計算機系統(tǒng)結構教程

前言

　　“計算機系統(tǒng)結構”是計算機專業(yè)的學生學完“數(shù)字邏輯與電路”、“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“匯編語言程序設計”、“編譯原理”和“高級語言程序設計”課后開設的一門專業(yè)主干課程。它不僅涉及硬件，還涉及軟件；不僅涉及基礎理論，還涉及新型計算機系統(tǒng)結構的研究與發(fā)展。因此，通過該門課程的學習，可把學生的專業(yè)水平提升到一個更高的層面。對于電類各專業(yè)的研究生，有利于他們開闊視野，了解各類計算機的組成與體系結構，以便在以后的工作中用好計算機，為其所學專業(yè)服務。本書第一版于2006年2月由電子工業(yè)出版社出版，全國發(fā)行。它內(nèi)容清晰，語言簡練，且配有電子教案，受到許多院校授課教師的好評。同時，也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，故經(jīng)修改，再次出版?！　⌒薷臅r，刪除了個別繁雜之處，補充了一些新的知識和例題，對個別章節(jié)做了調(diào)整，從而使計算機系統(tǒng)結構的層次概念更加清晰準確，有利于學生及時了解計算機的新發(fā)展和新水平，有利于學生學以致用。　　全書分為9章，其中第1章講述計算機系統(tǒng)的層次結構、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)的設計思想、GISO與R，ISE；計算機的性能比較；第3章講述存儲器體系結構的基本原理、虛擬存儲器、高速緩沖存儲器（cache）及其管理模式；第4章講述標量流水線工作原理、流水線中的主要障礙與處理方法、流水線的實現(xiàn)與控制方法；第5章講述向量處理機的體系結構與類型、向量處理方式、快速向量處理技術、向量處理機實例及其性能分析；第6章講述互連網(wǎng)絡的作用、設計準則、類型、結構、互連函數(shù)以及互連網(wǎng)絡中的消息傳遞方式；第7章講述并行處理機的基本概念、開發(fā)策略，SIMD陣列機的基本結構、并行算法、并行存儲器的無沖突訪問、典型SIMD陣列機舉例與應用、脈動陣列機的工作原理；第8章講述多處理機的基本結構、類型，多處理機中的并行處理技術、操作系統(tǒng)、算法、程序設計語言、Ga，c11e一致性，以及并行處理技術的發(fā)展趨勢與實例；第9章講述數(shù)據(jù)流計算機、歸約機以及人工智能計算機的基本原理、實現(xiàn)方式及體系結構。參考學時為64學時。　　修改時，作者仍牢牢把握知識結構完備、層次分明、概念清楚、語言簡練、既能講清基本理論又能反映最新技術的原則。通過增加例題，進一步把理論教學與實際應用結合起來，以加深學生對理論知識的理解?！　∮捎诰幷咚接邢?，難免存在一些謬誤之處，誠請同行教師與讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　“計算機系統(tǒng)結構”是計算機科學與技術專業(yè)的一門主干課程。其目的在于向?qū)W生講授計算機的各種體系結構，使學生學習和掌握設計新型計算機的思想、方法和步驟。全書共分為9章，分別介紹了計算機系統(tǒng)的層次結構、類型、性能分析方法及其發(fā)展過程，計算機中數(shù)據(jù)的類型與表示、指令系統(tǒng)的設計思想以及CISC與RISC計算機的性能比較，存儲器體系結構的基本原理、虛擬存儲器、Cache及其管理模式，標量流水線工作原理、流水線的實現(xiàn)與控制方法，向量處理機的體系結構與類型、向量處理方法、快速向量處理技術及其性能分析，互連網(wǎng)絡的作用、設計準則、類型、結構、互連函數(shù)以及消息傳輸方式，并行處理機的基本概念、開發(fā)策略、SIMD陣列機的基本結構、并行存儲器無沖突訪問以及脈動陣列機的組成與工作原理，多處理機的基本結構、類型、多處理機中的并行處理技術、操作系統(tǒng)、算法、程序設計語言、Cache的一致性以及并行處理技術的發(fā)展趨勢，數(shù)據(jù)流計算機、歸約機以及人工智能計算機的基本原理、體系結構、實現(xiàn)方法以及計算機的最新發(fā)展思路。　　《計算機系統(tǒng)結構教程》適合作為高等院校計算機科學與技術專業(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 計算機系統(tǒng)結構的基本概念1．1 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展史1．2 計算機系統(tǒng)結構的定義1．2．1 計算機系統(tǒng)的層次結構1．2．2 計算機系統(tǒng)結構的內(nèi)涵1．2．3 計算機系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)1．3 計算機系統(tǒng)結構的類型1．3．1 按“流”分類1．3．2 按“并行級”和“流水線”分類1．3．3 馮氏分類法1．4 計算機系統(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1．4．4 性能測試結果的統(tǒng)計與比較1．5 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展過程1．5．1 計算機系統(tǒng)結構的演變過程1．5．2 軟件對計算機系統(tǒng)結構發(fā)展的影響1．5．3 應用需求對計算機系統(tǒng)結構發(fā)展的影響1．5．4 器件對計算機系統(tǒng)結構發(fā)展的影響1．5．5 算法對計算機系統(tǒng)結構發(fā)展的影響1．6 計算機系統(tǒng)的成本、性能與價格1．6．1 計算機系統(tǒng)的成本與價格1．6．2 計算機系統(tǒng)的性能與價格練習與思考第2章 數(shù)據(jù)的表示與指令系統(tǒng)設計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 定點數(shù)與浮點數(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)設計2．2．1 指令系統(tǒng)的發(fā)展及其風格2．2．2 指令系統(tǒng)的設計要求與分類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)化設計2．2．6 指令系統(tǒng)結構舉例2．3 CISC計算機和RISC計算機2．3．1 CISC計算機的特點2．3．2 RISC計算機的特點與風格2．3．3 CISC計算機和RISC計算機性能比較2．3．4 RISC計算機中的新技術2．3．5 RISC計算機指令系統(tǒng)實例分析練習與思考第3章 存儲器體系結構3．1 概述3．1．1 存儲器的層次結構3．1．2 基本概念與性能參數(shù)3．1．3 多體并行存儲器3．1．4 磁盤陣列3．2 高速緩沖存儲器（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 虛擬存儲器3．3．1 虛擬存儲器的基本概念3．3．2 虛擬存儲器的管理方式3．3．3 虛擬地址快速變換法3．3．4 置換策略3．3．5 虛擬存儲器管理舉例3．4 存儲器保護措施練習與思考第4章 標量流水線技術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 標量流水線工作原理4．2．1 標量流水線工作原理4．2．2 標量流水線分類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 流水線的實現(xiàn)與控制4．2．6 流水線的動態(tài)調(diào)度4．3 指令級流水線4．3．1 指令級流水線概述4．3．2 超級標量流水線4．3．3 超長指令字4．3．4 展開循環(huán)體后調(diào)度4．3．5 軟件流水法4．3．6 超級流水機舉例練習與思考第5章 向量流水與向量處理機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5．1．2 向量處理機的基本組成5．1．3 向量啟動時間與結果流出時間5．1．4 向量操作長度控制與向量訪問步長5．2 向量處理與增強向量處理性能的方法5．2．1 向量處理方法5．2．2 增強向量處理性能的方法5．3 向量處理性能的評價參數(shù)與評價方法5．3．1 機器向量長度與向量流水處理時間5．3．2 向量流水操作中處理時間及速率與向量長度的關系5．3．3 向量流水處理中與向量長度有關的參數(shù)5．4 向量化編譯技術5．5 向量處理機舉例5．5．1 多向量多處理機CRAYY-MP8165．5．2 C一90處理機練習與思考第6章 互連網(wǎng)絡6．1 互連網(wǎng)絡的基本概念6．1．1 互連網(wǎng)絡的功能與特征6．1．2 互連函數(shù)6．2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡6．2．1 靜態(tài)互連網(wǎng)絡結構6．2．2 靜態(tài)互連網(wǎng)絡特性6．3 動態(tài)互連網(wǎng)絡6．3．1 總線互連方式6．3．2 交叉開關互連方式6．3．3 多級網(wǎng)絡互連方式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 流控制策略練習與思考第7章 并行處理技術與陣列機原理7．1 并行處理技術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7．2．1 SIMD陣列機的基本結構7．2．2 陣列機并行算法7．2．3 SIMD陣列機的特點7．2．4 并行存儲器無沖突訪問7．2．5 典型SIMD陣列機舉例7．3 脈動陣列機7．3．1 脈動陣列機的組成原理7．3．2 面向特定算法的脈動陣列機的結構形式7．3．3 通用脈動陣列機的結構練習與思考第8章 多處理機8．1 多處理機的基本結構與類型8．1．1 緊耦合多處理機8．1．2 松耦合多處理機8．1．3 多處理機中Cache的一致性8．2 并行多處理機技術8．2．1 程序并行性分析8．2．2 并行程序設計語言8．2．3 多處理機操作系統(tǒng)8．2．4 多處理機調(diào)度策略8．3 并行多處理機的發(fā)展趨勢8．3．1 大規(guī)模并行處理機8．3．2 MPP機舉例……第9章 計算機體系結構的發(fā)展

章節(jié)摘錄

　　2.結構數(shù)據(jù)類型　　結構數(shù)據(jù)類型是由一組相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)元素復合而成的數(shù)據(jù)類型，這種相互之間的關聯(lián)稱為數(shù)據(jù)結構。結構數(shù)據(jù)類型一般不能直接由硬件表示和識別，而需要通過映像的方式存儲到存儲器的一維空間中去。結構數(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)，也可以是結構數(shù)據(jù)類型中的元素。這種結構在編譯時被確定，執(zhí)行時一般不允許改變。常見的向量、數(shù)組、字符串、堆棧、隊列、記錄等，都屬于結構數(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ASCII碼表示；堆棧和隊列中的元素是在機器運行時生成的，可以籠統(tǒng)地視為二進制串；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)、實型數(shù)據(jù)、字符串或其他類型?！　≡诮Y構數(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)表示是指計算機硬件能夠直接表示和識別的數(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)類型有著密切的關系。例如，要直接識別和處理整型數(shù)據(jù)，計算機就必須具有相應的指令和用于整型數(shù)據(jù)的運算部件；要直接識別和處理浮點數(shù)，就必須要有浮點運算的指令和浮點運算器；要直接識別和處理布爾型數(shù)據(jù)，就必須要有邏輯運算指令和進行邏輯運算的部件?！　?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單的數(shù)據(jù)類型，如整型數(shù)據(jù)、實型數(shù)據(jù)、布爾數(shù)據(jù)、字符串、堆棧等；在向量機中，向量能夠被硬件直接識別，可通過向量指令來處理?！　?shù)據(jù)結構研究的是面向系統(tǒng)軟件和某些應用領域所需要處理的數(shù)據(jù)類型，它研究數(shù)據(jù)類型的邏輯結構與物理結構之間的關系與算法。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)結構所要研究的內(nèi)容。

圖書封面

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