计算机系统结构

第1章 计算机系统结构导论

1.1 计算机系统结构的基本概念

1.1.1 计算机系统的层次结构

1.1.2 计算机系统结构、组成与实现

1.1.3 计算机系统结构的发展历程

1.1.4 计算机系统结构的分类

1.2 影响计算机系统结构的因素

1.2.1 应用对计算机系统结构的影响

1.2.2 算法对计算机系统结构发展的影响

1.2.3 软件对计算机系统结构的影响

1.2.4 器件对计算机系统结构发展的影响

1.3 计算机系统性能分析与系统结构的评价标准

1.3.1 计算机性能的分析与评价

1.3.2 系统结构的评测标准

1.4 定量分析技术基础

1.4.1大概率事件优先原则

1.4.2 Amdahl定律

1.4.3 CPU性能公式

1.4.4程序的局部性原理

1.5 本章小结

习题1

第2章 现代计算机组成

2.1 中央处理机

2.1.1 CPU的组成

2.1.2 数据表示

2.1.3 寻址方式概述

2.2 存储系统

2.2.1 存储系统概述

2.2.2 存储系统的层次结构

2.2.3 并行存储器

2.2.4 程序访问的局部性

2.3 输入输出系统

2.3.1 输入系统

2.3.2 输出系统

2.3.3 通道处理机和I／O处理机

2.4 总线

2.4.1 总线系统概述

2.4.2 总线基本工作原理

2.4.3 设备的连接

2.4.4 CPU和I／O处理的匹配

2.5 本章小结

习题2

第3章 数据表示与指令系统设计

3.1 数据表示

3.1.1 数据表示与数据结构

3.1.2 定点数据表示

3.1.3 浮点数据表示

3.1.4 自定义数据表示

3.2 寻址技术

3.2.1 编址方式

3.2.2 常用寻址方式

3.2.3 寻址技术在指令中的指明

3.2.4 定位方式

3.3 指令格式的优化设计

3.3.1 指令格式的组成

3.3.2 操作码的优化

3.3.3 地址码优化设计

3.3.4 指令格式优化设计方法

3.3.5 DLX指令格式设计

3.4 指令系统的功能设计

3.4.1 指令系统的发展

3.4.2 复杂指令系统

3.4.3 精简指令系统

3.5 本章小结

习题3

第4章 存储系统

4.1 存储系统的技术指标

4.1.1 存储系统的基本要求

4.1.2 存储系统的性能指标

4.2 虚拟存储器

4.2.1 虚拟存储器的原理

4.2.2 虚拟存储器的管理方式

4.2.3 加快地址变换的方法

4.2.4 页面替换算法

4.2.5 堆栈型替换算法

4.2.6 虚拟存储器的性能分析

4.3 高速缓冲存储器

4.3.1 基本结构和工作原理

4.3.2 地址映像及变换方式

※4.3.3 替换算法

※4.3.4 Cache性能分析

4.3.5 提高Cache性能的方法

4.4 Cache-主存-辅存三级存储系统

4.4.1 三级存储系统的组织方式

※4.4.2 虚拟地址Cache

4.5 存储系统实例

4.5.1 主存保护

※4.5.2 主存保护实例

4.6 本章小结

习题4

第5章 输入输出系统

5.1 输入输出工作原理

5.1.1 输入输出系统的特点

5.1.2 输入输出系统的组织方式

5.1.3 基本输入输出方式

5.2 总线系统

5.2.1 总线的分类

5.2.2 总线结构的特点

5.2.3 总线仲裁

5.2.4 总线的控制方式

5.2.5 总线的通信方式

5.2.6 总线标准及发展

5.2.7 总线的指标

5.3 中断系统

5.3.1 中断源

5.3.2 中断优先级

5.3.3 中断处理过程

5.3.4 中断系统的软硬功能分配

5.3.5 中断屏蔽

5.4 通道处理机

5.4.1 通道的工作过程

5.4.2 通道的种类及相应的数据宽度、数据传送过程

5.4.3 通道的流量分析

5.5 输入输出处理机

5.5.1 输入输出处理机的特点

※5.5.2 输入输出处理机的种类

5.6 本章小结

习题5

第6章 流水线技术

6.1 指令重叠与先行控制

6.1.1 重叠方式

6.1.2 先行控制方式的结构

6.1.3 先行控制方式的原理

6.2 流水线处理机

6.2.1 流水线工作原理

6.2.2 流水线的分类

6.2.3 流水线的性能分析

6.3 标量流水线处理机中的相关

6.3.1 资源相关

6.3.2 数据相关

6.3.3 控制相关

6.4 非线性流水线的调度技术

6.4.1 非线性流水线的表示

6.4.2 非线性流水线的调度

6.5 多指令流水线技术

6.5.1 超标量处理机

6.5.2 超流水线处理机

6.5.3 超标量超流水线处理机

※6.5.4 超长指令字（VLIW）处理机

6.6 向量处理机

6.6.1 向量处理方式

6.6.2 向量处理机结构

6.6.3 向量计算机实例分析

6.7 本章小结

习题6

第7章 并行处理机技术

7.1 互连网络

7.1.1 互连函数

7.1.2 互连网络的性能和特征

7.1.3 静态互连网络

7.1.4 动态互连网络

7.2 SIMD计算机

7.2.1 SIMD计算机模型与特点

7.2.2 SIMD计算机结构

7.2.3 SIMD计算机实例

7.2.4 SIMD处理机的算法举例

7.3 MIMD计算机

7.3.1 MIMD计算机结构

7.3.2 MIMD计算机的特点

7.3.3 多处理机的Cache一致性

7.4 本章小结

习题7

第8章 计算机系统结构进展

8.1 计算机系统结构新发展概述

8.1.1 片上系统

8.1.2 网格化的高性能计算机系统结构

8.2 新一代处理器体系结构

8.2.1 多核处理器技术

8.2.2 同构多核处理器架构

8.2.3 异构多核处理器

8.2.4 新一代处理器体系结构的研究趋势

※8.3 几种专用的计算机系统结构介绍

8.3.1 脉动阵列机

8.3.2 数据流计算机

8.3.3 归约机

8.3.4 人工智能计算机

8.4 本章小结

习题8

参考文献

本书结合计算机技术现状，系统地讲述现代计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，并简要介绍当前系统结构领域的主要进展。本书共8章：第1章介绍计算机系统结构的基础知识；第2章简要介绍冯·诺依曼体系结构中CPU、存储系统、输入输出系统以及系统总线的基本知识；第3章在介绍常用的数据表示方法和寻址方式的基础上，讲解指令系统的优化设计方法及其最新进展；第4章介绍虚拟存储系统、Cache存储系统以及Cache-主存-辅存三级存储系统的工作原理和相关的地址映像及变换方法；第5章介绍基本输入输出方式、总线控制方式以及中断方式的基本工作原理；第6章介绍标量流水线、非线性流水线的基本概念与工作原理和调度策略，并简要介绍指令级上高度并行的超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机和超长指令字处理机的工作原理；第7章是并行处理机技术，介绍SIMD计算机、MIMD计算机的基本组成原理、类型和特点，以及与它们相关的互连网络的工作原理；第8章介绍计算机系统结构进展。每一章的内容均包括内容简介、学习内容、本章小结和习题。本书重点讲述现代主流计算机采用的比较成熟的设计思想、结构和方法等，力求内容重点突出、论述简洁、贴近实际。本书可以作为计算机专业本科生“计算机系统结构”课程的教材，或者相关专业本、专科学生“计算机组成与体系结构”课程的教材，也可以作为有关专业研究生和相关领域科技人员的参考书。