本書的目的
　　本書到現(xiàn)在已經(jīng)是第5個(gè)版本了，我們的目標(biāo)一直沒(méi)有改變，就是要闡述那些為未來(lái)技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)的基本原理。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的各種發(fā)展機(jī)遇總是讓我們激情澎湃，不曾有絲毫消退。我們?cè)诘?版中就作出過(guò)如下的論述：“這個(gè)學(xué)科不是令人昏昏欲睡、百無(wú)一用的紙版模型。絕對(duì)不是！這是一個(gè)受到人們熱切關(guān)注的學(xué)科，需要在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與成本·性能·能耗之間作好權(quán)衡，從事這個(gè)學(xué)科既可能導(dǎo)致可怕的失敗，也可能帶來(lái)顯赫的成功�！�
　　在編寫第1版時(shí)，我們的主要目的是希望改變?nèi)藗冊(cè)瓉?lái)學(xué)習(xí)和研究計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的方式。現(xiàn)今，我們感到這一目標(biāo)依然正確，依然重要。該領(lǐng)域日新月異，在對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)，必須采用真實(shí)計(jì)算機(jī)上的測(cè)量數(shù)據(jù)和真實(shí)示例，而不是去研究一大堆從來(lái)都不需要實(shí)現(xiàn)的定義和設(shè)計(jì)。我們不僅熱烈歡迎過(guò)去與我們結(jié)伴而行的老讀者，同樣也非常歡迎現(xiàn)在剛剛加入我們的新朋友。不管怎樣，我們都保證將采用同樣的量化方法對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分析。
　　和前幾版一樣，在編寫這個(gè)新版本時(shí)，我們力爭(zhēng)使其既適用于學(xué)習(xí)高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)課程的學(xué)生，也適用于專業(yè)的工程師和架構(gòu)師。與第1版類似，這個(gè)版本重點(diǎn)介紹新平臺(tái)（個(gè)人移動(dòng)設(shè)備和倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)）和新體系結(jié)構(gòu)（多核和GPU）。這一版還秉承了前幾版的做法，希望能夠通過(guò)強(qiáng)調(diào)成本、性能、能耗之間的平衡和優(yōu)秀的工程設(shè)計(jì)，揭去計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的神秘面紗。我們相信這一領(lǐng)域正在日趨成熟，發(fā)展成為一門具備嚴(yán)格量化基礎(chǔ)的經(jīng)典理工學(xué)科。
　　關(guān)于第5版
　　我們?cè)��?jīng)說(shuō)過(guò)，第4版可能因?yàn)檗D(zhuǎn)向討論多核芯片而成為自第1版以來(lái)的最重要版本。但我們收到了這樣的反饋意見：第4版已經(jīng)失去了第1版重點(diǎn)突出的優(yōu)點(diǎn)，它一視同仁地討論所有內(nèi)容，不分重點(diǎn)和場(chǎng)合。我們非常確信，第5版不會(huì)再有這樣的評(píng)價(jià)了。
　　我們相信，最令人激動(dòng)的地方在于計(jì)算規(guī)模的兩個(gè)極端：以移動(dòng)電話和平板電腦之類的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備（PMD）為客戶端，以提供云計(jì)算的倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)為服務(wù)器。（具有敏銳觀察力的讀者可能已經(jīng)看出本書封面上云計(jì)算的寓意。）盡管這兩個(gè)極端的規(guī)模大小不同，但它們?cè)诔杀�、性能和能效方面的共同主題給我們留下了深刻印象。因此，每一章的討論背景都是PMD和倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算，第6章是全新的一章，專門討論倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)。
　　本書的另一條主線是討論并行的所有不同形式。我們首先在第1章指出了兩種應(yīng)用級(jí)別的并行，一個(gè)是數(shù)據(jù)級(jí)并行（DLP），它的出現(xiàn)是因?yàn)橛性S多數(shù)據(jù)項(xiàng)允許同時(shí)對(duì)其進(jìn)行操作；另一個(gè)是任務(wù)級(jí)并行（TLP），它的出現(xiàn)是因?yàn)閯?chuàng)建了一些可以獨(dú)立執(zhí)行并在很大程度上并行的工作任務(wù)。隨后解釋4種開發(fā)DLP和TLP的體系結(jié)構(gòu)樣式，分別是：第3章介紹的指令級(jí)并行（ILP），第4章介紹的向量體系結(jié)構(gòu)和圖形處理器（GPU），這一章是第5版新增加的內(nèi)容；第5章介紹的線程級(jí)并行；第6章通過(guò)倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)介紹的需求級(jí)并行（RLP），這一章也是第5版中新增加的。本書中，我們將存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的內(nèi)容提前到第2章，并將存儲(chǔ)系統(tǒng)那一章改作附錄D。我們對(duì)第4章、第6章的內(nèi)容尤為感到自豪，第4章對(duì)GPU的解讀是目前最詳盡、最清晰的，第6章首次公布了Google倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)的最新細(xì)節(jié)。
　　與前幾版相同，本書前三個(gè)附錄提供了有關(guān)MIPS指令集系統(tǒng)、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)和流水線的基礎(chǔ)知識(shí)，如果讀者沒(méi)有讀過(guò)《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》之類的書籍，可用作參考。為了在降低成本的同時(shí)還能提供一些讀者感興趣的補(bǔ)充材料，我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上提供了另外9個(gè)附錄，網(wǎng)址為：http：//booksite.mkp.com/9780123838728。這些附錄的頁(yè)數(shù)之和比本書還要多呢！
　　這一版繼續(xù)發(fā)揚(yáng)“以真實(shí)示例演示概念”的傳統(tǒng)，并增加了全新的“融會(huì)貫通”部分。這一版中的“融會(huì)貫通”內(nèi)容包括以下各服務(wù)器的流水線組成與存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)：ARM Cortex A8處理器、Intel core i7處理器、NVIDIA GTX-280和GTX-480 GPU，還有Google倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)。
　　主題的選擇與組織
　　和以前一樣，我們?cè)谶x擇主題時(shí)采用了一種保守的方法，畢竟這個(gè)領(lǐng)域中值得討論的思想實(shí)在太多了，不可能在這樣一本主要討論基本原理的書中將其全部涵蓋在內(nèi)。我們沒(méi)有面面?zhèn)樀降胤治鲎x者可能遇到的所有體系結(jié)構(gòu)，而是將重點(diǎn)放在那些在任何新計(jì)算機(jī)中都可能涉及的核心概念上。根據(jù)一貫堅(jiān)持的選材標(biāo)準(zhǔn)，本書討論的思想都經(jīng)過(guò)深入研究并已被成功應(yīng)用，其內(nèi)容足以采用量化方法進(jìn)行討論。
　　我們一直重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容都是無(wú)法從其他來(lái)源獲取的同類資料，因此我們將繼續(xù)盡可能討論比較高級(jí)的內(nèi)容。事實(shí)上，本書介紹的有些系統(tǒng)，就無(wú)法在文獻(xiàn)中找到相關(guān)描述。如果讀者需要了解更為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)知識(shí)，可以閱讀《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)：硬件/軟件接口》（Computer Organization and Design： The Hardware/Software Interface）一書。
　　內(nèi)容概述
　　這一版對(duì)第1章進(jìn)行了補(bǔ)充，其中包括能耗、靜態(tài)功率、動(dòng)態(tài)功率、集成電路成本、可靠性和可用性的計(jì)算公式。（封二上也列出了這些公式。）在本書后續(xù)部分讀者能夠一直應(yīng)用這些公式。除了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與性能測(cè)量方面的經(jīng)典量化原理之外，還對(duì)PIAT一節(jié)進(jìn)行了升級(jí)，采用了新的SPECPower基準(zhǔn)測(cè)試。
　　我們認(rèn)為，與1990年相比，指令集體系結(jié)構(gòu)扮演的角色有所弱化，所以我們把這一部分內(nèi)容作為了附錄A。它仍然采用MIPS64體系結(jié)構(gòu)。（為便于快速查看，封三匯總了MIPS ISA相關(guān)信息。）網(wǎng)站上的附錄K介紹了10種RISC體系結(jié)構(gòu)、80x86、DEC VAX和IBM 360/370，獻(xiàn)給ISA愛好者們。
　　隨后，我們?cè)诘?章開始討論存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)楹苋菀揍槍?duì)這些內(nèi)容應(yīng)用成本·性能·功耗原理，而且存儲(chǔ)器是其余各章的關(guān)鍵內(nèi)容。和上一版一樣，附錄B對(duì)緩存機(jī)制作了概述，以供讀者需要時(shí)查閱。第2章討論了對(duì)緩存的10種高級(jí)優(yōu)化方法。這一章還介紹了虛擬機(jī)，它便于提供保護(hù)、進(jìn)行軟硬件管理，而且在云計(jì)算中也扮演著重要角色。除了介紹SRAM和DRAM技術(shù)之外，這一章還包括了閃存的內(nèi)容。PIAT示例選擇了PMD中使用的ARM Cortex A8和服務(wù)器中使用的Intel Core i7。
　　第3章主要研究高性能處理器中的指令級(jí)并行開發(fā)，包括超標(biāo)量執(zhí)行、分支預(yù)測(cè)、推理、動(dòng)態(tài)調(diào)度和多線程。前面曾經(jīng)提到，附錄C是關(guān)于流水線的一個(gè)綜述，以備隨時(shí)查閱之用。第3章還研究了ILP的局限性。和第2章一樣，PIAT示例還是ARM Cortex A8和Intel Core i7。第3版包括大量有關(guān)Itanium和VLIW的材料，現(xiàn)在這些內(nèi)容放在網(wǎng)上的附錄H中，這表明了我們的觀點(diǎn)：這種體系結(jié)構(gòu)未能達(dá)到過(guò)去所宣稱的效果。
　　多媒體應(yīng)用程序（比如游戲和視頻處理）的重要性在提高，因此，開發(fā)數(shù)據(jù)級(jí)并行的體系結(jié)構(gòu)也變得更為重要。具體來(lái)說(shuō)，越來(lái)越多的人在關(guān)注利用圖形處理器（GPU）執(zhí)行的運(yùn)算，但很少有架構(gòu)師了解GPU到底是如何工作的。我們決定編寫新的一章，主要就是為了揭開這種新型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的奧秘。第4章開始介紹向量體系結(jié)構(gòu)，對(duì)多媒體SIMD指令集擴(kuò)展和GPU的解釋就是以此為基礎(chǔ)的。（網(wǎng)站上的附錄G深入地討論了向量體系結(jié)構(gòu)。）GPU一節(jié)是本書最難寫的部分，需要多次反復(fù)才能給出一個(gè)既精確又容易理解的描述。一個(gè)重大挑戰(zhàn)就是術(shù)語(yǔ)。我們決定使用我們自己的術(shù)語(yǔ)，然后給出這些術(shù)語(yǔ)與NVIDIA官方術(shù)語(yǔ)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這一章介紹了Roofline性能模型，然后用它來(lái)對(duì)比Intel Core i7、NVIDIA GTX 280和GTX 480 GPU。這一章還介紹了供PMD使用的Tegra 2 GPU。
　　第5章介紹多核處理器，探討了對(duì)稱、分布式存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，考查了組織原理和性能。接下來(lái)是有關(guān)同步和存儲(chǔ)器一致性模型的主題，所采用的示例是Intel Core i7。對(duì)片上互連網(wǎng)絡(luò)感興趣的讀者可以閱讀網(wǎng)站上的附錄F，對(duì)更大規(guī)模多處理器和科學(xué)應(yīng)用感興趣的讀者可以閱讀網(wǎng)站上的附錄I。
　　前面曾經(jīng)提到，第6章介紹了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的最新主題——倉(cāng)庫(kù)級(jí)計(jì)算機(jī)（Warehouse- Scale Computer，WCS）。依靠Amazon Web服務(wù)部門和Google工程師的幫助，本章整合了有關(guān)WSC設(shè)計(jì)、成本與性能的詳細(xì)資料，而以前了解這些內(nèi)容的架構(gòu)師寥寥無(wú)幾。在開始描述WSC的體系結(jié)構(gòu)和物理實(shí)現(xiàn)（及成本）之前，首先介紹了MapReduce編程模型。從成本的角度可以解釋為什么會(huì)有云計(jì)算，以及為何在云中使用WSC進(jìn)行計(jì)算的成本要低于在本地?cái)?shù)據(jù)中心的計(jì)算成本。PIAT實(shí)例是對(duì)Google WSC的描述，有些內(nèi)容是首次公開的。
　　接下來(lái)就是附錄A到附錄L。 附錄A介紹ISA的原理，包括MIPS64，附錄K介紹Alpha、MIPS、PowerPC和SPARC的64位版本及其多媒體擴(kuò)展。其中還包括一些經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)（80x86、VAX和IBM 360/370）和流行的嵌入指令集（ARM、Thumb、SuperH、MIPS16和Mitsubishi M32R）。附錄H與其相關(guān)，介紹了VLIW ISA的體系結(jié)構(gòu)和編譯器。
　　前面曾經(jīng)提到，附錄B和附錄C是緩存與流水線基本概念的教程。建議對(duì)緩存不夠熟悉的讀者在閱讀第2章之前先閱讀附錄B，新接觸流水線的讀者在閱讀第3章之前先閱讀附錄C。
　　附錄D“存儲(chǔ)系統(tǒng)”包括：進(jìn)一步討論可靠性和可用性，以RAID 6方案介紹為主體的RAID教程，非常珍貴的真實(shí)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)信息。接下來(lái)介紹了排隊(duì)理論和I/O性能基準(zhǔn)測(cè)試。我們?cè)u(píng)估了一個(gè)真實(shí)集群Internet Archive的成本、性能和可靠性。“融會(huì)貫通”部分以NetApp FAS6000文件管理程序?yàn)槔��?br />　　附錄E由Thomas M. Conte撰寫，匯總了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。
　　附錄F討論網(wǎng)絡(luò)互連，由Timothy M. Pinkston和José Duato進(jìn)行了修訂。附錄G最初由Krste Asanovi·撰寫，其中詳細(xì)介紹了向量處理器。就我們所知，這兩個(gè)附錄是其各自相關(guān)主題的最好材料。
　　附錄H詳細(xì)介紹了VLIW和EPIC，也就是Itanium采用的體系結(jié)構(gòu)。
　　附錄I詳細(xì)介紹了大規(guī)模共享存儲(chǔ)器多處理方面用到的并行處理應(yīng)用和一致性協(xié)議。附錄J由David Goldberg撰寫，詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)算法。
　　附錄L將第3版每一章中的“歷史回顧與參考文獻(xiàn)”部分集中在一起。對(duì)于各章介紹的思想，它盡量給予一個(gè)恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，并讓讀者了解這些創(chuàng)造性思想背后的歷史。我們希望以此來(lái)展現(xiàn)人類在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方面的戲劇性發(fā)展過(guò)程。這個(gè)附錄還提供了一些參考文獻(xiàn)，主修體系結(jié)構(gòu)的學(xué)生可能會(huì)非常喜歡它們。其中提到了本領(lǐng)域的一些經(jīng)典論文，如果時(shí)間允許，建議讀者閱讀這些論文。直接聽原創(chuàng)者講述他們的思想，在深受教育的同時(shí)，也是一種享受。而“歷史回顧”是以前版本中最受歡迎的章節(jié)之一。
　　內(nèi)容導(dǎo)讀
　　所有讀者都應(yīng)當(dāng)從第1章開始閱讀，除此之外并不存在什么唯一的最佳順序。如果你不想閱讀全部?jī)?nèi)容，可以參考下面這些順序。
　　· 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)：附錄B、第2章、附錄D。
　　· 指令級(jí)并行：附錄C、第3章、附錄H。
　　· 數(shù)據(jù)級(jí)并行：第4章、第6章、附錄G。
　　· 線程級(jí)并行：第5章、附錄F、附錄I。
　　· 請(qǐng)求級(jí)并行：第6章。
　　· ISA：附錄A、附錄K。
　　附錄E可以隨時(shí)閱讀，但在ISA和緩存序列之后閱讀，效果可能會(huì)更好一些。附錄J可以在涉及運(yùn)算時(shí)閱讀。附錄L的各部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)在讀完正文中相應(yīng)章節(jié)后閱讀。
　　章節(jié)安排
　　我們根據(jù)一種統(tǒng)一的框架安排內(nèi)容，使各章在結(jié)構(gòu)方面保持一致。首先會(huì)介紹一章的主題思想，然后是“交叉問(wèn)題”部分，說(shuō)明本章介紹的思想與其他各章有什么相互關(guān)系。接下來(lái)是“融會(huì)貫通”部分，通過(guò)展示如何在實(shí)際計(jì)算機(jī)中應(yīng)用這些思想，將它們串在一起。
　　再下面是“謬論與易犯錯(cuò)誤”，讓讀者從他人的錯(cuò)誤中汲取教訓(xùn)。我們將舉例說(shuō)明一些常見誤解與體系結(jié)構(gòu)陷阱，要避免犯錯(cuò)是非常困難的，哪怕你明明知道它們就在前面等著你�！爸囌撆c易犯錯(cuò)誤”部分是本書最受歡迎的內(nèi)容。每一章都以一個(gè)“結(jié)語(yǔ)”節(jié)結(jié)束。
　　案例研究與練習(xí)
　　每一章的最后都有案例研究和練習(xí)。這些案例研究由業(yè)內(nèi)和學(xué)術(shù)界的專家編撰而成，通過(guò)難度逐漸增大的練習(xí)來(lái)探討該章的關(guān)鍵概念，檢驗(yàn)讀者的理解程度。教師們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些案例研究都非常詳盡和完善，完全可以針對(duì)它們?cè)O(shè)計(jì)出一些練習(xí)。
　　每個(gè)練習(xí)中用尖括號(hào)括起的內(nèi)容（<章.節(jié)>）指明了做這道題應(yīng)該閱讀哪部分正文內(nèi)容。我們這樣做的目的，一方面是為了提供復(fù)習(xí)內(nèi)容，另一方面是希望幫助讀者避免在還沒(méi)有閱讀相應(yīng)正文的情況下去做一些練習(xí)。為了使讀者大致了解完成一道題需要多長(zhǎng)時(shí)間，我們?yōu)檫@些練習(xí)劃定了不同等級(jí)：
　　[10]  短于5分鐘（閱讀和理解時(shí)間）；
　　[15]  5~15分鐘給出完整答案；
　　[20]  15~20分鐘給出完整答案；
　　[25]  在1小時(shí)內(nèi)給出完整的書面答案；
　　[30]  小型編程項(xiàng)目：時(shí)間短于1整天；
　　[40]  大型編程項(xiàng)目：耗時(shí)2周；
　　[討論]  與他人一起討論的主題。
　　在textbooks.elsevier.com注冊(cè)的老師可以得到案例研究與習(xí)題的解答。
　　我們會(huì)定期補(bǔ)充新材料和網(wǎng)上其他可用資源的鏈接。
　　幫助改進(jìn)本書
　　如果你閱讀后面的“致謝”部分，將會(huì)看到我們已經(jīng)下了很大的功夫來(lái)糾正錯(cuò)誤。由于一本書會(huì)進(jìn)行多次印刷，所以我們有機(jī)會(huì)進(jìn)行更多的校訂。如果你發(fā)現(xiàn)了任何遺留錯(cuò)誤，請(qǐng)通過(guò)電子郵件聯(lián)系出版商。
　　結(jié)語(yǔ)
　　本書仍然是一本真正的合著作品，我們每人編寫的章節(jié)和附錄各占一半。如果沒(méi)有對(duì)方完成另一半工作，如果沒(méi)有對(duì)方在任務(wù)似乎無(wú)望完成時(shí)給予鼓勵(lì)，如果沒(méi)有對(duì)方點(diǎn)透某個(gè)難以表述的復(fù)雜概念，如果沒(méi)有對(duì)方花費(fèi)周末時(shí)間來(lái)審閱書稿，又如果沒(méi)有對(duì)方在自己因?yàn)槠渌�繁重職�?zé)而難以提筆時(shí)給予寬慰（從簡(jiǎn)歷可以看出，這些職責(zé)是隨著本書的版本號(hào)以指數(shù)形式增加的），我們無(wú)法想象這本書要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間才能完成。當(dāng)然，對(duì)于你將要讀到的內(nèi)容，其中若有不當(dāng)之處，我們也負(fù)有同等責(zé)任。
　　John Hennessy
　　David Patterson