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)專業(yè)的學(xué)生學(xué)完“數(shù)字邏輯與電路”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“匯編語言程序設(shè)計(jì)”、“編譯原理”和“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”課后開設(shè)的一門專業(yè)主干課程。它不僅涉及硬件，還涉及軟件；不僅涉及基礎(chǔ)理論，還涉及新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展。因此，通過該門課程的學(xué)習(xí)，可把學(xué)生的專業(yè)水平提升到一個(gè)更高的層面。對(duì)于電類各專業(yè)的研究生，有利于他們開闊視野，了解各類計(jì)算機(jī)的組成與體系結(jié)構(gòu)，以便在以后的工作中用好計(jì)算機(jī)，為其所學(xué)專業(yè)服務(wù)。本書第一版于2006年2月由電子工業(yè)出版社出版，全國(guó)發(fā)行。它內(nèi)容清晰，語言簡(jiǎn)練，且配有電子教案，受到許多院校授課教師的好評(píng)。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，故經(jīng)修改，再次出版?！　⌒薷臅r(shí)，刪除了個(gè)別繁雜之處，補(bǔ)充了一些新的知識(shí)和例題，對(duì)個(gè)別章節(jié)做了調(diào)整，從而使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次概念更加清晰準(zhǔn)確，有利于學(xué)生及時(shí)了解計(jì)算機(jī)的新發(fā)展和新水平，有利于學(xué)生學(xué)以致用?！　∪珪譃?章，其中第1章講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、類型、性能分析方法及發(fā)展過程；第2章講述數(shù)據(jù)的類型與表示、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、GISO與R，ISE；計(jì)算機(jī)的性能比較；第3章講述存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的基本原理、虛擬存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）及其管理模式；第4章講述標(biāo)量流水線工作原理、流水線中的主要障礙與處理方法、流水線的實(shí)現(xiàn)與控制方法；第5章講述向量處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與類型、向量處理方式、快速向量處理技術(shù)、向量處理機(jī)實(shí)例及其性能分析；第6章講述互連網(wǎng)絡(luò)的作用、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、類型、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；第7章講述并行處理機(jī)的基本概念、開發(fā)策略，SIMD陣列機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、并行算法、并行存儲(chǔ)器的無沖突訪問、典型SIMD陣列機(jī)舉例與應(yīng)用、脈動(dòng)陣列機(jī)的工作原理；第8章講述多處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、類型，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)語言、Ga，c11e一致性，以及并行處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)例；第9章講述數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、歸約機(jī)以及人工智能計(jì)算機(jī)的基本原理、實(shí)現(xiàn)方式及體系結(jié)構(gòu)。參考學(xué)時(shí)為64學(xué)時(shí)?！　⌒薷臅r(shí)，作者仍牢牢把握知識(shí)結(jié)構(gòu)完備、層次分明、概念清楚、語言簡(jiǎn)練、既能講清基本理論又能反映最新技術(shù)的原則。通過增加例題，進(jìn)一步把理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解?！　∮捎诰幷咚接邢?，難免存在一些謬誤之處，誠(chéng)請(qǐng)同行教師與讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　“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)的一門主干課程。其目的在于向?qū)W生講授計(jì)算機(jī)的各種體系結(jié)構(gòu)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握設(shè)計(jì)新型計(jì)算機(jī)的思想、方法和步驟。全書共分為9章，分別介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、類型、性能分析方法及其發(fā)展過程，計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的類型與表示、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想以及CISC與RISC計(jì)算機(jī)的性能比較，存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的基本原理、虛擬存儲(chǔ)器、Cache及其管理模式，標(biāo)量流水線工作原理、流水線的實(shí)現(xiàn)與控制方法，向量處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與類型、向量處理方法、快速向量處理技術(shù)及其性能分析，互連網(wǎng)絡(luò)的作用、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、類型、結(jié)構(gòu)、互連函數(shù)以及消息傳輸方式，并行處理機(jī)的基本概念、開發(fā)策略、SIMD陣列機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、并行存儲(chǔ)器無沖突訪問以及脈動(dòng)陣列機(jī)的組成與工作原理，多處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、類型、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)語言、Cache的一致性以及并行處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、歸約機(jī)以及人工智能計(jì)算機(jī)的基本原理、體系結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法以及計(jì)算機(jī)的最新發(fā)展思路?！　　队?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》適合作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教材，也可供電類各專業(yè)研究生使用。

書籍目錄

第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1．1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展史1．2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義1．2．1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1．2．2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵1．2．3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)1．3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的類型1．3．1 按“流”分類1．3．2 按“并行級(jí)”和“流水線”分類1．3．3 馮氏分類法1．4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能分析1．4．1 定量分析法1．4．2 CPU性能分析1．4．3 MIPS與MFLOPS指標(biāo)1．4．4 性能測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與比較1．5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程1．5．1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變過程1．5．2 軟件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1．5．3 應(yīng)用需求對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1．5．4 器件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1．5．5 算法對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1．6 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成本、性能與價(jià)格1．6．1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成本與價(jià)格1．6．2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能與價(jià)格練習(xí)與思考第2章 數(shù)據(jù)的表示與指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)2．1 數(shù)據(jù)類型與表示2．1．1 數(shù)據(jù)類型2．1．2 數(shù)據(jù)表示2．1．3 定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)2．1．4 向量數(shù)據(jù)表示2．1．5 自定義數(shù)據(jù)表示2．2 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)2．2．1 指令系統(tǒng)的發(fā)展及其風(fēng)格2．2．2 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與分類2．2．3 地址分配與尋址方式2．2．4 按內(nèi)容尋址方式2．2．5 指令格式與優(yōu)化設(shè)計(jì)2．2．6 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舉例2．3 CISC計(jì)算機(jī)和RISC計(jì)算機(jī)2．3．1 CISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)2．3．2 RISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與風(fēng)格2．3．3 CISC計(jì)算機(jī)和RISC計(jì)算機(jī)性能比較2．3．4 RISC計(jì)算機(jī)中的新技術(shù)2．3．5 RISC計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)實(shí)例分析練習(xí)與思考第3章 存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)3．1 概述3．1．1 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)3．1．2 基本概念與性能參數(shù)3．1．3 多體并行存儲(chǔ)器3．1．4 磁盤陣列3．2 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）3．2．1 Cache的基本概念3．2．2 Cache的組成與工作原理3．2．3 地址映像與變換3．2．4 Cache置換策略與主存更新方法3．2．5 Cache性能分析3．3 虛擬存儲(chǔ)器3．3．1 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念3．3．2 虛擬存儲(chǔ)器的管理方式3．3．3 虛擬地址快速變換法3．3．4 置換策略3．3．5 虛擬存儲(chǔ)器管理舉例3．4 存儲(chǔ)器保護(hù)措施練習(xí)與思考第4章 標(biāo)量流水線技術(shù)4．1 概述4．1．1 控制流及其改變4．1．2 程序執(zhí)行過程中的重疊操作與先行控制4．2 標(biāo)量流水線工作原理4．2．1 標(biāo)量流水線工作原理4．2．2 標(biāo)量流水線分類4．2．3 流水線性能分析4．2．4 流水線中的主要障礙4．2．5 流水線的實(shí)現(xiàn)與控制4．2．6 流水線的動(dòng)態(tài)調(diào)度4．3 指令級(jí)流水線4．3．1 指令級(jí)流水線概述4．3．2 超級(jí)標(biāo)量流水線4．3．3 超長(zhǎng)指令字4．3．4 展開循環(huán)體后調(diào)度4．3．5 軟件流水法4．3．6 超級(jí)流水機(jī)舉例練習(xí)與思考第5章 向量流水與向量處理機(jī)5．1 向量流水的概念與工作原理5．1．1 向量流水的概念與特點(diǎn)5．1．2 向量處理機(jī)的基本組成5．1．3 向量啟動(dòng)時(shí)間與結(jié)果流出時(shí)間5．1．4 向量操作長(zhǎng)度控制與向量訪問步長(zhǎng)5．2 向量處理與增強(qiáng)向量處理性能的方法5．2．1 向量處理方法5．2．2 增強(qiáng)向量處理性能的方法5．3 向量處理性能的評(píng)價(jià)參數(shù)與評(píng)價(jià)方法5．3．1 機(jī)器向量長(zhǎng)度與向量流水處理時(shí)間5．3．2 向量流水操作中處理時(shí)間及速率與向量長(zhǎng)度的關(guān)系5．3．3 向量流水處理中與向量長(zhǎng)度有關(guān)的參數(shù)5．4 向量化編譯技術(shù)5．5 向量處理機(jī)舉例5．5．1 多向量多處理機(jī)CRAYY-MP8165．5．2 C一90處理機(jī)練習(xí)與思考第6章 互連網(wǎng)絡(luò)6．1 互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念6．1．1 互連網(wǎng)絡(luò)的功能與特征6．1．2 互連函數(shù)6．2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)6．2．1 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)6．2．2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)特性6．3 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)6．3．1 總線互連方式6．3．2 交叉開關(guān)互連方式6．3．3 多級(jí)網(wǎng)絡(luò)互連方式6．4 消息傳送與控制6．4．1 消息尋徑方式6．4．2 虛擬通道與死鎖6．4．3 流控制策略練習(xí)與思考第7章 并行處理技術(shù)與陣列機(jī)原理7．1 并行處理技術(shù)7．1．1 并行處理的基本概念7．1．2 并行性的開發(fā)途徑7．2 SIMD陣列機(jī)7．2．1 SIMD陣列機(jī)的基本結(jié)構(gòu)7．2．2 陣列機(jī)并行算法7．2．3 SIMD陣列機(jī)的特點(diǎn)7．2．4 并行存儲(chǔ)器無沖突訪問7．2．5 典型SIMD陣列機(jī)舉例7．3 脈動(dòng)陣列機(jī)7．3．1 脈動(dòng)陣列機(jī)的組成原理7．3．2 面向特定算法的脈動(dòng)陣列機(jī)的結(jié)構(gòu)形式7．3．3 通用脈動(dòng)陣列機(jī)的結(jié)構(gòu)練習(xí)與思考第8章 多處理機(jī)8．1 多處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與類型8．1．1 緊耦合多處理機(jī)8．1．2 松耦合多處理機(jī)8．1．3 多處理機(jī)中Cache的一致性8．2 并行多處理機(jī)技術(shù)8．2．1 程序并行性分析8．2．2 并行程序設(shè)計(jì)語言8．2．3 多處理機(jī)操作系統(tǒng)8．2．4 多處理機(jī)調(diào)度策略8．3 并行多處理機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)8．3．1 大規(guī)模并行處理機(jī)8．3．2 MPP機(jī)舉例……第9章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

章節(jié)摘錄

　　2.結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型　　結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型是由一組相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)元素復(fù)合而成的數(shù)據(jù)類型，這種相互之間的關(guān)聯(lián)稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型一般不能直接由硬件表示和識(shí)別，而需要通過映像的方式存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器的一維空間中去。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型中的數(shù)據(jù)元素可以是基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，也可以是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型中的元素。這種結(jié)構(gòu)在編譯時(shí)被確定，執(zhí)行時(shí)一般不允許改變。常見的向量、數(shù)組、字符串、堆棧、隊(duì)列、記錄等，都屬于結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型。其中，向量和數(shù)組中的元素具有相同的類型；字符串常用若干個(gè)ASCII碼表示；堆棧和隊(duì)列中的元素是在機(jī)器運(yùn)行時(shí)生成的，可以籠統(tǒng)地視為二進(jìn)制串；在記錄中，數(shù)據(jù)元素的類型往往是不一樣的，可以是整型數(shù)據(jù)、實(shí)型數(shù)據(jù)、字符串或其他類型。　　在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型中，向量、數(shù)組、字符串、記錄等，一般由用戶定義和使用；堆?？梢杂捎脩舳x和使用，也可以由操作系統(tǒng)定義和使用；隊(duì)列通常只在操作系統(tǒng)中定義和使用。除此之外，還有圖、表、樹及鏈表等，也是在操作系統(tǒng)中定義和使用的。2.1.2數(shù)據(jù)表示　　1.數(shù)據(jù)表示　　數(shù)據(jù)表示是指計(jì)算機(jī)硬件能夠直接表示和識(shí)別的數(shù)據(jù)的形式。它研究的是由硬件能夠直接表示和識(shí)別，由指令系統(tǒng)能夠直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。因此，數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型有著密切的關(guān)系。例如，要直接識(shí)別和處理整型數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)就必須具有相應(yīng)的指令和用于整型數(shù)據(jù)的運(yùn)算部件；要直接識(shí)別和處理浮點(diǎn)數(shù)，就必須要有浮點(diǎn)運(yùn)算的指令和浮點(diǎn)運(yùn)算器；要直接識(shí)別和處理布爾型數(shù)據(jù)，就必須要有邏輯運(yùn)算指令和進(jìn)行邏輯運(yùn)算的部件。　　數(shù)據(jù)表示所研究的數(shù)據(jù)類型一般是常用的和比較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)類型，如整型數(shù)據(jù)、實(shí)型數(shù)據(jù)、布爾數(shù)據(jù)、字符串、堆棧等；在向量機(jī)中，向量能夠被硬件直接識(shí)別，可通過向量指令來處理?！　?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的是面向系統(tǒng)軟件和某些應(yīng)用領(lǐng)域所需要處理的數(shù)據(jù)類型，它研究數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系與算法。除了數(shù)據(jù)表示所研究的數(shù)據(jù)之外，其他數(shù)據(jù)一般都屬于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所要研究的內(nèi)容。

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