计算机科学与技术学科前沿丛书 十一五”国家重点图书 计算机科学与技术学科研究生系列教材（中文版 计算机体系结构 （第2版） 胡伟武汪文祥吴瑞阳陈云雾 肖俊华章隆兵著 非外借 清华大学出版社 计算机科学与技术学科前沿丛书 十一五”国家重点图书 计算机科学与技术学科研究生系列教材（中文版） 计算机体系结构 （第2版） 胡伟武汪文祥吴瑞阳陈云雾肖俊华章隆兵著 师，仙在串能师面楼 10-1810品5靠品 清华大学出版社 北京 （文中）材婚系容形际 内容简介 这是一本强调从实践中学理念的计算机体系结构的教材。作者结合自身从事国产龙芯高性能通用处 理器研制的实践，以准确精练、生动活泼的语言，将计算机体系结构的知识深人浅出地传授给读者。 全书共13章，第1～4章从计算机体系结构的研究内容和发展趋势、二进制和逻辑电路、指令系统结 构等方面介绍计算机体系结构的基础内容。第5～7章从静态流水线、动态流水线、多发射数据通路等方 面介绍指令流水线结构。第8～11章从转移预测、功能部件、高速缓存、存储管理等方面介绍处理器的模 块级结构。第12章介绍多处理器结构。第13章主要介绍作者在龙芯处理器设计过程中的经验教训。 本书适合作为高等学校计算机专业的高年级本科生、研究生的教材，也可以作为相关工程技术人员的 学习参考书。 本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。 版权所有，侵权必究。侵权举报电话：010-62782989 13701121933 图书在版编目（CIP）数据 计算机体系结构/胡伟武等著．一2版．一北京：清华大学出版社，2017 （计算机科学与技术学科前沿丛书） （计算机科学与技术学科研究生系列教材（中文版）） ISBN978-7-302-48368-7 I.①计Ⅱ①胡Ⅲ.①计算机体系结构一研究生一教材VTP303 中国版本图书馆CIP数据核字（2017)第215761号 责任编辑：张瑞庆 封面设计：傅瑞学 责任校对：李建庄 责任印制：沈露 出版发行：清华大学出版社 网 址：http://www.tup.com.cn,http://www.wqbook.com 地 址：北京清华大学学研大厦A座 邮 编：100084 社总机：010-62770175 邮 购：010-62786544 投稿与读者服务：010-62776969，c-servicetup.tsinghua.edu.cn 质量反馈：010-62772015，[email protected] 课件下载：http：//www.tup.com.cn，010-62795954 印装者：北京鑫海金澳胶印有限公司 经 销：全国新华书店 开 本：185mmX260mm 印张：17.5 字 数：421千字 版 次：2011年6月第1版 2017年11月第2版 印 次：2017年11月第1次印刷 印 数：1~2000 定 价：39.00元 产品编号：069481-01 出大 序言 “计算机体系结构”是计算机科学技术学科中计算机专业的一门专业必修课程。该课程 的目标是培养计算机系统设计的专门人才，使其掌握计算机系统设计必须具备的专业知识， 以及具有系统设计、分析、集成和评价的能力。 本书紧紧围绕“计算机体系结构”课程目标进行组织，主要内容分为4个部分：①计算 机体系结构基础内容，包括计算机体系结构的研究内容和发展趋势、二进制和逻辑电路、指 令系统结构等；②指令流水线结构，包括静态指令流水线、动态指令流水线、多发射指令流 水线等；③处理器的模块级结构，包括转移猜测、运算部件、高速缓存、存储管理等；④多处 理器结构，包括多处理器结构分类、多处理器系统的访存模型、存储一致性协议、cache一致 性等。 本书的一大特色是由我国从事自主通用CPU设计的一线科研人员撰写，从一个CPU 设计者的角度出发，强调内容选择的基础性（要了解体系结构背后的原理和思路）、体系结构 设计者需要具备知识的系统性（要做到“上知天文，下知地理”）、体系结构设计的实践性（要 做workonsilicon的设计）。 本书作者胡伟武研究员是我国自主通用龙芯CPU的总设计师，他在中国科学技术大 学读本科时就研制开发了能够运行8086指令集的处理器，2002年曾研制出我国首款高性 能通用处理器龙芯1号，之后陆续研制出龙芯2号和龙芯3号处理器等，在处理器设计方面 具有丰富的理论知识和工程经验。 胡伟武研究员的人生目标之一就是为我国培养更多的掌握CPU设计技术的高端人 才，使我国在高端CPU方面不受制于人。为此，他坚持在繁忙的龙芯处理器研制工作之 余，在中国科学院研究生院讲授“计算机体系结构”课程，本书的出版将是他实现其人生目标 的开始，也将对我国计算机科学技术的学科建设以及高素质的人才培养起到积极的推动 作用。 陈国良 中国科学院院士 中国科学技术大学 序2 本书具有两个鲜明的特点：内容精练而实用，表述清楚而易懂。 作者花了很多心血反复筛选和提炼内容，讲授了二进制电路、指令系统、静态/动态流水线、 高速缓存、存储管理、多处理器等计算机体系结构的基础知识，这些基础性的知识是“计算机体系 结构”课程所必须讲授的基本内容。学生掌握了这些内容以及背后的原理，也就掌握了计算机体 系结构的基本知识，为今后的研究、设计、工程实现、应用等工作奠定了坚实的基础。 本书涵盖了从系统软件支持到集成电路工艺实现的基本知识。比如，学懂了本书内容 的学生，对存储管理而言，自已就能够从操作系统支持、体系结构设计到版图级工艺实现，理 出一条基本的脉络。 在学习过程中，精读本书的内容，加上与本书配套的课程作业和动手动脑实践，可能比 阅读几本翻译过来的穴长的国外教科书更有助于理解和掌握“计算机体系结构”的基本知 识。本书比国外教科书更适合作为一学期的“计算机体系结构”课程教材。 “计算机体系结构”是一门比较难的必修课，一个原因是该领域里的创新多而杂，使得很 多教科书变得穴长，尤其是国外原版书，往往有近于页的篇幅。本书的写作，从内容提炼、谋 篇布局、概念表达到语言风格，都花费了很多心血，以求在近三百页的篇幅中清楚地表述出 “计算机体系结构”的基本知识，使得全书内容可以在一学期之内讲完。 本书在布局上，特别强调循序渐进。例如，在讲述指令流水线这个计算机体系结构的核 心内容时，先讲静态流水线（高速路），后讲动态流水线（可超车），再讲多发射（多车道）。本 书中的概念和原理都有对应的具体的实例，避免了一些教科书中存在的概念和原理陈述空 洞的缺点。本书全篇使用了“授课型”语言，使得其内容更通俗易懂。 本书还是一本历经了十余年实践检验的教科书，凝聚了作者多年来研制龙芯处理器的 科研和工程实践经验以及多年在中科院研究生院授课的实践经验。 自1978年走进大学校门以来，我读过上百部《计算机体系结构》教科书。但读完这本 《计算机体系结构》，我体会到了本书写作风格的最大特点：它是以第二人称方式写成的。 以第一人称方式写出的计算机科学技术领域的教科书，我还是第一次看见。第一人称写作 方式缩短了作者与读者、教师与学生的距离，体现了作者的承诺。 中科院计算所正在与高校和出版社合作，以龙芯和LAMP等开放式平台为基础，构建 计算机体系结构二级学科的精品课程。《计算机体系结构》的出版，为这项战略性工作奠定 了一块基石，也为我国“计算机体系结构”的教学提供了一部高质量的、实用的教科书，对于 推动我国计算机科学技术学科的建设和加快高质量人才的培养计划，都具有现实意义。 徐志伟 中国科学院计算技术研究所 序2 本书具有两个鲜明的特点：内容精练而实用，表述清楚而易懂。 作者花了很多心血反复筛选和提炼内容，讲授了二进制电路、指令系统、静态/动态流水线、 高速缓存、存储管理、多处理器等计算机体系结构的基础知识，这些基础性的知识是“计算机体系 结构”课程所必须讲授的基本内容。学生掌握了这些内容以及背后的原理，也就掌握了计算机体 系结构的基本知识，为今后的研究、设计、工程实现、应用等工作奠定了坚实的基础。 本书涵盖了从系统软件支持到集成电路工艺实现的基本知识。比如，学懂了本书内容 的学生，对存储管理而言，自已就能够从操作系统支持、体系结构设计到版图级工艺实现，理 出一条基本的脉络。 在学习过程中，精读本书的内容，加上与本书配套的课程作业和动手动脑实践，可能比 阅读几本翻译过来的穴长的国外教科书更有助于理解和掌握“计算机体系结构”的基本知 识。本书比国外教科书更适合作为一学期的“计算机体系结构”课程教材。 “计算机体系结构”是一门比较难的必修课，一个原因是该领域里的创新多而杂，使得很 多教科书变得穴长，尤其是国外原版书，往往有近于页的篇幅。本书的写作，从内容提炼、谋 篇布局、概念表达到语言风格，都花费了很多心血，以求在近三百页的篇幅中清楚地表述出 “计算机体系结构”的基本知识，使得全书内容可以在一学期之内讲完。 本书在布局上，特别强调循序渐进。例如，在讲述指令流水线这个计算机体系结构的核 心内容时，先讲静态流水线（高速路），后讲动态流水线（可超车），再讲多发射（多车道）。本 书中的概念和原理都有对应的具体的实例，避免了一些教科书中存在的概念和原理陈述空 洞的缺点。本书全篇使用了“授课型”语言，使得其内容更通俗易懂。 本书还是一本历经了十余年实践检验的教科书，凝聚了作者多年来研制龙芯处理器的 科研和工程实践经验以及多年在中科院研究生院授课的实践经验。 自1978年走进大学校门以来，我读过上百部《计算机体系结构》教科书。但读完这本 《计算机体系结构》，我体会到了本书写作风格的最大特点：它是以第二人称方式写成的。 以第一人称