并行計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)與分析

前言

迅猛發(fā)展的信息科學(xué)與技術(shù)將人類社會帶人了信息時代。半個多世紀(jì)以來，眾多學(xué)者為信息科學(xué)的建立、信息技術(shù)的發(fā)展和信息社會的進步作出了不懈的努力。然而，要為信息科學(xué)與技術(shù)奠定堅實的基礎(chǔ)，我們?nèi)匀幻媾R很多問題與挑戰(zhàn)。無論是科學(xué)研究和技術(shù)革新，還是基礎(chǔ)教育和學(xué)科建設(shè)，都需要我們繼續(xù)付出艱苦的勞動。如何加強和深化信息科學(xué)的基礎(chǔ)研究，完善已有的創(chuàng)新成果，為信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供保障？如何將重要的學(xué)術(shù)思想、理論和方法系統(tǒng)化，將信息科學(xué)與技術(shù)各個分支中的基本原理、核心內(nèi)容和最新進展結(jié)合起來？如何讓學(xué)術(shù)論著同時服務(wù)于科研與教學(xué)，使其相輔相成、相互促進？這些問題的解決將會使我國信息科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)教育和學(xué)術(shù)研究的質(zhì)量得到顯著提高?！缎畔⒖茖W(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)叢書》是為解決上述問題所做的一種嘗試。這套叢書旨在收錄信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究專著。要求每部著作中都有一定篇幅的內(nèi)容是著者的原創(chuàng)性研究成果，并且結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容充實、論證嚴(yán)密、寫作規(guī)范。這套叢書可以作為研究生和高年級本科生的教材和教學(xué)參考書。入選這套叢書的每部著作都至少需要通過兩位同行專家的評審。這套叢書的出版離不開作者、出版社與編委會的通力合作和諸多同仁的支持。在此我們向支持叢書出版工作的所有個人和單位表示誠摯的謝意，并熱切期待來自讀者的批評、指正和幫助，使這套叢書能夠不斷完善，成為信息科學(xué)與技術(shù)方面的重要文獻。

內(nèi)容概要

本書以研制高性能計算機系統(tǒng)為線索，對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變和并行計算機的發(fā)展作了論述，對設(shè)計、構(gòu)建高性能并行計算機涉及的關(guān)鍵技術(shù)作了系統(tǒng)、深入的分析，以深刻的觀點講述了并行計算機系統(tǒng)性能的度量和評測方法、流水和向量處理技術(shù)、各類存儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、同步機制、互連網(wǎng)絡(luò)的原理和設(shè)計、I／O系統(tǒng)以及系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性等。一些創(chuàng)新成果和學(xué)術(shù)思想，對研制穩(wěn)定可靠、簡潔高效的高產(chǎn)出率并行計算機系統(tǒng)有重要指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。設(shè)計的多個無死鎖自適應(yīng)路由算法，可有效支持高產(chǎn)出率并行計算機系統(tǒng)的構(gòu)成。    本書可作為高等院校相關(guān)領(lǐng)域的教師和研究生的教學(xué)參考書，也可供相關(guān)科研人員閱讀。

書籍目錄

叢書序前言第1章  計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變  1.1  計算機體系結(jié)構(gòu)的分類  1.2  幾個經(jīng)驗定律  1.3  微處理器    1.3.1  提高微處理器性能的方法    1.3.2  微處理器的發(fā)展      1.3.3  巨型機用微處理器第2章  并行計算機系統(tǒng)的性能度量  2.1  計算機的速度    2.1.1  MIPS、Flops和PDR      2.1.2  SPEC和TPS  2.2  并行計算機的速度計算    2.2.1  算術(shù)平均速度(arithmetic mean performance)    2.2.2  調(diào)和平均速度(harmonlc mean performance)    2.2.3  幾何平均速度(geometric mean performance)  2.3  并行計算機的加速比和效率    2.3.1  程序的并行性    2.3.2  加速比通式    2.3.3  固定負(fù)載加速比    2.3.4  固定時間加速比    2.3.5  固定存儲加速比    2.3.6  粒度匹配加速比模型    2.3.7  并行系統(tǒng)的效率和可擴展性    2.3.8  并行系統(tǒng)的并行質(zhì)量    2.3.9  并行系統(tǒng)的性能評測第3章  流水和向量處理  3.1  提高計算機速度的措施    3.1.1  提高頻率    3.1.2  空間并行    3.1.3  時間并行  3.2  線性流水線    3.2.1  流水線工作原理    3.2.2  加速比、效率和吞吐率    3.2.3  流水線的設(shè)計原理    3.2.4  指令流水部件    3.2.5  向量處理    3.2.6  無沖突向量訪存  3.3  非線性流水線    3.3.1  預(yù)約表和最小平均延遲時間    3.3.2  無沖突輸入控制和設(shè)計    3.3.3  多功能流水線的效率和吞吐率  3.4  超標(biāo)量和超流水技術(shù)    3.4.1  超標(biāo)量技術(shù)    3.4.2  超流水技術(shù)第4章  典型并行計算機系統(tǒng)  4.1  并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類    4.1.1  SM與DSM多處理機系統(tǒng)    4.1.2  分布式主存DM  4.2  典型并行計算機系統(tǒng)    4.2.1  陣列機      4.2.2  向量機      4.2.3  對稱多處理機SMP    4.2.4  大規(guī)模并行處理系統(tǒng)MPP    4.2.5  C1uster集群      4.2.6  高性能可重配置計算機HPRC  4.3  從Top500看高性能計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢  4.4  典型高性能計算機系統(tǒng)    4.4.1  Cray X1    4.4.2  地球模擬器(NEC Earth simulator)    4.4.3  藍色基因／L(IBM BlueGene／L)    4.4.4  Intel 64 Linux Cluster Abe  4.5  小結(jié)第5章  并行存儲系統(tǒng)和同步機制  5.1  存儲器的地址映射  5.2  層次存儲系統(tǒng)    5.2.1  程序訪存的局部性原理    5.2.2  存儲系統(tǒng)層次    5.2.3  層次存儲系統(tǒng)特點及性能分析    5.2.4  層次存儲系統(tǒng)存儲器間塊的映射      5.2.5  “主存輔存”層次地址變換    5.2.6  “高速緩存主存”層次    5.3  訪存事件次序和cache一致性    5.3.1  存儲一致性模型      5.3.2  高速緩存一致性協(xié)議    5.3.3  CC NUMA的Cache一致性  5.4  同步    5.4.1  Test-land-Set／Reset      5.4.2  Barrier／Eureka    5.4.3  Compare-Swap    5.4.4  Fetch-and-Add第6章  互連網(wǎng)絡(luò)  6.1  互連網(wǎng)絡(luò)的互連函數(shù)  6.2  互連網(wǎng)絡(luò)類型和基本結(jié)構(gòu)參數(shù)    6.2.1  互連網(wǎng)絡(luò)類型    6.2.2  互連網(wǎng)絡(luò)的基本特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)    6.3  動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)    6.3.1  總線    6.3.2  交叉開關(guān)    6.3.3  多級網(wǎng)絡(luò)  6.4  靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)    6.4.1  線性陣列和環(huán)    6.4.2  樹和星形網(wǎng)    6.4.3  k-ary n—cube網(wǎng)絡(luò)  6.5  MPP系統(tǒng)的互連技術(shù)    6.5.1  互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)    6.5.2  互連網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)    6.5.3  互連網(wǎng)絡(luò)流控策略    6.5.4  路由算法    6.5.5  經(jīng)典路由算法分類  6.6  互連網(wǎng)絡(luò)的死鎖問題    6.6.1  死鎖的解決    6.6.2  無死鎖理論研究  6.7  自適應(yīng)路由算法的虛網(wǎng)疊加原理    6.7.1  虛網(wǎng)的構(gòu)造    6.7.2  幾個完全自適應(yīng)路由算法第7章  I／O系統(tǒng)  7.1  從共享并行總線到高速串行總線    7.1.1  典型共享總線    7.1.2  提升性能的技術(shù)手段  7.2  HyperTrartsport    7.2.1  HyperTransport總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)    7.2.2  HyperTransport信號組    7.2.3  Hypm‘Transport通信    7.2.4  HyperTransport包路由    7.2.5  HyperTransport路由規(guī)則    7.2.6  HyperTransport 3.0的新特性    7.3  PCI Express      7.3.1  PCI Express信號組    7.3.2  PCI Express拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)      7.3.3  PCI Express的體系結(jié)構(gòu)      7.3.4  PCI Express通信  7.4  InfiniBand      7.4.1  InfiniBand體系結(jié)構(gòu)    7.4.2  InfiniBand交換機結(jié)構(gòu)模塊    7.4.3  IBA層次體系      7.4.4  包的管理與通信機制    7.4.5  InfiniBand與其他網(wǎng)絡(luò)互連方式的比較第8章  系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性  8.1  器件的散熱  8.2  邏輯信號傳輸    8.2.1  傳輸線    8.2.2  阻抗匹配  8.3  系統(tǒng)可靠性    8.3.1  可靠性特征參數(shù)      8.3.2  不維修系統(tǒng)可靠性計算    8.3.3  可維修系統(tǒng)可靠性計算參考文獻

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