计算机系统结构教程

第1章计算机系统结构的基础知识

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计算机系统结构的定义

1.1.3计算机组成和计算机实现

1.1.4计算机系统结构的分类

1.2计算机系统的设计

1.2.1计算机系统设计的定量原理

1.2.2计算机系统设计者的主要任务

1.2.3计算机系统设计的主要方法

1.3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·诺依曼结构及其改进

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

1.5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

1.5.5并行机的发展变化

习题

第2章指令系统的设计

2.1指令系统结构的分类

2.2寻址方式

2.3指令系统的设计和优化

2.3.1指令系统设计的基本原则35目录计算机系统结构教程(第2版)2.3.2控制指令

2.3.3指令操作码的优化

2.3.4指令字格式的优化

2.4指令系统的发展和改进

2.4.1沿CISC方向发展和改进指令系统

2.4.2沿RISC方向发展和改进指令系统

2.5操作数的类型和大小

2.6MIPS指令系统结构

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

第3章流水线技术

3.1流水线的基本概念

3.1.1什么是流水线

3.1.2流水线的分类

3.2流水线的性能指标

3.2.1流水线的吞吐率

3.2.2流水线的加速比

3.2.3流水线的效率

3.2.4流水线的性能分析举例

3.2.5流水线设计中的若干问题

3.3非线性流水线的调度

3.3.1单功能非线性流水线的最优调度

3.3.2多功能非线性流水线的调度

3.4流水线的相关与冲突

3.4.1一条经典的5段流水线

3.4.2相关与流水线冲突

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

习题

第4章向量处理机

4.1向量的处理方式

4.2向量处理机的结构

4.2.1"存储器存储器"结构

4.2.2"寄存器寄存器"结构

4.3提高向量处理机性能的常用技术

4.3.1设置多个功能部件

4.3.2链接技术

4.3.3分段开采技术

4.3.4采用多处理机系统

4.4向量处理机的性能评价

4.4.1向量指令的处理时间Tvp

4.4.2最大性能R∞和半性能向量长度n1/

4.4.3向量长度临界值n ?瘙 經

4.5向量处理机实例

4.5.1具有代表性的向量处理机

4.5.2Cray YMP和C

4.5.3NEC SXX

习题

第5章指令级并行及其开发--硬件方法

5.1指令级并行的概念

5.2相关与指令级并行

5.3指令的动态调度

5.3.1动态调度的基本思想

5.3.2记分牌动态调度方法

5.3.3Tomasulo算法

5.4动态分支预测技术

5.4.1采用分支历史表

5.4.2采用分支目标缓冲器

5.4.3基于硬件的前瞻执行

5.5多指令流出技术

5.5.1基于静态调度的多流出技术

5.5.2基于动态调度的多流出技术

5.5.3超长指令字技术

5.5.4多流出处理器受到的限制

5.5.5超流水线处理机

习题

第6章指令级并行的开发--软件方法

6.1基本指令调度和循环展开

6.1.1指令调度的基本方法

6.1.2循环展开

6.2跨越基本块的静态指令调度

6.2.1全局指令调度

6.2.2踪迹调度

6.2.3超块调度

6.3静态多指令流出: VLIW技术

6.4显式并行指令计算

6.4.1非绑定分支

6.4.2谓词执行

6.4.3前瞻执行

6.5开发更多的指令级并行

6.5.1挖掘更多的循环级并行

6.5.2软流水

6.6实例: IA64体系结构

6.6.1IA64的指令格式

6.6.2IA64的谓词执行机制

6.6.3IA64的前瞻执行机制

习题

第7章存储系统

7.1存储系统的层次结构

7.1.1存储系统的层次结构概述

7.1.2存储系统的性能参数

7.1.3三级存储系统

7.1.4存储层次的4个问题

7.2Cache的基本知识

7.2.1基本结构和原理

7.2.2映像规则

7.2.3查找方法

7.2.4Cache的工作过程

7.2.5替换算法

7.2.6写策略

7.2.7Cache性能分析

7.2.8改进Cache性能

7.3降低Cache的不命中率

7.3.1三种类型的不命中

7.3.2增加Cache块大小

7.3.3增加Cache的容量

7.3.4提高相联度

7.3.5伪相联Cache

7.3.6硬件预取

7.3.7编译器控制的预取

7.3.8编译优化

7.3.9"牺牲"Cache

7.4减少Cache不命中开销

7.4.1采用两级Cache

7.4.2让读不命中优先于写

7.4.3写缓冲合并

7.4.4请求字处理技术

7.4.5非阻塞Cache技术

7.5减少命中时间

7.5.1容量小、结构简单的Cache

7.5.2虚拟Cache

7.5.3Cache访问流水化

7.5.4踪迹Cache

7.5.5Cache优化技术总结

7.6并行主存系统

7.6.1单体多字存储器

7.6.2多体交叉存储器

7.6.3避免存储体冲突

7.7虚拟存储器

7.7.1基本概念

7.7.2快速地址转换技术

7.7.3页式虚拟存储器实例: 64位Opteron的存储管理

7.8实例: AMD Opteron的存储器层次结构

习题

第8章输入输出系统

8.1I/O系统的性能

8.2I/O系统的可靠性、可用性和可信性

8.3廉价磁盘冗余阵列

8.3.1RAID

8.3.2RAID1

8.3.3RAID2

8.3.4RAID

8.3.5RAID

8.3.6RAID

8.3.7RAID

8.3.8RAID10与RAID

8.3.9RAID的实现与发展

8.4总线

8.4.1总线的设计

8.4.2总线标准和实例

8.4.3与CPU的连接

8.5通道处理机

8.5.1通道的作用和功能

8.5.2通道的工作过程

8.5.3通道种类

8.5.4通道流量分析

8.6I/O与操作系统

8.6.1DMA和虚拟存储器

8.6.2I/O和Cache数据一致性

习题

第9章互连网络

9.1互连函数

9.1.1互连函数的表示方法

9.1.2几种基本的互连函数

9.2互连网络的结构参数与性能指标

9.2.1互连网络的结构参数

9.2.2互连网络的性能指标

9.3静态互连网络

9.4动态互连网络

9.4.1总线网络

9.4.2交叉开关网络

9.4.3多级互连网络

9.4.4动态互连网络的比较

9.5消息传递机制

9.5.1消息寻径方案

9.5.2死锁与虚拟通道

9.5.3流控制策略

9.5.4选播和广播寻径算法

习题

第10章多处理机

10.1引言

10.1.1并行计算机系统结构的分类

10.1.2存储器系统结构和通信机制

10.1.3并行处理面临的挑战

10.2对称式共享存储器的系统结构

10.2.1多处理机Cache一致性

10.2.2实现一致性的基本方案

10.2.3监听协议的实现

10.3分布式共享存储器的系统结构

10.3.1目录协议的基本思想

10.3.2目录协议实例

10.3.3目录的三种结构

10.4同步

10.4.1基本硬件原语

10.4.2用一致性实现锁

10.4.3同步性能问题

10.5同时多线程

10.5.1将线程级并行转换为指令级并行

10.5.2同时多线程处理器的设计

10.5.3同时多线程的性能

10.6大规模并行处理机

10.6.1并行计算机系统结构

10.6.2大规模并行处理机

10.7多处理机实例1--T1

10.8多处理机实例2--Origin 200

习题1

第11章多核架构与编程

11.1多核架构的需求

11.1.1功耗与散热问题

11.1.2并行度问题

11.1.3应用软件问题

11.2多核架构

11.2.1多核的组织架构

11.2.2多核架构实例

11.3基于多核的并行程序设计

11.3.1并行编程模型

11.3.2并行语言

11.3.3并行算法

11.4多核编程实例

习题11

第12章机群系统

12.1机群的基本结构

12.1.1机群的硬件组成

12.1.2机群的软件

12.2机群的特点

12.3机群的分类

12.4典型机群系统简介

12.4.1Berkeley NOW

12.4.2Beowulf

12.4.3LAMP

12.4.4IBM SP2

习题12

第13章阵列处理机

13.1阵列处理机的操作模型和特点

13.2阵列处理机的基本结构

13.2.1分布式存储器的阵列机

13.2.2共享存储器的阵列机

13.3阵列处理机实例

13.3.1实例1: Illiac Ⅳ阵列处理机

13.3.2实例2: BSP计算机

13.4阵列处理机的并行算法举例

习题1

第14章数据流计算机

14.1数据流计算机的基本原理

14.1.1数据驱动原理

14.1.2数据流计算机中指令的执行过程

14.1.3数据流计算机的指令结构

14.2数据流程序图和数据流语言

14.2.1数据流程序图

14.2.2数据流语言及其性质

14.3数据流计算机结构

14.3.1静态数据流计算机

14.3.2动态数据流计算机

14.4数据流计算机的评价

14.4.1数据流计算机的优点

14.4.2数据流计算机的缺点

14.4.3数据流计算机设计中需解决的问题

习题1

主要参考文献

本书借鉴了国内和国外最经典的相关教材，系统地论述了计算机系统结构的基本概念、基本结构、基本方法等，强调从开发并行性的角度、用量化分析（性能评价）的方法来研究和分析计算机系统。全书共有14章。第1章论述基本概念、并行性的发展和定量分析基础。第2章论述计算机指令系统的设计和MIPS指令系统。第3章论述流水线技术，包括性能分析、调度、相关和冲突以及流水线的实现。第4章论述向量处理机的结构、特点和性能评价。第5章和第6章分别论述如何用硬件和软件的方法来开发指令级并行性，包括记分牌和Tomasulo算法、基于硬件的前瞻执行、多指令流出技术、循环展开、VLIW、EPIC等。第7章论述存储系统，重点论述Cache的基本知识及提高Cache性能的各种方法。第8章论述总线、通道处理机和RAID。第9章论述互连网络的特性参数、静/动态互连网络以及消息传递机制等。第10章论述SMP、DSM、MPP等并行计算机系统结构，论述多Cache一致性、同步、同时多线程。第11章论述多核架构、实例以及基于多核的并行程序设计。最后三章分别论述机群系统、阵列处理机、数据流计算机。本书内容丰富，实例具体，语言简练，可读性好，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。