計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程

前言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心課程，其主要內(nèi)容是研究使用者所看到的汁算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。該課程的目的是使學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法，以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向等。本書(shū)全面介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、工作原理、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析方法。本書(shū)的主要內(nèi)容有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、存儲(chǔ)系統(tǒng)、標(biāo)量處理機(jī)、并行處理機(jī)、向量計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)及互連網(wǎng)絡(luò)和非控制流計(jì)算機(jī)等。本書(shū)共分為8章，重點(diǎn)介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理、構(gòu)成框架與實(shí)現(xiàn)方案，介紹了分布式系統(tǒng)、集群系統(tǒng)和網(wǎng)格系統(tǒng)等熱點(diǎn)技術(shù)，對(duì)學(xué)生全面了解、掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)屬性、系統(tǒng)構(gòu)成有很大的幫助。第l章主要介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)模型、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)和分析方法，闡述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)的關(guān)系，介紹了計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。第2章介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，主要有CPU構(gòu)成、計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)類(lèi)型、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、計(jì)算機(jī)總線技術(shù)、I／O技術(shù)、通道處理機(jī)與I／O處理機(jī)技術(shù)等。第3章主要介紹了存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的基本原理、相聯(lián)存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）、虛擬存儲(chǔ)器原理、存儲(chǔ)器管理模式及存儲(chǔ)器保護(hù)技術(shù)等。第4章介紹了流水線并行技術(shù)，主要介紹了標(biāo)量流水線的工作原理、流水線中的主要障礙與處理方法、流水線的實(shí)現(xiàn)與控制、流水線中的并行處理及非線性流水線的預(yù)約表控制方法，并給出了大量的流水線實(shí)例。第5章主要介紹了RISC指令集的實(shí)現(xiàn)原理、編碼方法、流水線等基本技術(shù)，并以刪處理器的RISC指令集為例介紹了RISC：指令集的實(shí)現(xiàn)方法。第6章主要介紹了并行處理的基本概念，介紹了多處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、類(lèi)型，多處理機(jī)中的并行處理技術(shù)、操作系統(tǒng)、算法、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、Cache的一致性，以及并行處理技術(shù)；介紹了向量處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與類(lèi)型、向量處理方式、向量處理機(jī)實(shí)例及其性能分析，也介紹了互連網(wǎng)絡(luò)的作用、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、互連函數(shù)，以及互連網(wǎng)絡(luò)中的消息傳遞方式；最后還介紹了典型的多處理機(jī)實(shí)例，主要有.MPP、SMP和機(jī)群系統(tǒng)。第7章主要介紹了分布式系統(tǒng)、集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)格技術(shù)的基本概念、結(jié)構(gòu)原理和實(shí)現(xiàn)策略等，詳細(xì)介紹了網(wǎng)格系統(tǒng)的3大模型和與Web服務(wù)的結(jié)合技術(shù)，以及與Internet的關(guān)聯(lián)技術(shù)。第8章主要介紹了脈動(dòng)陣列機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、歸約機(jī)及人工智能計(jì)算機(jī)等非控制流計(jì)算機(jī)的基本原理、實(shí)現(xiàn)方式及體系結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)流圖的繪制方法等。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》全面介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、流水線技術(shù)、標(biāo)量處理機(jī)、RISC技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多處理機(jī)系統(tǒng)及互連網(wǎng)絡(luò)和非控制流計(jì)算機(jī)等內(nèi)容。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(zhuān)業(yè)的核心課程，主要研究計(jì)算機(jī)的外部屬性，即使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象，以及計(jì)算機(jī)功能架構(gòu)屬性。本課程的目的是建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法，掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理?！队?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》可作為計(jì)算機(jī)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教材和工程技術(shù)人員的參考用書(shū)。

書(shū)籍目錄

出版說(shuō)明前言第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)論1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)1.3.1 按“流”分類(lèi)1.3.2 按“并行級(jí)”和“流水線”分類(lèi)1.3.3 按“最大并行度”分類(lèi)1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.4.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則1.4.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能與價(jià)格1.4.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變1.5.1 軟件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5.2 應(yīng)用需求對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5.3 器件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5.4 算法對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.6 習(xí)題第2章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 中央處理器2.1.1 CPU的組成2.1.2 數(shù)據(jù)表示2.1.3 指令格式優(yōu)化2.1.4 尋址方式2.2 總線結(jié)構(gòu)2.2.1 總線的分類(lèi)2.2.2 總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2.2.3 總線通信方式2.2.4 總線仲裁2.2.5 總線標(biāo)準(zhǔn)2.3 I／O系統(tǒng)2.3.1 I／0方式2.3.2 中斷系統(tǒng)2.4 通道處理機(jī)2.4.1 通道的作用和功能2.4.2 通道的工作過(guò)程2.4.3 通道的類(lèi)型2.5 I／0處理機(jī)2.5.1 I／O處理機(jī)的作用2.5.2 I／O處理機(jī)的種類(lèi)2.6 習(xí)題第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng)3.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)原理3.1.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的定義3.1.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)3.1.3 頻帶平衡3.1.4 存儲(chǔ)器并行訪問(wèn)3.1.5 交叉訪問(wèn)存儲(chǔ)器3.2 相聯(lián)存儲(chǔ)器3.3 高速緩沖存儲(chǔ)器3.3.1 Cache的基本概念3.3.2 Cache的組成與工作原理3.3.3 地址映像與變換3.3.4 Cache置換策略與主存更新方法3.3.5 Cache一致性問(wèn)題3.3.6 Cache系統(tǒng)的加速比3.3.7 微機(jī)Cache系統(tǒng)3.4 虛擬存儲(chǔ)器3.4.1 存儲(chǔ)器管理方式3.4.2 虛擬存儲(chǔ)器的工作原理3.4.3 地址的映像與變換3.4.4 段式虛擬存儲(chǔ)器3.4.5 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器3.4.6 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器3.4.7 加快內(nèi)部地址變換的方法3.4.8 頁(yè)面替換算法3.4.9 提高主存命中率的方法3.4.10 微機(jī)的虛擬存儲(chǔ)器3.5 存儲(chǔ)器保護(hù)技術(shù)3.6 習(xí)題第4章 流水線技術(shù)4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性概念4.1.1 并行性概念4.1.2 并行處理的發(fā)展4.2.流水線結(jié)構(gòu)原理4.2.1 一次重疊流水線4.2.2 流水技術(shù)原理4.2.3 流水線分類(lèi)4.2.4 流水線性能的分析4.2.5 流水線中的主要障礙與控制4.2.6 非線性流水線調(diào)度4.3 向量處理技術(shù)4.3.1 向量的流水處理4.3.2 向量處理機(jī)4.4 指令級(jí)并行技術(shù)4.4.1 超標(biāo)量處理機(jī)4.4.2 超長(zhǎng)指令處理機(jī)4.4.3 超流水線處理機(jī)4.5 習(xí)題第5章 RISC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)5.1 RISC技術(shù)概述5.1.1 CISC的主要問(wèn)題5.1.2 RISC的定義及特點(diǎn)5.2 大寄存器組5.2.1 寄存器窗口5.2.2 寄存器組與Cache5.3 RISC流水線技術(shù)5.3.1 規(guī)整指令的流水線技術(shù)5.3.2 流水線優(yōu)化5.4 RISC指令結(jié)構(gòu)5.5 刪處理器5.5.1 ARM32位CPIJ起源5.5.2 ARM寄存器結(jié)構(gòu)5.5.3 ARM指令系統(tǒng)5.5.4 ARM尋址方式5.6 習(xí)題第6章 多處理機(jī)系統(tǒng)6.1 多處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.1.1 緊耦合多處理機(jī)6.1.2 松耦合多處理機(jī)6.1.3 多處理機(jī)中Cnche的一致性6.2 并行多處理機(jī)技術(shù)6.2.1 程序并行性分析6.2.2 并行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言6.2.3 多處理機(jī)操作系統(tǒng)6.2.4 多處理機(jī)調(diào)度策略6.3 向量處理機(jī)6.3.1 向量處理的基本概念6.3.2 向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)6.3.3 向量處理機(jī)的性能評(píng)價(jià)6.4 互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)6.4.1 互連網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)6.4.2 單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)6.4.3 基本循環(huán)互連網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)6.4.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6.5 多處理機(jī)實(shí)例6.5.1 大規(guī)模并行處理機(jī)6.5.2 sMP共享存儲(chǔ)型多處理機(jī)6.5.3 機(jī)群系統(tǒng)6.6 習(xí)題第7章 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.1 分布式系統(tǒng)7.1.1 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)7.1.2 分布式系統(tǒng)的目標(biāo)7.1.3 分布式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)7.1.4 分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.2 集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7.2.1 集群系統(tǒng)的特點(diǎn)7.2.2 集群系統(tǒng)的分類(lèi)7.2.3 集群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.2.4 集群系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)7.2.5 集群系統(tǒng)的軟件甲臺(tái)7.2.6 集群系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法7.2.7 集群系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)7.3 網(wǎng)格技術(shù)7.3.1 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)7.3.2 五層沙漏體系結(jié)構(gòu)7.3.3 開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)7.3.4 Web服務(wù)資源框架7.3.5 網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)7.4 習(xí)題……第8章 非控制流計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)附錄 習(xí)題答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）的概念是Buchholz于1962年在描述M7030計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展性時(shí)首先提出的，主要指計(jì)算機(jī)的外貌，也稱(chēng)外特性。1964年，IBM370的主設(shè)計(jì)師Amdahl給出了它的定義：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是程序員所看到的計(jì)算機(jī)的基本屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。對(duì)于不同層次的程序員來(lái)說(shuō)，由于使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言不同，可能看到的概念性結(jié)構(gòu)與功能特性就會(huì)有所不同。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的結(jié)構(gòu)，它是軟件和硬件／固件的主要交界面，是使編制的機(jī)器語(yǔ)言程序、匯編語(yǔ)言源程序，以及將高級(jí)語(yǔ)言源程序編譯生成的機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序，能在機(jī)器上正確運(yùn)行所應(yīng)看到的計(jì)算機(jī)屬性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與匯編語(yǔ)言程序或機(jī)器語(yǔ)言程序所能實(shí)現(xiàn)的功能，以及要用到的數(shù)據(jù)類(lèi)型、尋址方式等密切相關(guān)。1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是一種包括機(jī)器硬件、指令系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用程序和用戶(hù)接口的集成系統(tǒng)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同的求解問(wèn)題可能需要不同的計(jì)算機(jī)資源，這與求解問(wèn)題的性質(zhì)有關(guān)。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始使用不同的高級(jí)語(yǔ)言編程，站在不同的語(yǔ)言層面上使用計(jì)算機(jī)。不同的語(yǔ)言層面即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)，它是描述控制流程的，有一定規(guī)則的字符集合的“計(jì)算機(jī)語(yǔ)言”。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言并不專(zhuān)屬軟件范疇，它可以分屬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)層次，分別對(duì)該層次的控制流程進(jìn)行描述?；趯?duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言廣義的理解，可以把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看成是由多級(jí)“虛擬”計(jì)算機(jī)所組成的。從語(yǔ)言功能層次上劃分，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中的每一層對(duì)應(yīng)一種“機(jī)器”，為該層的操作者所使用。操作者通過(guò)該層的語(yǔ)言與“機(jī)器”對(duì)話(huà)或交互信息，而不必關(guān)心其內(nèi)層的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，即計(jì)算機(jī)的透明性。

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