1.1 introduction
計算機技術的進步主要原因有兩個：設計和制造。設計主要是架構的演進，制造主要是工藝的進步。這兩個因素雖然都能保持計算機性能的進步，但是卻不盡相同。
微處理器的誕生，極大的促進了計算機的發展，架構的演進卻相對慢一些，后來又有兩方面的原因加快了架構演進的速度：1， 高級語言（之前是匯編語言）；2， 操作系統，如UNIX/Linux等的誕生。這兩種技術的產生，加快了新的架構在商業中的使用。再之后，RISC（精簡指令集）誕生了，它的優勢主要在兩個方面：1， 指令級並行（流水線和多指令發射）；2， cache。RISC的產生提高了性能，迫使之前的架構要么改善自己，要么消失。
隨着計算機的發展，微處理器技術的限制（晶體管尺寸等），多核處理器產生了，並從以前的ILP（instruction level parallelism）到DLP（data level parallelism），thread-level parallelism (TLP)，request-level parallelism (RLP）。其中，ILP是程序無法察覺的，由硬件隱式的去做；別的並行方式都需要程序自己去做，對程序員來說是一種負擔。
書中說了很多，但歸根結底，到現在位置，摩爾定律已經失效，提高芯片功耗比需要依賴特殊的架構（domain-specific architectures），而不是通用處理器。
1.2 計算機的分類
根據使用場景，需求，計算技術的不同，計算機分成了五類：
Internet of Things/Embedded Computers
Personal Mobile Device
Desktop Computing
Servers
Clusters/Warehouse-Scale Computers
並行化的分類以及並行架構
考慮到energy和cost，目前主要是兩種並行化的方向：
1. DLP 也就是數據級並行化
因為有很多數據可以並行化處理
2. TLP 也就是任務級並行化
因為有很多的任務可以並行化處理
而計算機硬件則可以可以利用程序的這兩種並行化提高性能，主要有四種方式：
1. 硬件的指令級並行化可以在兩個層面利用程序的DLP，一個是利用編譯器的幫助（比如pipeling），一個是利用硬件的推測執行（speculative execution）。
2. 向量架構，GPU，多媒體指令集可以利用DLP，讓一條指令作用於多個數據
3. TLP在幾組硬件的幫助下，可以利用DLP和task level的並行化，讓多個線程可以交互數據，從而提高性能
4. RLP可以在程序或者操作系統指定的很多task之間實現並行化。
根據多處理器中，最受約束組件中的指令流和數據流，將所有的計算機分為四類：
1. SISD 單指令流，單數據流
這種類別是單處理器，程序員把它看作是標准的順序計算機，但是它可以實現ILP。例子為超標量和推理執行。
2. SIMD 單指令流，多數據流
同一個指令由多個使用不同數據流的處理器執行。SIMD計算機實現數據級並行，對多個數據並行執行相同的操作，每個處理有自己的數據存儲器，但是只有一個指令存儲器，用來提取和派發指令。SIMD有三種：向量體系結構，標准指令集的多媒體擴展，以及GPU。
3. MISD 多指令流，單數據流
暫時沒有這種類型的商用多處理器。。。
4. MIMD 多指令流，多數據流
每個處理器提取自己的指令執行，對自己的數據操作，針對的是task level parallel。適用cluster以及WSCs，因為可以並行執行多個獨立任務，幾乎不需要通信和同步。
1.3 計算機體系結構的定義
計算機設計人員的任務：判斷哪些屬性對於新計算機而言是至關重要的，然后滿足成本，功耗和可用性約束條件。包括：指令集設計，功能組織，邏輯設計，實現方式；而實現方式可能包括集成電路設計，包裝，電池和冷卻等。因此設計人員要熟悉編譯器，操作系統以及邏輯設計與包裝等廣泛技術。
13.1 指令集體系結構
指令集體系結構（ISA），指代程序員可以看到的實際指令集，作用相當於區分軟件和硬件的界限。后面會以80x86，ARM以及RISC-V為例子，從7個方面介紹ISA。
1) ISA的分類
幾乎所有的ISA都是通用寄存器體系結構，操作數要么是寄存器，要么是存儲器地址。有兩個主流版本：80x86，register-memory ISA，在許多指令中都可以訪問存儲器；還有一種是RISC-V，是load-store ISA，只能通過load或者store指令來訪問存儲器，下圖是RISC-V的部分寄存器：
2） 存儲器尋址
幾乎所有桌面計算機和服務器使用字節尋址來訪問存儲器操作數。ARM要求操作對象是對齊的，比如大小是s的對象，地址為A，為A mod s == 0，就說明對這個對象的訪問是對齊的。80x86和RISC-V不要求對齊，但是對齊會更快一些。
3）尋址模式
RISC-V尋址模式：寄存器尋址，立即數尋址以及位移量尋址。所謂的位移量尋址，是指固定的偏移量加到寄存器得出存儲器地址。
4）操作數的類型和大小
8bit ASCII，16bit Unicode，32bit int，64bit ull以及IEEE 754浮點數（32bit單精度，64bit雙精度）。
5）操作指令
數據傳輸指令，算數邏輯指令，控制指令，浮點指令。
6）控制流指令
幾乎所有的ISA都有，支持條件轉移，無條件跳轉，過程調用以及返回。都使用相對於PC的尋址方式，分支地址由一個地址字段指定，該地址將被加到PC。不過這幾種架構有細微差別，RISC-V條件分支（BE，BNE等）季銨鹽寄存器中的內容，80x86和ARM測試條件代碼位，這些位是在執行算術/邏輯運算時順帶置上的。ARM和RISC-V過程調用的返回地址放在寄存器中，80x86則存放在存儲器的stack里。
7）ISA的編碼。
有兩種編碼選擇：固定長度和可變長度。ARM和RISC-V是固定長度（32位），8086是可變長度（1～18 byte）。采用可變長度編碼可以減少程序的體積，所以后來ARM和RISC-V推出了16bit指令，成為Thumb，Thumb-2等。
下圖是RISC-V的部分ISA：
下圖是RISC-V的浮點運算ISA：
以及下面是RISC-V的指令格式：
R格式用於整數寄存器到寄存器的操作，比如ADD，SUB等；I格式的用於load操作以及立即數操作，如LD，ADDI等；B格式用於分支；J格式用於跳轉和link？；S格式用於store。
1.3.2 真正的計算機體系結構：設計滿足目標和功能需求的功能和硬件
計算機的實現有兩個方面：組成和硬件。組成，也就是微體系結構，包含存儲器系統，存儲器互聯，設計內部處理器或CPU等等，使用相同ISA計算機，可能有不同的組成，比如Intel和AMD都是x86 ISA，但是組成非常不同。硬件是計算機的具體實現，比如詳盡的邏輯設計以及封裝技術，有相同ISA，相似組成的計算機，可能有不同的硬件，比如Intel i7和Xeon就是相同的ISA相似的組成，硬件實現略有不同。
因此，嚴格來說，計算機有三個方面：ISA，組成以及硬件。
計算機架構師要考慮的內容：
1.4 技術趨勢
在系統架構中，有些技術一直在發生劇烈的變化，比如：
a) 晶體管邏輯技術
晶體管密度在增加，晶片尺寸在增大
b) 半導體DRAM
也就是通常說的內存，增長越來越慢
c) 半導體閃存
d) 磁盤技術
e) 網絡技術
以上這些技術，都在制約計算機的發展速度。