計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

　　數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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)和數(shù)字系統(tǒng)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。　　本教材的宗旨是：避免與先修課程計(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)系統(tǒng)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；　　（2）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(guó)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、實(shí)驗(yàn)、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40～48學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容單獨(dú)安排。　　楊春武、祁之力、吳琨、白媛、楊秦、張杰、靳秀國(guó)、齊承軍、宋丹杰、周柳忠、楊蕾、張春、張蓉蓉、段國(guó)樂、盛利、王鋒、王軍德、馮一兵、金麗霞等參加了CAI課件、網(wǎng)絡(luò)教材、試題庫、教學(xué)儀器的研制工作，限于篇幅，未能在封面上一一列名。　　中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究開發(fā)中心陳鴻安研究員審閱了文字教材，在此表示衷心感謝。

內(nèi)容概要

本書介紹了計(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9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)、向量處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、陣列處理機(jī)、多處理機(jī)、機(jī)群系統(tǒng)和課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。    本書依據(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、電子教材、試題庫、課程設(shè)計(jì)及教學(xué)儀器等綜合配套的教學(xué)體系。    本書文字流暢，便于自學(xué)，有廣泛的適應(yīng)面，可作為高等院校計(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全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試(四級(jí))參考書。

書籍目錄

前言第1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)組織和計(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 單處理機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展    1.4.4 多處理機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展    1.4.5 并行處理機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型  小結(jié)  習(xí)題第2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3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)D    3.4.2 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)D    3.5.2 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 超長(zhǎng)指令字處理機(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)  3.7 多線程與超線程處理機(jī)    3.7.1 指令級(jí)并行與線程級(jí)并行    3.7.2 同時(shí)多線程結(jié)構(gòu)    3.7.3 超線程處理機(jī)結(jié)構(gòu)  小結(jié)  習(xí)題第4章  向量處理機(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)系統(tǒng)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 最大性能凡和半性能向量長(zhǎng)度  4.5 新型向量處理機(jī)    4.5.1 Cray Y-MP，C90    4.5.2 NECSX-X系列  小結(jié)  習(xí)題第5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)的路由選擇和消息傳遞方式    5.3.1 路由選擇方法    5.3.2 消息傳遞方式    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6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 Illiac IV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系統(tǒng)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7章  多處理機(jī)  7.1 多處理機(jī)的特點(diǎn)和分類    7.1.1 多處理機(jī)的特點(diǎn)    7.1.2 多處理機(jī)的分類  7.2 SMP 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)例    7.2.1 SMP的基本概念    7.2.2 SMP的一般結(jié)構(gòu)    7.2.3 Origin2000系統(tǒng)    7.2.4 IBM大型機(jī)SMP    7.2.5 容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)stratus  7.3 多處理機(jī)的Cache一致性  7.4 多處理機(jī)操作系統(tǒng)  7.5 多處理機(jī)中程序并行性的開發(fā)    7.5.1 程序并行性的分析    7.5.2 并行程序設(shè)計(jì)  小結(jié)  習(xí)題第8章  機(jī)群系統(tǒng)  8.1 機(jī)群系統(tǒng)的概念    8.1.1 機(jī)群系統(tǒng)的定義    8.1.2 機(jī)群系統(tǒng)的特點(diǎn)  8.2 機(jī)群系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  8.3 機(jī)群系統(tǒng)實(shí)例    8.3.1 IBM SP2系統(tǒng)    8.3.2 超級(jí)刀片系統(tǒng)  小結(jié)  習(xí)題第9章  課程設(shè)計(jì)  9.1 TEC-4A計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)    9.1.1 TEC-4A計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)    9.1.2 電源和時(shí)序發(fā)生器    9.1.3 數(shù)據(jù)通路    9.1.4 指令系統(tǒng)    9.1.5 控制器和控制臺(tái)    9.1.6 用戶自選器件實(shí)驗(yàn)區(qū)  9.2 微程序控制的流水計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)與調(diào)試    9.2.1 教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備    9.2.2 設(shè)計(jì)要求    9.2.3 微程序控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試  9.3 硬連線控制的流水計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)與調(diào)試    9.3.1 教學(xué)目的、任務(wù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備    9.3.2 設(shè)計(jì)與調(diào)試要求參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

　　在發(fā)展高性能單處理機(jī)過程中，起著主導(dǎo)作用的是時(shí)間重疊原理。實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊的物質(zhì)基礎(chǔ)是“部件功能專用化”，即把一件工作按功能分割為若干相互聯(lián)系的部分，把每一部分指定給專門的部件完成；然后按時(shí)問重疊原理把各部分執(zhí)行過程在時(shí)間上重疊起來，使所有部件依次分工完成一組同樣的工作。例如，解釋指令的5個(gè)子過程分別需要5個(gè)專用部件，即取指令部件（IF）、指令譯碼部件（ID）、指令執(zhí)行部件（EX）、訪問存儲(chǔ)器部件（M）、寫回結(jié)果部件（WB）。將它們按流水方式連接起來，就滿足時(shí)間重疊原理，從而使得處理機(jī)內(nèi)部同時(shí)處理多條指令，提高了處理機(jī)的速度。顯然，時(shí)間重疊技術(shù)開發(fā)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的指令級(jí)并行?！　≡趩翁幚頇C(jī)中，資源重復(fù)原理的運(yùn)用也已經(jīng)十分普遍。例如不論是非流水線處理機(jī)，還是流水線處理機(jī)，多體存儲(chǔ)器和多操作部件都是成功應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式。在多操作部件處理機(jī)中，通用部件被分解成若干個(gè)專用操作部件，如加法部件、乘法部件、除法部件、邏輯運(yùn)算部件等。一條指令所需的操作部件只要空閑，就可以開始執(zhí)行這條指令，這就是指令級(jí)并行?！　≡趩翁幚頇C(jī)中，資源共享的概念實(shí)質(zhì)上是用單處理機(jī)模擬多處理機(jī)的功能，形成所謂虛擬機(jī)的概念。例如分時(shí)系統(tǒng)，在多終端情況下，每個(gè)終端上的用戶感到好像自己有一臺(tái)處理機(jī)一樣。

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