计算机系统结构

第1章计算机系统结构的基本概念

1.1引言

1.2计算机系统结构的概念

1.2计算机系统的层次结构

1.2.2计算机系统结构的定义

1.2.3计算机组成和计算机实现

1.2.4计算机系统结构的分类

1.3定量分析技术

1.3.1计算机系统设计的定量原理

1.3.2计算机系统的性能评测

1.4计算机系统结构的发展

1.4.1冯诺依曼结构

1.4.2软件对系统结构的影响

1.4.3器件发展对系统结构的影响

1.4.4应用对系统结构的影响

1.4.5系统结构的生命周期

1.5计算机系统结构中并行性的发展

1.5.1并行性的概念

1.5.2提高并行性的技术途径

1.5.3单机系统中并行性的发展

1.5.4多机系统中并行性的发展

习题1

第2章计算机指令集结构

2.1指令集结构的分类

2.2寻址方式

2.3指令集结构的功能设计

2.3.1CISC指令集结构的功能设计

2.3.2RISC指令集结构的功能设计

2.3.3控制指令

2.4操作数的类型和大小

2.5指令格式的设计

2.6MIPS指令集结构

2.6.1MIPS的寄存器

2.6.2MIPS的数据表示

2.6.3MIPS的数据寻址方式

2.6.4MIPS的指令格式

2.6.5MIPS的操作

2.6.6MIPS的控制指令

2.6.7MIPS的浮点操作

习题2

第3章流水线技术

3.1重叠执行和先行控制

3.1.1重叠执行

3.1.2先行控制

3.2流水线的基本概念

3.2.1什么是流水线

3.2.2流水线的分类

3.3流水线的性能指标

3.3.1吞吐率

3.3.2加速比

3.3.3效率

3.3.4流水线性能分析举例

3.3.5流水线设计中的若干问题

3.4流水线的相关与冲突

3.4.1个经典的5段流水线

3.4.2相关

3.4.3流水线冲突

3.5流水线的实现

3.5.1MIPS的一种简单实现

3.5.2基本的MIPS流水线

3.6向量处理机

3.6.1向量处理方式

3.6.2向量处理机的结构

3.6.3提高向量处理机性能的方法

3.6.4向量处理机的性能评价

习题3

第4章指令级并行

4.1指令级并行的概念

4.2指令的动态调度

4.2.1动态调度的基本思想

4.2.2romasulo算法

4.3动态分支预测技术

4.3.1采用分支历史表

4.3.2采用分支目标缓冲器

4.3.3基于硬件的前瞻执行

4.4多指令流出技术

4.4.1基于静态调度的多流出技术

4.4.2基于动态调度的多流出技术

4.4.3超长指令字技术

4.4.4多流出处理器受到的限制

4.4.5超流水线处理机

4.5循环展开和指令调度

4.5.1循环展开和指令调度的基本方法

4.5.2静态超标量处理机中韵循环展开

习题4

第5章存储层次

5.1存储器的层次结构

5.1.1从单级存储器到多级存储器

5.1.2存储层次的性能参数

5.1.3“Cache-主存”和“主存-辅存”层次

5.1.4存储层次的4个问题

5.2Cache基本知识

5.2.1映像规则

5.2.2查找方法

5.2.3替换算法

5.2.4写策略

5.2.5Cache的结构

5.2.6Cache性能分析

5.2.7改进Cache性能

5.3降低Cache失效率的方法

5.3.1增加Cache块大小

5.3.2提高相联度

5.3.3增加Cache的容量

5.3.4VictimCache

5.3.5伪相联映像Cache

5.3.6硬件预取

5.3.7编译器控制的预取

5.3.8编译器优化

5.4减多Cache失效开销

5.4.1让读失效优先于写

5.4.2写缓冲合并

5.4.3请求字处理技术

5.4.4非阻塞Cache技术

5.4.5采用两级Cache

5.5减少命中时间

5.5.1容量小、结构简单的Cache

5.5.2虚拟Cache

5.5.3Cache访问流水化

5.5.4TraceCache

5.5.5Cache优化技术总结

5.6主存

5.7虚拟存储器

5.7.1虚拟存储器的基本原理

5.7.2快表

5.8进程保护和虚存实例

5.8.1进程保护

5.8.2页式虚存实例：AlphaAXP的存储管理和21064的TLB

5.9AlphaAXP21064存储层次

习题5

第6章输入／输出系统

6.1I／O系统性能与CPU性能

6.2I／O系统的可靠性、可用性和可信性

6.3廉价磁盘冗余阵列RAID

6.3.1RAID0

6.3.2RAID1

6.3.3RAID2

6.3.4RAID3

6.3.5RAID4

6.3.6RAID5

6.3.7RAID6

6.3.8RAID10与RAID01

6.3.9RAID的实现与发展

6.4总线

6.4.1总线的设计

6.4.2总线标准和实例

6.4.3与CPU的连接

6.5通道处理机

6.5.1通道的作用和功能

6.5.2通道的工作过程

6.5.3通道的种类

6.5.4通道中的数据传送过程与流量分析

6.6I／O与操作系统

6.6.1DMA和虚拟存储器

6.6.2I／O和Cache数据一致性

6.6.3异步：I／O

习题6

第7章互连网络

7.1互连网络的基本概念

7.1.1互连网络的功能和特征

7.1.2互连函数

7.1.3互连网络的特性参数

7.2互连网络的结构

7.2.1静态互连网络

7.2.2动态互连网络

习题7

第8章多处理机

8.1引言

8.1.1并行计算机系统结构的分类

8.1.2通信模型和存储器的结构模型

8.1.3并行处理面临的挑战

8.2对称式共享存储器系统结构

8.2.1多处理机Cache一致性

8.2.2实现一致性的基本方案

8.2.3监听协议及其实现

8.3分布式共享存储器系统结构

8.3.1基于目录的Cache一致性

8.3.2目录协议及其实现

8.4同步

8.4.1基本硬件原语

8.4.2用一致性实现

8.4.3同步性能问题

8.5同时多线程

8.5.1将线程级并行转换为指令级并行

8.5.2同时多线程处理器的设计

8.5.3同时多线程的性能

8.6多处理机实例

习题8

第9章机群计算机

9.1机群的基本概念和结构

9.1.1机群的基本结构

9.1.2机群的软件模型

9.2机群的特点

9.3机群的分类

9.4典型机群系统简介

9.4.1BerkeleyNOW

9.4.2Beowulf

9.4.3LAMP

9.4.4IBMSP2

习题9

主要参考文献

　　计算机和通信技术的迅猛发展，信息产业已成为推动全球经济快速增长和全面变革的关键因素。国家信息化的发展和信息产业国际竞争能力的提高，迫切需要高素质、创新型的计算机专业人才。高素质计算机专业人才的培养离不开高质量的计算机教育。而教育质量正是我们面对的最大问题。如何才能提搞教育质量？高水平的教材是一流的教育质量保证。本书借鉴了国际上最经典的计算机系统结构教材，强调采用量化的分析方法。这种方法使读者能更具体、实际地分析和设计计算机系统结构。重点讲述现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等，重点突出，面面俱到，对新形势下我国高等学校计算机专业课程改革与建设定能起到积极推动的作用。　　本书系统地论述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本方法，并强调采用量化的分析方法，使读者能够更具体、实际地分析和理解计算机系统结构。　　全书共分为9章：计算机系统结构的基本概念，计算机指令集结构，流水线技术，指令级并行，存储层次，输入／输出系统，互连网络，多处理机，机群计算机。第1章讲述计算机系统结构的基本概念以及定量分析基础。第2章讲述计算机指令集的设计、RISC技术以及MIPS指令集结构。第3章讲述流水线及其性能分析、流水线中的相关和冲突及其解决方法、向量处理机的结构及其性能评价。第4章讲述指令级并行性开发，包括指令动态调度、指令分支预测、超标量技术、超流水技术以及超长指令字技术等。第5章讲述Cache的基本知识、降低Cache失效率的方法、减少Cache失效开销的方法以及减少命中时间的方法，并对虚拟存储器进行讨论。第6章讲述总线、通道处理机及其流量分析、廉价磁盘冗余阵列(RAID)。第7章讲述互连网络及其特性参数、静态互连网络以及动态互连网络等。第8章讲述对称式共享存储器系统结构、分布式共享存储器系统结构、多Cache一致性、同步以及同时多线程技术。第9章讲述机群的结构、软件模型以及分类。　　本书内容丰富，实例具体，语言简练，通俗易懂，可读性好。本书可作为高等院校计算机及相关专业的教学用书，也可供相关科技人员参考。【作者简介】　　现任同济大学软件学院教授，博士生导师。国家级“中青年有突出贡献专家”，国家杰出青年基金获得者。先后主持了4项国家自然科学基金项目。1988年获博士学位，后一直在国防科技大学计算机学院工作，2005年9月调入同济大学。