計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程

前言

本書適用于重點(diǎn)高等院校的計算機(jī)、自動化以及電子工程等相關(guān)專業(yè)本科生和研究生。在內(nèi)容的選取上，本書不僅強(qiáng)調(diào)采用目前國際上流行的量化分析方法，注意介紹新技術(shù)和新方法，而且還注重對經(jīng)典的結(jié)構(gòu)和思想等的論述和分析。本書借鑒了國內(nèi)外經(jīng)典的相關(guān)教材，吸取了它們各自的優(yōu)點(diǎn)，并將其內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合在了一起?！坝嬎銠C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計算機(jī)領(lǐng)域的一門重要學(xué)科。它強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機(jī)系統(tǒng)。通過學(xué)習(xí)這本書，讀者能把在“計算機(jī)組成原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“操作系統(tǒng)”等課程中所學(xué)的軟、硬件知識有機(jī)地結(jié)合起來，從而建立起計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。本教材的主要特點(diǎn)是：(1) 取材先進(jìn)，體系完整，覆蓋面廣，深度與廣度相結(jié)合，適合于重點(diǎn)大學(xué)；(2) 重點(diǎn)突出，可讀性好，語言簡練，通俗易懂；(3) 參考國際上最經(jīng)典的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材，強(qiáng)調(diào)采用量化分析方法。這種方法使我們能更具體、實(shí)際地分析和設(shè)計計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。全書共有13章。各章內(nèi)容如下：第1章講述計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和并行性的發(fā)展，并介紹定量分析基礎(chǔ)。第2章為“指令系統(tǒng)的設(shè)計”，講述計算機(jī)指令系統(tǒng)設(shè)計的各個方面，包括指令系統(tǒng)的分類、尋址技術(shù)、功能設(shè)計、格式設(shè)計以及指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)，并且介紹一種RISC計算機(jī)——MIPS的指令系統(tǒng)。第3章為“流水線技術(shù)”，講述流水線的基本概念、分類、性能分析、非線性流水線的調(diào)度，介紹流水線中的相關(guān)和沖突問題及其解決方法，并以MIPS為例討論流水線的實(shí)現(xiàn)。第4章為“向量處理機(jī)”，講述向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、提高向量處理機(jī)性能的方法以及向量處理機(jī)的性能評價，并介紹了3個向量處理機(jī)實(shí)例。第5章和第6章分別講述如何用硬件和軟件的方法來開發(fā)指令級并行。第5章包括指令級并行的概念、記分牌和Tomasulo動態(tài)調(diào)度算法、基于硬件的前瞻執(zhí)行以及多指令流出技術(shù)等。第6章包括循環(huán)展開和基本指令調(diào)度、跨越基本塊的靜態(tài)指令調(diào)度、VLIW技術(shù)、顯式指令并行執(zhí)行EPIC等，并介紹了一個實(shí)例——Intel Itanium 處理器。第7章為“存儲系統(tǒng)”，講述cache的基本知識、降低cache不命中率的方法、減少cache不命中開銷的方法以及減少命中時間的方法，并對并行主存和虛擬存儲器做了簡要的討論。最后，還介紹了一個存儲層次實(shí)例——AMD Opteron的存儲器層次結(jié)構(gòu)。第8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(jī)及其流量分析，并詳細(xì)論述了廉價磁盤冗余陣列RAID. 第9章為“互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”，講述互聯(lián)函數(shù)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)、靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及消息傳遞機(jī)制等。第10章為“多處理機(jī)”，講述對稱式共享存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式共享存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多cache一致性、同步、同時多線程以及MPP，并介紹了兩個多處理機(jī)實(shí)例。

內(nèi)容概要

　　本書借鑒了國內(nèi)外最經(jīng)典的相關(guān)教材，系統(tǒng)地論述了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)、基本方法等，強(qiáng)調(diào)從開發(fā)并行性的角度，用量化分析（性能評價）的方法來研究和分析計算機(jī)系統(tǒng)?！　∪珪灿?3章。第1章介紹基本概念、并行性的發(fā)展和定量分析基礎(chǔ)。第2章介紹計算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計和MIPS指令系統(tǒng)。第3章介紹流水線技術(shù)，包括性能分析、調(diào)度、相關(guān)和沖突以及流水線的實(shí)現(xiàn)。第4章介紹向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和性能評價。第5章和第6章分別講述如何用硬件和軟件的方法來開發(fā)指令級并行性，包括記分牌和Tomasulo算法、基于硬件的前瞻執(zhí)行、多指令流出技術(shù)、循環(huán)展開、VLIW、EPIC等。第7章介紹存儲層次，重點(diǎn)講述Cache的基本知識及提高Cache性能的各種方法。第8章介紹總線、通道處理機(jī)和RAID。第9章介紹互連網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)、靜／動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)以及消息傳遞機(jī)制等。第10章介紹SMP、DSM、MPP等并行計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，論述多Cache一致性、同步、同時多線程。最后3章分別介紹機(jī)群計算機(jī)、陣列處理機(jī)、數(shù)據(jù)流計算機(jī)?！　”緯鴥?nèi)容豐富，實(shí)例具體，語言簡練，可讀性好，通俗易懂，可作為高等院校計算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書，也可供相關(guān)科技人員參考。

作者簡介

　　張晨曦，男，1960年9月生，漢族，福建龍巖人。他現(xiàn)任同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家級“中青年有突出貢獻(xiàn)專家”，國家杰出青年基金獲得者，先后主持了4項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。1988年獲博士學(xué)位，后一直在國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院工作，2005年9月調(diào)入同濟(jì)大學(xué)。

書籍目錄

第1章 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識　1.1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念　　1.1.1 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)　　1.1.2 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義　　1.1.3 計算機(jī)組成和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)　　1.1.4 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類　1.2 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計　　1.2.1 計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的定量原理　　1.2.2 計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)　　1.2.3 計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的主要方法　1.3 計算機(jī)系統(tǒng)的性能評測　1.4 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展　　1.4.1 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)　　1.4.2 軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響　　1.4.3 器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響　　1.4.4 應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響　1.5 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展　　1.5.1 并行性的概念　　1.5.2 提高并行性的技術(shù)途徑　　1.5.3 單機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展　　1.5.4 多機(jī)系統(tǒng)中并行性的發(fā)展　　1.5.5 并行機(jī)的發(fā)展變化　習(xí)題1第2章 指令系統(tǒng)的設(shè)計　2.1 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類　2.2 尋址方式　2.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化　　2.3.1 指令系統(tǒng)設(shè)計的基本原則　　2.3.2 控制指令　　2.3.3 指令操作碼的優(yōu)化　　2.3.4 指令字格式的優(yōu)化　2.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)　　2.4.1 沿CISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)　　2.4.2 沿RISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)　2.5 操作數(shù)的類型和大小　2.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　　2.6.1 MIPS的寄存器　　2.6.2 MIPS的數(shù)據(jù)表示　　2.6.3 MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式　　2.6.4 MIPS的指令格式　　2.6.5 MIPS的操作　　2.6.6 MIPS的控制指令　　2.6.7 MIPS的浮點(diǎn)操作　習(xí)題2第3章 流水線技術(shù)　3.1 流水線的基本概念　　3.1.1 什么是流水線　　3.1.2 流水線的分類　3.2 流水線的性能指標(biāo)　　3.2.1 流水線的吞吐率　　3.2.2 流水線的加速比　　3.2.3 流水線的效率　　3.2.4 流水線性能分析舉例　　3.2.5 流水線設(shè)計中的若干問題　3.3 非線性流水線的調(diào)度　　3.3.1 單功能非線性流水線的最優(yōu)調(diào)度　　3.3.2 多功能非線性流水線的調(diào)度　3.4 流水線的相關(guān)與沖突　　3.4.1 一條經(jīng)典的5段流水線　　3.4.2 相關(guān)與流水線沖突　3.5 流水線的實(shí)現(xiàn)　　3.5.1 MIPS的一種簡單實(shí)現(xiàn)　　3.5.2 基本的MIPS流水線　習(xí)題3第4章 向量處理機(jī)第5章 指令級并行及其開發(fā)——硬件方法第6章 指令級并行的開發(fā)——軟件方法第7章 存儲系統(tǒng)第8章 輸入輸出系統(tǒng)第9章 互連網(wǎng)絡(luò)第10章 多處理機(jī)第11章 機(jī)群系統(tǒng)第12章 陣列處理機(jī)第13章 數(shù)據(jù)流計算機(jī)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：在后面的討論中，我們約定：當(dāng)一條指令被暫停時，在該暫停指令之后流出的所有指令都要被暫停，而在該暫停指令之前流出的指令則繼續(xù)進(jìn)行。顯然，在整個暫停期間，流水線不會啟動新的指令。1）結(jié)構(gòu)沖突在流水線處理機(jī)中，如果某種指令組合因?yàn)橘Y源沖突而不能正常執(zhí)行，則稱該處理機(jī)有結(jié)構(gòu)沖突。為了能夠使各種組合的指令都能順利地重疊執(zhí)行，需要對功能部件進(jìn)行全流水處理或重復(fù)設(shè)置足夠多的資源。下面以訪存沖突為例來說明結(jié)構(gòu)沖突及其解決辦法。有些流水線處理機(jī)只有一個存儲器，數(shù)據(jù)和指令都存放在這個存儲器中。在這種情況下，當(dāng)執(zhí)行l(wèi)oad指令需要訪存取數(shù)時，若又要同時完成其后某條指令的“取指令”，那么就會發(fā)生訪存沖突，如圖3．20中帶陰影的“M”所示。為了消除這個結(jié)構(gòu)沖突，可以在前一條指令訪問存儲器時，將流水線停頓一個時鐘周期，推遲后面取指令的操作，如圖3．21所示。該停頓周期往往被稱為“流水線氣泡”，簡稱“氣泡”。

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