推　薦　序
計算機體系結構（Computer Architecture）也稱為計算機系統(tǒng)結構，是計算機科學與技術一級學科下重要的二級學科。計算機體系結構是研究怎么造計算機而不是怎么用計算機的學科。我國學者在如何用計算機的某些領域的研究已走到世界前列，例如近很紅火的機器學習領域，中國學者發(fā)表的論文數(shù)和引用數(shù)都已超過美國，位居世界。但在如何造計算機的領域，參與研究的科研人員較少，科研水平與國際上還有較大差距。2016年國家自然科學基金會計算機學科的面上項目共有4863項申請，但申報計算機體系結構（F0203）方向的項目只有22項，占總申報項目的0.45%，而申報計算機圖像與視頻處理方向的項目有439項。　
做計算機體系結構方向研究的科研人員較少與大學及研究生的課程教育直接相關。計算機體系結構是工程性很強的學科，而我國的大學老師大多沒有機會實際參與設計CPU和操作系統(tǒng)，對計算機的軟硬件工作過程不能融會貫通，教學時只能照本宣科，學生只學到一些似懂非懂的名詞概念，難以培養(yǎng)造計算機的興趣。目前全國許多高校使用從國外翻譯的體系結構教材，John L.Hennessy和David A.Patterson合著的《計算機體系結構：量化研究方法》已經不斷改版至第5版，被認為是計算機體系結構的經典教材，但此書有近千頁之厚，本科生未必都能接受。國內也出版了不少體系結構（系統(tǒng)結構）方面的教材，但多數(shù)兼顧了研究生和參考書的需求。因此，迫切需要一本為本科生量身定制的計算機體系結構精品教材。
擺在讀者面前的這本《計算機體系結構基礎》就是為滿足本科教育而編著的精品教材。過去出版的體系結構教材大多是眼睛向上編寫的，作者既考慮了做本科教材的需求，又考慮了參考書的需求，為了體現(xiàn)參考書的技術前瞻性，往往會包含一些未經受考驗的新技術。而本書是作者在2011年已經出版的碩士生教材《計算機體系結構》的基礎上，眼睛向下編著的本科生教材，多年的研究生授課經歷使作者十分明確本科生應學習哪些體系結構的基礎知識。凡寫進這本教科書的內容都是本科生應該掌握的知識，不會為追求時髦而增加額外的內容。
與過去出版的計算機體系結構教科書相比，本書有以下幾個特點：
個特點是特別重視知識的基礎性。計算機發(fā)明至今已經70余年，曾經用來造計算機的技術多如牛毛，計算機期刊與會議上發(fā)表的文章數(shù)以萬計，但是許多技術如過往煙云，已經被丟進歷史的垃圾堆。我在美國讀博士時，一位很有權威的教授講了一個學期計算機體系結構課，基本上都是講并行計算機的互連（Interconnection）結構，如蝶形（Butterfly）互連、超立方體（Hypercube）互連、胖樹（Fat Tree）互連等，現(xiàn)在這些內容已不是計算機界普遍關心的問題。20世紀90年代，計算機體系結構國際會議（ISCA）幾乎成了專門討論緩存（Cache）技術的會議，但沒有幾篇文章提出真正可用的緩存技術，以至于計算機界的權威John L.Hennessy教授1997年說出這樣的話：把1990年以來計算機系統(tǒng)結構方面所有的論文都燒掉，對計算機系統(tǒng)結構沒有任何損失。本書作者在自序中寫道：計算機體系結構千變萬化，但幾十年發(fā)展沉淀下來的原理性的東西不多，希望從體系結構快速發(fā)展的很多現(xiàn)象中找出一些內在的、本質的東西。在《實踐論》中歸納總結了十六個字：去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及里。本書作者遵循這十六個字的精神，對幾十年的計算機體系結構技術做了認真的鑒別、選擇和對比、分析，寫進教科書的內容是經得起歷史考驗的基礎知識。
第二個特點是強調一以貫之的系統(tǒng)性。計算機系統(tǒng)結構的關鍵詞是系統(tǒng)而不是結構，國外做計算機系統(tǒng)結構研究的學者介紹自己時往往是說：我是做系統(tǒng)（System）研究的。計算機專業(yè)的學生應具有系統(tǒng)層面的理解能力，能站在系統(tǒng)的高度解決應用問題。對計算機系統(tǒng)是否有全面深入的了解是區(qū)別計算機專業(yè)人才和非專業(yè)人才的重要標志。長期以來我們采用解剖學的思路進行計算機教學，按照硬件、軟件、應用等分類橫切成幾門相對獨立的課程，使得計算機系畢業(yè)的學生對整個計算機系統(tǒng)缺乏完整的理解。如果問已經學完全部計算機課程的學生，在鍵盤上敲一個空格鍵到屏幕上的PPT翻一頁，在這一瞬間計算機中哪些硬件和軟件在運轉，如何運轉，可能絕大多數(shù)學生都講不清楚。本書有若干章節(jié)專門講述計算機的軟硬件協(xié)同、計算機系統(tǒng)的啟動過程等，著力培養(yǎng)學生的全局思維能力。為了使學生一開始就對計算機有全局的框架性認識，此教材的第1章對全書內容做了盡可能通俗易懂的描述，這是追求系統(tǒng)性教學的刻意安排。本書作者強調：一個計算機體系結構設計人員就像一個帶兵打仗的將領，要學會排兵布陣。要上知天文、下知地理，否則就不會排兵布陣，或者只會紙上談兵地排兵布陣，只能貽誤軍國大事。這里講的天文是指應用程序、編譯程序和操作系統(tǒng)，地理是指邏輯、電路和工藝。只有上下貫通，才能真正掌握計算機體系結構。
第三個特點是強調能在硅上實現(xiàn)的實踐性。由于CMOS電路集成度的指數(shù)性提高，一塊CPU芯片已可以集成幾十億晶體管。計算機體系結構的許多知識現(xiàn)在都體現(xiàn)在CPU中，因此從某種意義上講，不懂CPU設計就不能真正明白計算機體系結構的奧妙。CPU的結構通常稱為微體系結構，主要在碩士課程中講授，但本科生的體系結構課程也應學習在硅上能實現(xiàn)的技術。陸游詩云：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。只會P2P的學習（從Paper到Paper的學習）往往學不到真本事，只有后能躬行到硅上的知識才是過硬的知識。本書作者有十幾年從事CPU設計的經驗，能正確區(qū)分哪些是紙上談兵的知識，哪些是能落實到硅上的知識，這是他們獨特的優(yōu)勢。在中國科學院大學的本科教學中，計算機體系結構課程還輔以高強度的實驗課，實踐證明這對學生真正理解課堂學到的知識大有好處。
本書內容選材還需要經過課堂教學的長期檢驗，需要不斷聽取學生的反饋意見和同行的批評建議，希望經過幾年的完善修改，本書能真正成為受到眾多大學普遍歡迎的精品教材。

FOREWORD
第3版自序
在中國科學院大學講授計算機體系結構基礎課程五年以來，發(fā)現(xiàn)了《計算機體系結構基礎》教材不少值得改進的地方。除了修訂第2版的一些錯誤，這次第3版的主要改進內容包括以下三個方面。
一是加強計算機軟硬件協(xié)同方面的內容。如第4章中對應用程序二進制接口（Application Binary Interface，簡稱ABI）的描述更加清楚，增加了操作系統(tǒng)中關于用戶程序地址空間分布的內容，并介紹了函數(shù)調用、例外處理、系統(tǒng)調用、線程切換、進程切換和虛擬機切換等六種場景的現(xiàn)場保留和恢復過程，希望讀者可以通過上述過程更深入地了解計算機系統(tǒng)軟硬件的配合。又如第7章在介紹計算機系統(tǒng)啟動過程時把串口作為一只麻雀進行解剖，希望讀者可以借此了解CPU對IO設備的訪問與對內存的訪問的不同。這樣的地方還有不少。
二是對部分內容進行調整以使之更完整和適用。如第3章的特權指令系統(tǒng)部分，從例外、中斷、存儲管理等方面更詳細地分析了操作系統(tǒng)內核專用的特權指令系統(tǒng)的內容。第12章的性能分析部分，在詳細介紹Perf性能分析工具的基礎上去掉了對Oprofile性能分析工具的介紹，適當縮減了性能測試與分析的具體案例內容，突出基準程序性能測試、Perf微結構數(shù)據(jù)統(tǒng)計和微測試程序（Microbench）等不同角度的方法與工具在性能分析工作中的應用。
三是在指令系統(tǒng)舉例時使用LoongArch指令系統(tǒng)而不是MIPS指令系統(tǒng)。LoongArch是由龍芯團隊在2020年推出的新型RISC指令系統(tǒng)。該指令系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)指令系統(tǒng)中部分不適應當前軟硬件設計技術發(fā)展趨勢的陳舊內容，吸納了近年來指令系統(tǒng)設計領域諸多先進的技術發(fā)展成果，有助于硬件實現(xiàn)高性能低功耗的設計，也有利于軟件的編譯優(yōu)化以及操作系統(tǒng)、虛擬機的開發(fā)。
一門課程的成熟往往需要十年時間。上述根據(jù)五年的教學經驗進行的修改肯定還不夠，需要在未來的教學工作中繼續(xù)進行改進。

胡偉武
2021年6月29日

FOREWORD
第2版自序
計算機專業(yè)有幾門當家的核心課程是關于如何造計算機的，硬件方面以計算機組成原理和計算機體系結構為主，軟件方面以操作系統(tǒng)和編譯原理為主。其他如離散數(shù)學、編程語言、數(shù)據(jù)結構、數(shù)字邏輯等計算機專業(yè)的學科基礎課也很重要，除了計算機專業(yè)，其他使用計算機的專業(yè)如自動化專業(yè)、電子專業(yè)也在學。
我從2001年就開始從事龍芯處理器的研發(fā)，并從2005年起在中國科學院大學教授計算機體系結構課程，其間接觸了很多從各高校計算機專業(yè)畢業(yè)的學生，發(fā)現(xiàn)他們在大學時主要練就了諸如編程等怎么用計算機的本領，對操作系統(tǒng)和體系結構這種如何造計算機的課程，或者沒有系統(tǒng)學習，或者只學到一些概念。比如對于從打開電源到計算機啟動再到登錄界面或者從按一下空格鍵到翻一頁PPT這樣的過程，如果問及計算機系統(tǒng)內部包括CPU、南北橋、GPU在內的硬件以及包括操作系統(tǒng)和應用程序在內的軟件是如何協(xié)同工作的，計算機專業(yè)畢業(yè)的學生幾乎沒有人說得明白。
我1986年到中國科學技術大學計算機系學習的時候，教授我計算機體系結構課程的老師都是親自造過計算機的，他們能夠講明白計算機軟硬件工作的原理性過程。改革開放以來，我國主要使用國外的CPU和操作系統(tǒng)攢計算機，學術界也幾乎不從事CPU和操作系統(tǒng)這種核心技術的研究工作，全國兩千多個計算機專業(yè)主要使用國外教材或者翻譯的國外教材教授學生如何造計算機。由于計算機體系結構和操作系統(tǒng)都是工程性很強的學科，而任課老師卻沒有機會參與設計CPU和操作系統(tǒng)，因此教學生的時候難免照本宣科，使學生只學到一些概念，難以對計算機的軟硬件工作過程融會貫通。
發(fā)展以CPU和操作系統(tǒng)為代表的自主基礎軟硬件，是國家的戰(zhàn)略需求，而人才培養(yǎng)是滿足該戰(zhàn)略需求的必要條件。因此，自2005年開始，我便結合龍芯CPU的實踐在中國科學院研究生院開設計算機體系結構課程，并于2011年依托清華大學出版社出版了《計算機體系結構》教材。2014年，中國科學院大學設立并開始招收本科生，要求我也給本科生講授計算機體系結構課程。剛開始覺得難度很大，因為計算機體系結構非常復雜，給研究生講清楚都不容易，給本科生講清楚就更難。
經過反復思考，我覺得可以利用這個機會，建設包括本科生、碩士生、博士生在內的計算機體系結構課程體系，由淺入深地培養(yǎng)造計算機的人才。為此，我們計劃編寫一套分別面向本科生、碩士生、博士生的計算機體系結構課程教材。
面向本科生的教材為《計算機體系結構基礎》。主要內容包括：作為軟硬件界面的指令系統(tǒng)結構，包含CPU、GPU、南北橋協(xié)同的計算機硬件結構，CPU的微結構，并行處理結構，計算機性能分析等。上述面面俱到的課程安排主要是考慮到體系結構學科的完整性，但重點是軟硬件界面及計算機硬件結構，微結構則是碩士課程的主要內容。
面向碩士生的教材為《計算機體系結構》。主要介紹CPU的微結構，包括指令系統(tǒng)結構、二進制和邏輯電路、靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、多發(fā)射流水線、運算部件、轉移猜測、高速緩存、TLB、多核對流水線的影響等內容。
面向博士生的教材為《高級計算機體系結構》。中科院計算所的高級計算機體系結構課程是博士生精品課程的一部分，主要強調實踐性，使學生通過設計真實的（而不是簡化的）CPU，運行真實的（而不是簡化的）操作系統(tǒng)，對結構設計、物理設計、操作系統(tǒng)軟件做到融會貫通。
在此基礎上，還將推出計算機體系結構實驗平臺和實驗教材。
這套教材的編寫突出以下特點：一是系統(tǒng)性，體系是系統(tǒng)的系統(tǒng)，很難脫離軟硬件環(huán)境純粹就體系結構本身講解計算機體系結構，需要對體系結構、基礎軟件、電路和器件融會貫通；二是基礎性，計算機體系結構千變萬化，但幾十年發(fā)展沉淀下來的原理性的東西不多，希望從體系結構快速發(fā)展的很多現(xiàn)象中找出一些內在的、本質的東西；三是實踐性，計算機體系結構是實踐性很強的學科，要設計在硅上運行而不是在紙上運行的體系結構。

胡偉武

PREFACE
前　　言
計算機體系結構是一門比較抽象的學科，很有可能經過一個學期的學習只學到一些概念。本課程教學希望達到三個目的。一是建立學生的系統(tǒng)觀。計算機系統(tǒng)的復雜性體現(xiàn)在計算機中各部分之間的關系非常復雜。如蘋果iPhone的CPU性能不如Intel的X86 CPU，但用戶體驗明顯好于桌面計算機，這就是系統(tǒng)優(yōu)化的結果。希望學生學完這門課程后能夠從系統(tǒng)的角度看待計算機，不再簡單地以主頻論性能，或者簡單地把用戶體驗歸結于CPU的單項性能。二是掌握計算機體系結構的若干概念。計算機體系結構中的概念很多，雖然抽象，但是必須掌握。比如計算機體系結構的四大設計原則，指令系統(tǒng)結構，處理器流水線，等等。三是掌握一些重點知識并具備一些重點能力。主要包括：計算機的ABI接口，存儲管理中的虛實地址轉換過程，通過IO地址空間掃描進行IO設備初始化，計算機系統(tǒng)的啟動過程，重要總線如AXI總線、內存總線、PCIE總線的信號及其時序，用Verilog編寫RTL代碼的能力，先行進位加法器的邏輯，兩位一乘補碼乘法器邏輯，用Perf進行性能分析的能力，等等。
本書部分為引言，介紹體系結構研究內容、主要性能指標、發(fā)展趨勢以及設計原則。計算機體系結構（Computer Architecture）是描述計算機各組成部分及其相互關系的一組規(guī)則和方法，是程序員所看到的計算機屬性。計算機體系結構的主要研究內容包括指令系統(tǒng)結構（Instruction Set Architecture，簡稱ISA）和計算機組織結構（Computer Organization）。微體系結構（Micro-architecture）是微處理器的組織結構，并行體系結構是并行計算機的組織結構。馮·諾依曼結構的存儲程序和指令驅動執(zhí)行原理是現(xiàn)代計算機體系結構的基礎。
本書第二部分介紹以指令系統(tǒng)結構為核心的軟硬件界面，包括指令系統(tǒng)總體介紹、指令集結構、異常與中斷、存儲管理、軟硬件協(xié)同等內容。貫穿該部分內容的一個核心思想是建立高級語言（如C語言）與指令系統(tǒng)結構的關系。例如，C語言的語句與指令系統(tǒng)的關系，算術語句可直接映射為相關運算指令，for循環(huán)映射為條件跳轉，switch語句映射為跳轉索引和跳轉表等；操作系統(tǒng)中地址空間的組織與指令訪問內存的關系，靜態(tài)全局變量映射到地址空間的靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，局部變量映射到堆棧區(qū)，動態(tài)分配的數(shù)據(jù)則映射到進程空間的堆中；操作系統(tǒng)中進程和線程的表示及切換在指令和地址映射方面的具體體現(xiàn)；敲擊鍵盤和移動鼠標等事件如何通過指令系統(tǒng)的外部中斷傳遞到CPU，以及指令系統(tǒng)對操作系統(tǒng)處理外部中斷的必要支持；等等。
本書第三部分介紹計算機硬件結構。該部分的核心思想是搞清楚計算機內部，包括CPU、GPU、內存、IO之間是如何協(xié)同完成軟件規(guī)定的各種操作的。例如，在計算機開機過程中，BIOS完成硬件初始化后把操作系統(tǒng)從硬盤拷貝到內存執(zhí)行的過程中南北橋與CPU是如何配合的；CPU和GPU是如何協(xié)同操作完成計算機屏幕顯示的，在顯示過程中哪些活是CPU干的，哪些活是GPU干的；以太網接口、USB接口等各種接口的驅動在硬件上的具體體現(xiàn)是什么；等等。
本書第四部分介紹微結構。該部分的核心思想是建立指令系統(tǒng)和晶體管之間的橋梁。微結構是決定CPU性能的關鍵因素。由于微結構是計算機體系結構碩士課程的主要內容，因此本科課程的微結構內容在追求系統(tǒng)地介紹有關概念的基礎上，重點把先行進位加法器和五級靜態(tài)流水線講透，希望學生通過對先行進位加法器、五級靜態(tài)流水線、簡單轉移猜測和高速緩存原理的深入了解，舉一反三地了解微結構的實現(xiàn)方式。微結構中動態(tài)流水線、亂序執(zhí)行和多發(fā)射等內容只做概念性的介紹。
本書第五部分介紹并行處理結構。應用程序的并行行為是并行處理的基礎，現(xiàn)代計算機通過多層次的并行性開發(fā)來提高性能。并行處理編程模型包括消息傳遞模型（如MPI）和共享存儲模型（如OpenMP）等。多核處理器的設計需要考慮存儲一致性模型、高速緩存一致性協(xié)議、片上互連、多核同步等核心問題。
本書第六部分介紹計算機的性能分析方法。性能不是由一兩個具體指標（如主頻）決定的，而是若干因素綜合平衡的結果；性能評測也沒有合理公平的辦法，不同的計算機對不同的應用適應性不一樣，對某類應用甲計算機比乙計算機性能高，對另外一類應用可能反之。巨大的設計空間和工作負載的多樣性，導致計算機系統(tǒng)的性能分析和評價成為一個非常艱巨的任務。計算機性能分析的主要方法包括理論建模，用模擬器進行性能模擬，以及對實際系統(tǒng)進行性能評測等。
上述面面俱到的課程安排主要是考慮體系結構學科的完整性，但本科課程重點是軟硬件界面及計算機硬件結構。對于一般高校，并行處理結構和計算機系統(tǒng)性能分析可以不講。
在選修本課程前，學生應對C語言程序設計、數(shù)字邏輯電路有一定的基礎。本課程試圖說明一個完整的計算系統(tǒng)的工作原理，其中涉及部分操作系統(tǒng)的知識。為了有更好的理解，學生還可以同時選修操作系統(tǒng)課程。課程中的實例和原理介紹以LoongArch體系結構為主。與傳統(tǒng)課程中講授的X86體系結構相比，LoongArch結構相對簡單明晰而又不失全面。學生可以通過配套的實驗課程，自底而上構建自己的計算機系統(tǒng)，包括硬件、操作系統(tǒng)以及應用軟件，從而對如何造計算機有更深刻的認識。