計算機系統(tǒng)結構學習指導與題解

前言

計算機系統(tǒng)結構是計算機專業(yè)及相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。本書是專門為該課程編寫的輔導書，既可作為該課程的學習參考書，也可作為自學該課程的輔導書，還可作為計算機專業(yè)碩士研究生入學考試的復習指導書。全書共包括9章。第1章講述計算機系統(tǒng)結構的基本概念以及系統(tǒng)結構和并行性的發(fā)展，并介紹定量分析基礎。第2章講述計算機指令集結構設計中的一些問題，包括尋址技術、指令集的功能設計、操作數(shù)的類型和大小、指令格式的設計，并且介紹RISC技術以及一個指令集結構的實例——MLPS。第3章為“流水線技術”，講述流水線的基本概念、分類和性能分析，介紹流水線中的相關和沖突問題及其解決方法等，并對向量處理機的結構及特點、關鍵技術以及性能評價進行討論。第4章為“指令級并行”，講述利用硬、軟件技術開發(fā)程序中指令間并行性的技術和方法，包括指令動態(tài)調度、指令分支預測、超標量技術、超流水技術以及超長指令字技術等。第5章為“存儲層次”，講述Cache的基本知識、降低Cache失效率的方法、減少Cache失效開銷的方法以及減少命中時間的方法，并對虛擬存儲器做簡要的討論。第6章為“輸入／輸出系統(tǒng)”，講述總線及其與CPU／存儲器的連接、通道處理機及其流量分析、廉價磁盤冗余陣列RAID。第7章為“互連網(wǎng)絡”，講述互連函數(shù)、互連網(wǎng)絡的特性參數(shù)、靜態(tài)互連網(wǎng)絡以及動態(tài)互連網(wǎng)絡等。第8章為“多處理機”，講述對稱式共享存儲器系統(tǒng)結構、分布式共享存儲器系統(tǒng)結構、多處理機Cache一致性、同步以及同時多線程技術，并介紹了一個多處理機實例。第9章為“機群計算機”，講述機群的結構、軟件模型以及機群的分類，并介紹了典型的機群系統(tǒng)。每一章都由4節(jié)組成，分別是基本要求與難點、知識要點、習題以及題解?！盎疽c與難點”列出了各章教學的基本要求和難點，“知識要點”詳細給出了各章內容的精華和要點?！傲曨}”包括概念題、選擇題、填空題、問答題、應用題等。“題解”給出了答案和詳細的求解過程。本書主要由張晨曦、劉依、沈立、孫太一、李江峰編寫，張碩、程志強、王偉、江鑒等也編寫了部分內容。本書概念清晰，重點難點突出，題型多樣，是一本很有用的學習輔導書。本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《計算機系統(tǒng)結構》（高等教育出版社）的配套教學參考書。當然，對于采用其他系統(tǒng)結構教材的讀者來說，也有較高的參考價值。

內容概要

　　《計算機系統(tǒng)結構學習指導與題解》是一本關于計算機系統(tǒng)結構課程的學習輔導書。全書共分為9章：計算機系統(tǒng)結構的基本概念，計算機指令集結構，流水線技術，指令級并行，存儲層次，輸入／輸出系統(tǒng)，互連網(wǎng)絡，多處理機，機群計算機。每一章都由4節(jié)組成，分別是基本要求與難點、知識要點、習題以及題解。“基本要求與難點”列出了各章教學的基本要求及難點，“知識要點”詳細給出了各章內容的精華和要點?！傲曨}”包括概念題、選擇題、填空題、問答題、應用題等?！邦}解”給出了各題答案和詳細的求解過程。本書概念清晰，重點難點突出，題型多樣，是一本很有用的學習輔導書。本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《計算機系統(tǒng)結構》（高等教育出版社）的配套教學參考書。當然，對于采用其他系統(tǒng)結構教材的讀者來說，也有較高的參考價值。本書可作為計算機系統(tǒng)結構課程（上課或自學）的學習參考書，也可作為計算機專業(yè)碩士研究生入學考試的復習指導書。

作者簡介

張晨曦，男，1960年9月生，漢族，福建龍巖人?，F(xiàn)任同濟大學軟件學院教授，博士生導師。國家級“中青年有突出貢獻專家”，國家杰出青年基金獲得者。先后主持了4項國家自然科學基金項目。1988年獲博士學位，后一直在國防科技大學計算機學院工作，2005年9月調入同濟大學。作為課程負責人，張晨曦建設的“計算機系統(tǒng)結構”課程于2007年被評為上海市精品課程，2008年被評為國家級精品課程。他還先后獲得了“教育部-微軟精品課程”和“教育部一SUN精品課程”。他主講“計算機系統(tǒng)結構”課程和從事系統(tǒng)結構的研究20余年，進行了一系列的教學改革和課程建設，取得了突出的成績。1992年開發(fā)出了國內第一套計算機系統(tǒng)結構CAI課件（含30個動畫），在清華大學、北京大學等全國10多所高校獲得應用。2003年完成教育部的新世紀網(wǎng)絡課程建設工程項目“計算機體系結構網(wǎng)絡課程”。2009年開發(fā)出了國內第一套計算機系統(tǒng)結構實驗模擬器。他負責編寫的《計算機系統(tǒng)結構》（高等教育出版社）是普通高等教育“十五”和“十一五”國家級規(guī)劃教材，該教材2002年獲全國普通高等學校優(yōu)秀教材二等獎。全國至少有60所大學采用了該教材。至2009年，他編寫出版了五本“十一五”國家級規(guī)劃教材。撰寫專著兩部（第二作者），其中專著《新一代計算機》由荷蘭North-Holland出版社出版，另一部于1992年獲“國家教委優(yōu)秀專著特等獎”，1993年獲“全國優(yōu)秀科技圖書一等獎”。發(fā)表學術研究論文90多篇，其中在《中國科學》、《計算機學報》等一級刊物上發(fā)表8篇，國外發(fā)表20多篇。有20多篇被國際著名八大檢索工具收錄。張晨曦獲部委級科技進步一等獎兩項（排名第二），二等獎一項（排名第一）；獲部委級教學成果二、三等獎各一項。2007年獲寶鋼優(yōu)秀教師獎和上海市育才獎，2008年獲上海高校教學名師獎。1991年被國家教委授予“做出突出貢獻的中國博士”光榮稱號，被評為湖南省科技青年“十佳”之一；1993年被評為“全軍優(yōu)秀教師”，1993年和1995年兩次獲“霍英東青年教師獎”；1995年獲第4屆“中國青年科技獎”。從15歲起當中學教師，對教學方法和現(xiàn)代教育技術有深入的研究，提出了面向遠程教育和CAI的動畫解析教學法。

書籍目錄

第1章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念1.1 基本要求與難點1.1.1 基本要求1.1.2 難點1.2 知識要點1.2.1 計算機系統(tǒng)結構的概念1.2.2 定量分析技術1.2.3 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展1.2.4 計算機系統(tǒng)結構中并行性發(fā)展1.3 習題1.3.1 概念題1.3.2 選擇題1.3.3 填空題1.3.4 問答題1.3.5 應用題1.4 題解1.4.1 概念題1.4.2 選擇題1.4.3 填空題1.4.4 問答題1.4.5 應用題第2章 計算機指令集結構2.1 基本要求與難點2.1.1 基本要求2.1.2 難點2.2 知識要點2.2.1 指令集結構的分類2.2.2 尋址方式2.2.3 指令集結構的功能設計2.2.4 操作數(shù)的類型和大小2.2.5 指令格式的設計2.2.6 MIPS指令集結構2.3 習題2.3.1 概念題2.3.2 選擇題2.3.3 填空題2.3.4 問答題2.4 題解2.4.1 概念題2.4.2 選擇題2.4.3 填空題2.4.4 問答題第3章 流水線技術3.1 基本要求與難點3.1.1 基本要求3.1.2 難點3.2 知識要點3.2.1 重疊執(zhí)行和先行控制3.2.2 流水線的基本概念3.2.3 流水線的性能指標3.2.4 流水線的相關與沖突3.2.5 流水線的實現(xiàn)3.2.6 向量處理機3.3 習題3.3.1 概念題3.3.2 選擇題3.3.3 填空題3.3.4 問答題3.3.5 應用題3.4 題解3.4.1 概念題3.4.2 選擇題3.4.3 填空題3.4.4 問答題3.4.5 應用題第4章 指令級并行4.1 基本要求與難點4.1.1 基本要求4.1.2 難點4.2 知識要點4.2.1 指令級并行的概念4.2.2 指令的動態(tài)調度4.2.3 動態(tài)分支預測技術4.2.4 多指令流出技術4.2.5 循環(huán)展開和指令調度4.3 習題4.3.1 概念題4.3.2 填空題4.3.3 問答題4.3.4 應用題4.4 題解4.4.1 概念題4.4.2 填空題4.4.3 問答題4.4.4 應用題第5章 存儲層次5.1 基本要求與難點5.1.1 基本要求5.1.2 難點5.2 知識要點5.2.1 存儲器的層次結構5.2.2 Cache基本知識5.2.3 降低Cache失效率5.2.4 減少Cache失效開銷5.2.5 減少命中時間5.2.6 主存5.2.7 虛擬存儲器5.2.8 進程保護和虛存實例5.2.9 Alp.haAXP21064存儲層次5.3 習題5.3.1 概念題5.3.2 選擇題5.3.3 填空題5.3.4 問答題5.3.5 應用題5.4 題解5.4.1 概念題5.4.2 選擇題5.4.3 填空題5.4.4 問答題5.4.5 應用題第6章 輸入／輸出系統(tǒng)6.1 基本要求與難點6.1.1 基本要求6.1.2 難點6.2 知識要點6.2.1 I／O系統(tǒng)性能與CPU性能6.2.2 I／O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性6.2.3 廉價磁盤冗余陣列RAID6.2.4 總線6.2.5 通道處理機6.2.6 I／O與操作系統(tǒng)6.3 習題6.3.1 概念題6.3.2 選擇題6.3.3 填空題6.3.4 問答題6.3.5 應用題6.4 題解6.4.1 概念題6.4.2 選擇題6.4.3 填空題6.4.4 問答題6.4.5 應用題第7章 互連網(wǎng)絡7.1 基本要求與難點7.1.1 基本要求7.1.2 難點7.2 知識要點7.2.1 互連網(wǎng)絡的基本概念7.2.2 互連網(wǎng)絡的結構7.3 習題7.3.1 概念題7.3.2 選擇題7.3.3 填空題7.3.4 問答題7.3.5 應用題7.4 題解7.4.1 概念題7.4.2 選擇題7.4.3 填空題7.4.4 問答題7.4.5 應用題第8章 多處理機8.1 基本要求與難點8.1.1 基本要求8.1.2 難點8.2 知識要點8.2.1 引言8.2.2 對稱式共享存儲器系統(tǒng)結構8.2.3 分布式共享存儲器系統(tǒng)結構8.2.4 同步8.2.5 同時多線程8.2.6 多處理機實例8.3 習題8.3.1 概念題8.3.2 填空題8.3.3 問答題8.3.4 應用題8.4 題解8.4.1 概念題8.4.2 填空題8.4..3 問答題8.4.4 應用題第9章 機群計算機9.1 基本要求與難點9.1.1 基本要求9.1.2 難點9.2 知識要點9.2.1 機群的基本概念和結構9.2.2 機群的特點9.2.3 機群的分類9.2.4 典型機群系統(tǒng)簡介9.3 習題9.3.1 概念題9.3.2 問答題9.4 題解9.4.1 概念題9.4.2 問答題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2.軟件對系統(tǒng)結構的影響軟件對系統(tǒng)結構的影響是多方面的。下面只討論系統(tǒng)結構設計中要注意解決的軟件可移植性問題?？梢浦残允侵敢粋€軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一臺計算機上運行，差別只是執(zhí)行時間不同。在這種情況下，人們稱這兩臺計算機為軟件兼容的。實現(xiàn)可移植性的常用方法有3種：系列機，模擬和仿真，統(tǒng)一高級語言。（1）系列機系列機能較好地解決軟件開發(fā)中要求系統(tǒng)結構相對穩(wěn)定與器件、硬件技術迅速發(fā)展的矛盾。系列機的軟件兼容有4種：向上兼容，向下兼容，向前兼容，向后兼容。向上（下）兼容指的是按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的計算機。向后（前）兼容是指按某個時期投入市場的某種型號計算機編制的程序，不加修改地就能運行于在它之后（前）投入市場的計算機。向后兼容是一定要保證的，它是系列機的根本特征。兼容機是指由不同制造商生產的具有相同系統(tǒng)結構的計算機。（2）模擬和仿真模擬和仿真是實現(xiàn)軟件（二進制代碼）可移植性的兩種常用方法。模擬是指用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計算機（稱為宿主機，host）上實現(xiàn)另一臺計算機（稱為虛擬機）的指令系統(tǒng)。通常用解釋的方法來實現(xiàn)模擬。除了模擬虛擬機的指令系統(tǒng)外，還要模擬其存儲系統(tǒng)、I／O系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等。這種方法的缺點是運行速度較慢，性能較差。仿真是指用一臺現(xiàn)有計算機（稱為宿主機）上的微程序去解釋實現(xiàn)另一臺計算機（稱為目標機）的指令系統(tǒng)。這個微程序稱為仿真微程序。仿真和模擬的主要區(qū)別在于解釋執(zhí)行所用的語言。仿真是用微程序解釋執(zhí)行，而模擬則是用機器語言程序解釋執(zhí)行。因此，仿真的運行速度比模擬方法快，但仿真只能在系統(tǒng)結構差距不大的計算機之間使用。為了取長補短，可以將這兩種方法混合使用。（3）統(tǒng)一高級語言如果各計算機能采用同一種高級語言，那么用這種語言編寫的應用軟件和系統(tǒng)軟件的可移植問題就解決了。然而，到目前為止，還沒有一種高級語言對各種應用是真正通用的。3.器件發(fā)展對系統(tǒng)結構的影響摩爾定律指出，集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目每隔18個月就翻一番。2003年以前CPU在速度上的提高也是如此，即主頻每隔18個月翻一番。這使得越來越多的功能可以在一塊芯片上實現(xiàn)，而且芯片的性能價格比也越來越高。

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《計算機系統(tǒng)結構學習指導與題解》是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材教學參考書,高等學校計算機科學與技術系列教材。

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