計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)版）

前言

　　“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生硬件一條線的必修課程。第一門課是技術(shù)基礎(chǔ)課，講授邏輯部件級(jí)的分析與設(shè)計(jì)方法。第二門課是專業(yè)基礎(chǔ)課，講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組成分析和設(shè)計(jì)方法，偏重于處理機(jī)的整機(jī)概念。而第三門課屬于專業(yè)課，著重講授并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、分析和設(shè)計(jì)方法?！　”窘滩牡淖谥际牵罕苊馀c先修課程“計(jì)算機(jī)組成原理”在內(nèi)容上重復(fù)，突出以時(shí)間并行技術(shù)和空間并行技術(shù)為核心的并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。　　編寫本教材的指導(dǎo)思想是：　?。?）知識(shí)結(jié)構(gòu)完備，基本概念清楚，內(nèi)容少而精，以滿足短學(xué)時(shí)教學(xué)的需要；　?。?）力圖反映新理論新技術(shù)，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展變化快的需要；　?。?）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，注重學(xué)生的能力培養(yǎng)；　?。?）文字教材和電子教材結(jié)合，采用先進(jìn)的教學(xué)方法和手段，以獲得良好的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量?！　「鶕?jù)作者多年從事理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，從傳授知識(shí)和培養(yǎng)能力的目標(biāo)出發(fā)，并結(jié)合本課程教學(xué)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和要點(diǎn)，作者學(xué)習(xí)了國內(nèi)外優(yōu)秀教材，進(jìn)行了課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段方面的改革，使文字教材、CAI課件、網(wǎng)絡(luò)教材、試題庫、實(shí)驗(yàn)儀器、課程設(shè)計(jì)綜合配套，力求形成理論、抽象、設(shè)計(jì)三個(gè)過程相統(tǒng)一的教學(xué)體系。課內(nèi)教學(xué)計(jì)劃48學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容單獨(dú)安排?！　”緯砂字杏⒔y(tǒng)稿，并主持研制了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教材光盤。第5、7章由楊旭東執(zhí)筆，楊春武、祁之力、王春露、張杰、靳秀國、齊承軍、宋丹杰、周柳忠、楊蕾、張春、張蓉蓉、段國樂、盛利、王鋒、王軍德、馮一兵、金麗霞、戴光明等參加了文字教材、網(wǎng)絡(luò)教材、試題庫和教學(xué)儀器的研制工作，限于篇幅，未能在封面上——列名。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系汪東升先生審閱了文字教材與網(wǎng)絡(luò)教材，北京郵電大學(xué)教務(wù)處為網(wǎng)絡(luò)教材的開發(fā)給予了經(jīng)費(fèi)上的支持，科學(xué)出版社王淑蘭為本書的出版貢獻(xiàn)了智慧和心血。在此作者一并向各位表示衷心感謝！　　作者　　北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　　2003年8月8日

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)版)》講授并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本分析和設(shè)計(jì)方法。全書共8章，內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念、時(shí)間并行技術(shù)、指令級(jí)并行技術(shù)、向量流水處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、陣列處理機(jī)、多處理機(jī)、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?！　　队?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)版)》依據(jù)短學(xué)時(shí)教學(xué)要求編寫，知識(shí)完整，結(jié)構(gòu)合理，重點(diǎn)突出，概念清楚，注重實(shí)踐環(huán)節(jié)與能力培養(yǎng)，形成了文字教材、電子版教材、試題庫、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)儀器等綜合配套的教學(xué)體系?！　　队?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)版)》文字流暢，便于自學(xué)，有廣泛的適應(yīng)面，是高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生教材，也可作為成人教育教材和科技人員的參考書。

書籍目錄

第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有關(guān)術(shù)語1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.3 計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)1.1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響因素1.2.1 存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其發(fā)展1.2.2 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.2.3 應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.2.4 器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生命周期1.3 定量分析技術(shù)1.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理1.3.2 性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.3.3 成本與價(jià)格1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展1.4.1 并行性的概念1.4.2 提高并行性的技術(shù)途徑1.4.3 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展1.4.4 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展小結(jié)習(xí)題第二章 時(shí)間并行技術(shù)2.1 流水線技術(shù)2.1.1 流水線的基本概念2.1.2 流水線的表示方法2.1.3 流水線的特點(diǎn)2.2 流水線的性能指標(biāo)2.2.1 流水線的吞吐率2.2.2 流水線的加速比2.2.3 流水線的效率2.2.4 流水線的最佳段數(shù)2.3 流水線的結(jié)構(gòu)相關(guān)和數(shù)據(jù)相關(guān)2.3.1 流水線的結(jié)構(gòu)相關(guān)2.3.2 流水線的數(shù)據(jù)相關(guān)2.4 流水線的控制相關(guān)2.4.1 控制相關(guān)的概念2.4.2 條件分支對(duì)流水線的影響2.4.3 靜態(tài)分支技術(shù)2.4.4 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)2.4.5 流水線處理機(jī)的中斷處理小結(jié)習(xí)題第三章 指令級(jí)并行技術(shù)3.1 指令級(jí)并行的概念3.1.1 并行性的有關(guān)術(shù)語3.1.2 多指令流出：指令級(jí)并行度3.2 數(shù)據(jù)相關(guān)及其處理技術(shù)3.2.1 數(shù)據(jù)相關(guān)類型3.2.2 寄存器重命名3.2.3 靜態(tài)指令調(diào)度3.2.4 動(dòng)態(tài)指令調(diào)度3.3 超標(biāo)量流水處理機(jī)3.3.1 超標(biāo)量流水線的發(fā)射策略3.3.2 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)3.3.3 超標(biāo)量流水處理機(jī)性能3.4 超流水線處理機(jī)3.4.1 超流水線處理機(jī)時(shí)空?qǐng)D3.4.2 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)3.4.3 超流水線處理機(jī)性能3.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)3.5.1 指令執(zhí)行時(shí)空?qǐng)D3.5.2 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)3.5.3 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)性能3.6 超長(zhǎng)指令字處理機(jī)3.6.1 VLIW處理機(jī)的特點(diǎn)3.6.2 VLIW處理機(jī)的結(jié)構(gòu)模型3.6.3 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)小結(jié)習(xí)題第四章 向量流水處理機(jī)4.1 向量處理的基本概念4.1.1 向量處理4.1.2 向量處理方法4.2 向量流水處理機(jī)的結(jié)構(gòu)4.2.1 存儲(chǔ)器―存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)4.2.2 寄存器―寄存器結(jié)構(gòu)4.3 提高向量流水處理機(jī)性能的方法4.3.1 多功能部件的并行操作4.3.2 鏈接技術(shù)4.3.3 分段開采技術(shù)4.3.4 采用多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)4.4 向量處理機(jī)的性能評(píng)估4.4.1 一條向量指令的執(zhí)行時(shí)間4.4.2 一組向量操作的執(zhí)行時(shí)間4.4.3 分段開采時(shí)一組向量操作的總執(zhí)行時(shí)間4.4.4 最大性能R和半性能向量長(zhǎng)度4.5 新型向量處理機(jī)4.5.1 CRAYY－MP.C904.5.2 NECSX.X系列小結(jié)習(xí)題第五章 互連網(wǎng)絡(luò)5.1 互連網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念5.1.1 互連網(wǎng)絡(luò)的功能和特征5.1.2 互連網(wǎng)絡(luò)的描述工具5.1.3 互連網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)5.2 互連網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)5.2.1 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)5.2.2 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)5.3 互連網(wǎng)絡(luò)的路由選擇和信息傳遞方式5.3.1 路由選擇方法5.3.2 信息傳遞方式5.3.3 死鎖與虛擬通道5.4 流量控制策略和通信模式5.4.1 流量控制策略5.4.2 通信模式小結(jié)習(xí)題第六章 陣列處理機(jī)6.1 陣列處理機(jī)的操作模型和特點(diǎn)6.1.1 陣列處理機(jī)的操作模型6.1.2 陣列處理機(jī)的特點(diǎn)6.2 陣列處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)6.2.1 分布式存儲(chǔ)器的陣列機(jī)6.2.2 共享存儲(chǔ)器的陣列機(jī)6.3 陣列處理機(jī)實(shí)例6.3.1 IlliacⅣ陣列處理機(jī)6.3.2 MP－1陣列處理機(jī)6.4 陣列機(jī)的并行算法6.4.1 SIMD體系結(jié)構(gòu)與并行算法的關(guān)系6.4.2 算法舉例，小結(jié)習(xí)題第七章 多處理機(jī)7.1 多處理機(jī)的一般模型、特點(diǎn)和分類7.1.1 多處理機(jī)的一般模型7.1.2 多處理機(jī)的特點(diǎn)7.1.3 多處理機(jī)的分類7.2 多處理機(jī)的Cache一致性7.2.1 Cache不一致性的由來7.2.2 監(jiān)聽協(xié)議法7.2.3 目錄表協(xié)議法7.3 多處理機(jī)實(shí)例7.3 ，1大規(guī)模并行處理機(jī)CrayT3D7.3.2 共享存儲(chǔ)型多處理機(jī)Origin20007.3.3 容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Stratus7.3.4 計(jì)算機(jī)機(jī)群IBMSP27.4 多處理機(jī)中程序并行性的開發(fā)7.4.1 程序并行性的分析7.4.2 并行程序設(shè)計(jì)小結(jié)習(xí)題第八章 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)8.1 TEC－4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)8.1.1 TEC－4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)8.1.2 電源和時(shí)序發(fā)生器8.1.3 數(shù)據(jù)通路8.1.4 指令系統(tǒng)8.1.5 控制器和控制臺(tái)8.1.6 用戶自選器件實(shí)驗(yàn)區(qū)8.2 微程序控制的流水計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)與調(diào)試8.2.1 教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備8.2.2 設(shè)計(jì)要求8.2.3 微程序控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試8.3 硬聯(lián)線控制的流水計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)與調(diào)試8.3.1 教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備8.3.2 設(shè)計(jì)與調(diào)試要求附錄參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　5.4.2通信模式　　多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)4種通信模式：　　單播（unicast）：對(duì)應(yīng)于一對(duì)一的通信情況，即一個(gè)源結(jié)點(diǎn)發(fā)送消息到一個(gè)目的結(jié)點(diǎn)?！　∵x播（multicast）：對(duì)應(yīng)于一到多的通信情況，即一個(gè)源結(jié)點(diǎn)發(fā)送同一個(gè)消息到多個(gè)目的結(jié)點(diǎn)?！　V播（broadcast）：對(duì)應(yīng)于一到全體的通信情況，即一個(gè)源結(jié)點(diǎn)發(fā)送同一個(gè)消息到全部結(jié)點(diǎn)?！　?huì)議（conference）：對(duì)應(yīng)于多到多的通信情況。　　前面已經(jīng)討論了單播模式，下面來分析實(shí)現(xiàn)選播、廣播或會(huì)議通信模式的要求。當(dāng)然，所有的各種模式都可以順序地多次使用單播來實(shí)現(xiàn)；如果不發(fā)生源沖突的話，甚至也可以同時(shí)用多個(gè)單播來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)這些多目的模式必須使用特殊的硬件或?qū)椒椒ā！　⊥ǖ懒髁亢屯ㄐ艜r(shí)延是描述效率常用的兩個(gè)參數(shù)。通道流量可用傳輸有關(guān)消息所使用的通道數(shù)來表示。通信時(shí)延則用包的最長(zhǎng)傳輸時(shí)間來表示?！　?yōu)化的尋徑網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能以最小流量和最小時(shí)延實(shí)現(xiàn)有關(guān)通信模式。然而，這兩個(gè)參數(shù)并不是毫不相關(guān)的。達(dá)到最小流量同時(shí)不一定能達(dá)到最小時(shí)延，相反的情況也是如此?！　∵@與所使用的交換技術(shù)有關(guān)，在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延是最重要的問題，而在蟲孔網(wǎng)絡(luò)中流量對(duì)效率的影響則更大?！　∠旅嬉跃W(wǎng)格計(jì)算機(jī)上的選播和廣播為例進(jìn)行討論。

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