計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱計算機體系結(jié)構(gòu)，是計算機及相關專業(yè)的一門重要課程，在學科領域中，“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是計算機學科中的一個二級學科。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從外部研究計算機系統(tǒng)，是使用者所看到的物理計算機的抽象，是編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機的屬性。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究計算機系統(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，哪些功能由硬件實現(xiàn)。它強調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(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。通過學習本課程，能把在“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“匯編語言程序設計”等課程中所學的軟、硬件知識有機地結(jié)合起來，從而建立起計算機系統(tǒng)的完整概念，學習針對計算機系統(tǒng)的分析方法和設計方法，掌握現(xiàn)代計算機系統(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)格計算等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領域發(fā)生了重大變化。為適用這種變化，同時結(jié)合教學應用型大學的培養(yǎng)目標和學生特點，我們編寫了本書。參加本書編寫的人員來自不同本科院校，均為擔任計算機系統(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，以及學生在學習本課程時遇到的普遍性問題。貼近實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，還強調(diào)量化的分析方法，這種方法使學生能夠更具體、實際地分析和理解計算機體系結(jié)構(gòu)。本書最后一章簡要介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當前的主要研究進展。為了便于因材施教和學生自學，對于偏難或者非基礎性的內(nèi)容，書中在相應的章節(jié)的標題前標注了“※" 。教師可以根據(jù)具體學時，選擇本書的教學內(nèi)容進行講授。針對這些內(nèi)容的習題編號前則以“”標注。本書內(nèi)容編排大體是按照計算機系統(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，介紹現(xiàn)代通用計算機系統(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領域的最新研究成果，主要包括：數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)設計（第3章），存儲系統(tǒng)（第4章），輸入輸出系統(tǒng)（第5章），流水線技術(shù)（第6章），并行處理機技術(shù)（第7章），以及計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進展（第8章）.本書由秦杰博士任主編，鄭麗萍任副主編，第2章由周口師范學院喬蕊老師編寫，第3、7章由河南工業(yè)大學鄭麗萍老師編寫，第4章由華北水利水電學院孫全紅老師編寫，第5章由河南農(nóng)業(yè)大學孫昌霞老師編寫，第6章由河南工業(yè)大學王獻榮老師編寫，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，錯誤和不當之處在所難免，請讀者批評指正。本書的內(nèi)容參考了國內(nèi)外有影響的相關書籍和教材，以及計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面最新的研究論文，在此向相關作者表示感謝！本書的出版得到清華大學出版社領導以及戰(zhàn)曉雷編輯等相關人員的大力支持，在此表示感謝！

內(nèi)容概要

本書結(jié)合計算機技術(shù)現(xiàn)狀，系統(tǒng)地講述現(xiàn)代計算機系統(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，并簡要介紹當前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領域的主要進展。    本書共8章：第1章介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎知識；第2章簡要介紹馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)中CPU、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)以及系統(tǒng)總線的基本知識；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上，講解指令系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法及其最新進展；第4章介紹虛擬存儲系統(tǒng)、Cache存儲系統(tǒng)以及Cache-主存-輔存三級存儲系統(tǒng)的工作原理和相關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量處理機、超流水線處理機、超標量超流水線處理機和超長指令字處理機的工作原理；第7章是并行處理機技術(shù)，介紹SIMD計算機、MIMD計算機的基本組成原理、類型和特點，以及與它們相關的互連網(wǎng)絡的工作原理；第8章介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進展。每一章的內(nèi)容均包括內(nèi)容簡介、學習內(nèi)容、本章小結(jié)和習題。    本書重點講述現(xiàn)代主流計算機采用的比較成熟的設計思想、結(jié)構(gòu)和方法等，力求內(nèi)容重點突出、論述簡潔、貼近實際。本書可以作為計算機專業(yè)本科生“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教材，或者相關專業(yè)本、?？茖W生“計算機組成與體系結(jié)構(gòu)”課程的教材，也可以作為有關專業(yè)研究生和相關領域科技人員的參考書。

書籍目錄

第1章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導論  1.1 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念    1.1.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)    1.1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)    1.1.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程    1.1.4 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類  1.2 影響計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素    1.2.1 應用對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響    1.2.2 算法對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響    1.2.3 軟件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響    1.2.4 器件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響  1.3 計算機系統(tǒng)性能分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標準    1.3.1 計算機性能的分析與評價    1.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評測標準  1.4 定量分析技術(shù)基礎    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)  習題1  第2章 現(xiàn)代計算機組成  2.1 中央處理機    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 存儲系統(tǒng)    2.2.1 存儲系統(tǒng)概述    2.2.2 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)    2.2.3 并行存儲器    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 通道處理機和I／O處理機  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 設備的連接    2.4.4 CPU和I／O處理的匹配    2.5 本章小結(jié)  習題2第3章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)設計  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 定點數(shù)據(jù)表示    3.1.3 浮點數(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)化設計    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)化設計    3.3.4 指令格式優(yōu)化設計方法    3.3.5 DLX指令格式設計  3.4 指令系統(tǒng)的功能設計    3.4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展    3.4.2 復雜指令系統(tǒng)    3.4.3 精簡指令系統(tǒng)  3.5 本章小結(jié)  習題3第4章 存儲系統(tǒng)第5章 輸入輸出系統(tǒng)第6章 流水線技術(shù)第7章 并行處理機技術(shù)第8章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進展參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導論本章首先簡要介紹與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關的基本概念，包括：計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)三者之間的區(qū)別與聯(lián)系，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程；之后分析影響計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素，并介紹計算機系統(tǒng)性能分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標準；最后介紹定量分析技術(shù)。本章重點是計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(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；難點是計算機系統(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)的評價標準以及定量分析技術(shù)。1.1 計算譏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的蓉本概念1.1.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機系統(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算機語言編程，計算機語言可分成一系列的層（level）或級。從使用計算機語言的角度，可以把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。第1級是微程序機器級。這一級的機器語言是微指令集，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)機器級。這一級的機器語言就是該機器的指令系統(tǒng)。用這一級的指令系統(tǒng)編寫的程序通過第1級的微程序進行解釋。由微程序解釋指令集又稱作仿真（emulation）。在微程序機器級上面可以有一個或數(shù)個能夠運行的解釋程序，每一個解釋程序都定義了一種指令集。因此，可以通過仿真在一臺機器上實現(xiàn)多種指令集。

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《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》為清華大學出版社出版發(fā)行。

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