排了不少需要學(xué)生動手實(shí)踐的內(nèi)容。這些習(xí)題是對內(nèi)容的延伸，需要學(xué)生在領(lǐng)會教材內(nèi)容的精神之后進(jìn)行發(fā)揮。

　　由于體系結(jié)構(gòu)這門學(xué)科發(fā)展迅速，涉及面廣，因此本教材中難免有不當(dāng)和疏漏之處，敬請批評指正。同時我也意識到，以活潑生動的形式編寫教材是一種大膽的嘗試，需要面臨很多挑戰(zhàn)。因此，非常歡迎使用本教材的教師和學(xué)生對本教材提出寶貴意見。

　　胡偉武2017年暑期前言計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（第2版）

　　第5章靜態(tài)流水線前4章分別介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、二進(jìn)制和邏輯電路以及指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。有了這些基礎(chǔ)，這一章以一個簡單的CPU為例介紹CPU的流水線設(shè)計(jì)，后面2章再介紹比較復(fù)雜的流水線和多發(fā)射結(jié)構(gòu)。
　　我們從MIPS指令集揀選部分代表性的指令作為簡單CPU需要實(shí)現(xiàn)的指令集，其中指令及其編碼列舉在表5.1中，指令的具體含義及指令集的其他定義請參看本書的第4章。
　　表5.1簡單CPU指令和指令編碼t第5章靜態(tài)流水線計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（第2版）5.1數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)基于指令系統(tǒng)的定義，先設(shè)計(jì)這個簡單CPU的數(shù)據(jù)通路，其主要模塊包括一個指令存儲器、一個數(shù)據(jù)存儲器、一個通用寄存器堆、一個指令寄存器（IR）和一個程序計(jì)數(shù)器（PC），如圖5.1所示。
　　圖5.1主要數(shù)據(jù)通路CPU工作時，首先用PC作為地址去指令存儲器中取指令。PC的值是怎么來的呢？有兩種情況，第一種是執(zhí)行完一條指令順序執(zhí)行時，下一條指令的PC（Next PC，NPC）的值是PC+4，因?yàn)橹噶钫?個字節(jié)；第二種是執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時NPC值是延遲槽PC+offset。因?yàn)檠舆t槽指令總是需要執(zhí)行的，所以當(dāng)前指令是跳轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移指令時并不能立即修改PC為跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，只能是延遲槽指令在CPU里時才能修改。這樣，生成NPC的部分有一個2選1邏輯根據(jù)轉(zhuǎn)移指令跳轉(zhuǎn)是否成功來選擇offset值和4，選擇之后再由一個加法器跟PC的值相加，并送到PC中。然后，根據(jù)這個PC的值到指令存儲器取指，指令取出來以后放到指令寄存器IR中。IR中的指令包含操作碼（op）和功能碼（func），目標(biāo)寄存器號（rd），兩個源寄存器號（rs、rt），還有立即數(shù)/偏移量（imm）,其中立即數(shù)/偏移量有16位，與rd和func域有部分重疊。
　　通用寄存器堆、運(yùn)算部件和存儲器的通路由IR中的域統(tǒng)一控制。通用寄存器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，其讀地址RA1通過控制一個32選1邏輯從32組寄存器中選出一組將其值輸出至RD1，同樣的RA2控制另一個32選1邏輯從32組寄存器中選出另一組將其值輸出至RD2；當(dāng)發(fā)生寫操作時，寫地址WA1通過譯碼器得到各組的選擇信號再與上全局寫使能WE1形成每一組寄存器的寫使能，用來控制將寫入數(shù)據(jù)WD1寫入到相應(yīng)的寄存器組中。IR的rs域連接到通用寄存器堆的讀端口1的地址輸入，從中選出一個將其值送到ALU的其中一端；IR的rt域連接到通用寄存器堆的讀端口2的地址輸入，從中也選出一個值來，并和符號擴(kuò)展后的立即數(shù)/偏移量2選1后送到ALU的另外一端。這是因?yàn)锳DDIU、LW和SW指令不用寄存器讀出的值作為第二個源操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，而是用指令中的立即數(shù)/偏移量進(jìn)行運(yùn)算。轉(zhuǎn)移指令也用到立即數(shù)/偏移量，但僅在計(jì)算NPC時使用，這里我們使用獨(dú)立的加法器進(jìn)行NPC的計(jì)算。ALU完成計(jì)算操作之后要把算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算的結(jié)果寫回到通用寄存器堆里去，具體寫回到哪個寄存器由指令中的rd或rt域來控制，目標(biāo)連接到通用寄存器堆的寫端口1的地址輸入，進(jìn)而選中一個寄存器并打開其寫使能。對于LW指令來說，其目標(biāo)寄存器號來自于指令的rt域而非其他指令的rd域，所以需要通過一個2選1邏輯選擇出目標(biāo)寄存器號。訪存指令LW和SW把ALU的運(yùn)算結(jié)果作為訪存地址。LW從數(shù)據(jù)存儲器中把值取出，然后寫回到目標(biāo)寄存器去，所以寫入通用寄存器堆的數(shù)據(jù)也需要通過一個2選1邏輯從ALU運(yùn)算結(jié)果和數(shù)據(jù)存儲器讀出結(jié)果之間選擇。SW將寄存器堆中讀出的值寫入到數(shù)據(jù)存儲器中。
　　圖5.2寄存器堆電路結(jié)構(gòu)上述描述實(shí)現(xiàn)了這個CPU中的主要數(shù)據(jù)通路，并涵蓋了指令系統(tǒng)中定義的所有指令，但沒有描述這個通路的控制邏輯部分。下面我們一步一步地往里加?xùn)|西。
　　5.2控制邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CPU的數(shù)據(jù)通路之后，下面先添加CPU的控制邏輯�？刂七壿嫺鶕�(jù)指令的要求控制數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路中流動。
　　從上述數(shù)據(jù)通路可以看出，為了讓數(shù)據(jù)根據(jù)指令的要求在數(shù)據(jù)通路中正確地流動，需要對以下通路進(jìn)行控制：計(jì)算PC的加法器是否需要看轉(zhuǎn)移跳轉(zhuǎn)情況決定是加4還是加offset（C1）；是選擇寄存器的值還是選擇立即數(shù)作為ALU的第二個源操作數(shù)（C2）；ALU做什么運(yùn)算(ALUOp)；運(yùn)算結(jié)果是把ALU的運(yùn)算結(jié)果寫回，還是把從數(shù)據(jù)存儲器讀出來的結(jié)果寫回（C3）；目的寄存器號是來自指令的rd域還是rt域（C4）；什么情況下使能通用寄存器堆的寫使能（C5），因?yàn)橛幸恍┲噶钍遣粚懠拇嫫鞯模鏢W指令和轉(zhuǎn)移指令；什么情況下使能數(shù)據(jù)存儲的寫使能（C6）。
　　根據(jù)指令的功能和數(shù)據(jù)通路的情況，表5.2給出了CPU中控制邏輯的真值表，其中X表示是0或1無所謂。
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