計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，在學(xué)科領(lǐng)域中，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計(jì)算機(jī)學(xué)科中的一個(gè)二級學(xué)科。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從外部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象，是編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計(jì)算機(jī)的屬性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件、硬件功能分配和對軟件、硬件界面的確定，即確定哪些功能由軟件完成，哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)。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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對于培養(yǎng)系統(tǒng)地、自上而下地分析和解決問題的能力，以及培養(yǎng)抽象思維能力有非常重要的作用。通過學(xué)習(xí)本課程，能把在“計(jì)算機(jī)組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“匯編語言程序設(shè)計(jì)”等課程中所學(xué)的軟、硬件知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，從而建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，學(xué)習(xí)針對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法，掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。近年來，由于流水線技術(shù)、高速緩存技術(shù)、并行處理技術(shù)、多核處理器技術(shù)、片上系統(tǒng)、網(wǎng)格計(jì)算等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)生了重大變化。為適用這種變化，同時(shí)結(jié)合教學(xué)應(yīng)用型大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生特點(diǎn)，我們編寫了本書。參加本書編寫的人員來自不同本科院校，均為擔(dān)任計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的主講教師。在本書的編寫過程中，編寫者充分考慮了講授本課程的切身體會(huì)，以及學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)遇到的普遍性問題。貼近實(shí)際是本書的最大特色。本書除了著重論述體系結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法以外，還強(qiáng)調(diào)量化的分析方法，這種方法使學(xué)生能夠更具體、實(shí)際地分析和理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。本書最后一章簡要介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的主要研究進(jìn)展。為了便于因材施教和學(xué)生自學(xué)，對于偏難或者非基礎(chǔ)性的內(nèi)容，書中在相應(yīng)的章節(jié)的標(biāo)題前標(biāo)注了“※" 。教師可以根據(jù)具體學(xué)時(shí)，選擇本書的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講授。針對這些內(nèi)容的習(xí)題編號(hào)前則以“”標(biāo)注。本書內(nèi)容編排大體是按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程：馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)→改進(jìn)的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)→非馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)這條線索。以經(jīng)典馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（第2章）為基礎(chǔ)，介紹現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法以及相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果，主要包括：數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第3章），存儲(chǔ)系統(tǒng)（第4章），輸入輸出系統(tǒng)（第5章），流水線技術(shù)（第6章），并行處理機(jī)技術(shù)（第7章），以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)展（第8章）.本書由秦杰博士任主編，鄭麗萍任副主編，第2章由周口師范學(xué)院喬蕊老師編寫，第3、7章由河南工業(yè)大學(xué)鄭麗萍老師編寫，第4章由華北水利水電學(xué)院孫全紅老師編寫，第5章由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)孫昌霞老師編寫，第6章由河南工業(yè)大學(xué)王獻(xiàn)榮老師編寫，秦杰完成第1、8章的編寫，以及全書的統(tǒng)稿工作。限于作者的水平，錯(cuò)誤和不當(dāng)之處在所難免，請讀者批評指正。本書的內(nèi)容參考了國內(nèi)外有影響的相關(guān)書籍和教材，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面最新的研究論文，在此向相關(guān)作者表示感謝！本書的出版得到清華大學(xué)出版社領(lǐng)導(dǎo)以及戰(zhàn)曉雷編輯等相關(guān)人員的大力支持，在此表示感謝！

內(nèi)容概要

本書結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀，系統(tǒng)地講述現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法，并簡要介紹當(dāng)前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的主要進(jìn)展。    本書共8章：第1章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)；第2章簡要介紹馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)中CPU、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)以及系統(tǒng)總線的基本知識(shí)；第3章在介紹常用的數(shù)據(jù)表示方法和尋址方式的基礎(chǔ)上，講解指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其最新進(jìn)展；第4章介紹虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)、Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)以及Cache-主存-輔存三級存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)的地址映像及變換方法；第5章介紹基本輸入輸出方式、總線控制方式以及中斷方式的基本工作原理；第6章介紹標(biāo)量流水線、非線性流水線的基本概念與工作原理和調(diào)度策略，并簡要介紹指令級上高度并行的超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、超標(biāo)量超流水線處理機(jī)和超長指令字處理機(jī)的工作原理；第7章是并行處理機(jī)技術(shù)，介紹SIMD計(jì)算機(jī)、MIMD計(jì)算機(jī)的基本組成原理、類型和特點(diǎn)，以及與它們相關(guān)的互連網(wǎng)絡(luò)的工作原理；第8章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)展。每一章的內(nèi)容均包括內(nèi)容簡介、學(xué)習(xí)內(nèi)容、本章小結(jié)和習(xí)題。    本書重點(diǎn)講述現(xiàn)代主流計(jì)算機(jī)采用的比較成熟的設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)和方法等，力求內(nèi)容重點(diǎn)突出、論述簡潔、貼近實(shí)際。本書可以作為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教材，或者相關(guān)專業(yè)本、?？茖W(xué)生“計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)”課程的教材，也可以作為有關(guān)專業(yè)研究生和相關(guān)領(lǐng)域科技人員的參考書。

書籍目錄

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)結(jié)構(gòu)的基本概念    1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)    1.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)    1.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程    1.1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類  1.2 影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素    1.2.1 應(yīng)用對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響    1.2.2 算法對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響    1.2.3 軟件對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響    1.2.4 器件對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響  1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)    1.3.1 計(jì)算機(jī)性能的分析與評價(jià)    1.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評測標(biāo)準(zhǔn)  1.4 定量分析技術(shù)基礎(chǔ)    1.4.1大概率事件優(yōu)先原則    1.4.2 Amdahl定律      1.4.3 CPU性能公式    1.4.4程序的局部性原理  1.5 本章小結(jié)  習(xí)題1  第2章 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成  2.1 中央處理機(jī)    2.1.1 CPU的組成    2.1.2 數(shù)據(jù)表示    2.1.3 尋址方式概述  2.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)    2.2.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)概述    2.2.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)    2.2.3 并行存儲(chǔ)器    2.2.4 程序訪問的局部性  2.3 輸入輸出系統(tǒng)    2.3.1 輸入系統(tǒng)    2.3.2 輸出系統(tǒng)    2.3.3 通道處理機(jī)和I／O處理機(jī)  2.4 總線    2.4.1 總線系統(tǒng)概述    2.4.2 總線基本工作原理    2.4.3 設(shè)備的連接    2.4.4 CPU和I／O處理的匹配    2.5 本章小結(jié)  習(xí)題2第3章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)  3.1 數(shù)據(jù)表示    3.1.1 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    3.1.2 定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示    3.1.3 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示    3.1.4 自定義數(shù)據(jù)表示  3.2 尋址技術(shù)    3.2.1 編址方式    3.2.2 常用尋址方式    3.2.3 尋址技術(shù)在指令中的指明    3.2.4 定位方式  3.3 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)    3.3.1 指令格式的組成    3.3.2 操作碼的優(yōu)化    3.3.3 地址碼優(yōu)化設(shè)計(jì)    3.3.4 指令格式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法    3.3.5 DLX指令格式設(shè)計(jì)  3.4 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)    3.4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展    3.4.2 復(fù)雜指令系統(tǒng)    3.4.3 精簡指令系統(tǒng)  3.5 本章小結(jié)  習(xí)題3第4章 存儲(chǔ)系統(tǒng)第5章 輸入輸出系統(tǒng)第6章 流水線技術(shù)第7章 并行處理機(jī)技術(shù)第8章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)展參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)論本章首先簡要介紹與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的基本概念，包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)三者之間的區(qū)別與聯(lián)系，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程；之后分析影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素，并介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；最后介紹定量分析技術(shù)。本章重點(diǎn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的區(qū)別和聯(lián)系，定量分析技術(shù)中的Amdahl定律，以及CPU性能公式；難點(diǎn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及定量分析技術(shù)。1.1 計(jì)算譏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的蓉本概念1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件和硬件組成。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，人們可以從不同的層面上使用計(jì)算機(jī)語言編程，計(jì)算機(jī)語言可分成一系列的層（level）或級。從使用計(jì)算機(jī)語言的角度，可以把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。第1級是微程序機(jī)器級。這一級的機(jī)器語言是微指令集，用微指令編寫的程序稱為微程序，微程序直接由硬件解釋實(shí)現(xiàn)。微程序被固化在ROM中，通常將具有軟件功能的硬件稱為固件。第2級是傳統(tǒng)機(jī)器級。這一級的機(jī)器語言就是該機(jī)器的指令系統(tǒng)。用這一級的指令系統(tǒng)編寫的程序通過第1級的微程序進(jìn)行解釋。由微程序解釋指令集又稱作仿真（emulation）。在微程序機(jī)器級上面可以有一個(gè)或數(shù)個(gè)能夠運(yùn)行的解釋程序，每一個(gè)解釋程序都定義了一種指令集。因此，可以通過仿真在一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)多種指令集。

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《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》為清華大學(xué)出版社出版發(fā)行。

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