計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教程

前言

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，該課程的實(shí)驗(yàn)一直是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容比較抽象、單調(diào)，不少內(nèi)容要通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能更好地理解。而且，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析，是國(guó)際上流行的一種方法?！　』谟布脚_(tái)來(lái)做實(shí)驗(yàn)不僅成本高，而且目前沒(méi)有合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。國(guó)外研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，基于模擬器開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)是一種有效的途徑，有時(shí)其效果甚至比實(shí)物實(shí)驗(yàn)更好。因此，本教材基于我們自行開(kāi)發(fā)的具有自主版權(quán)的模擬器，設(shè)計(jì)和編寫了11個(gè)實(shí)驗(yàn)。其中前6個(gè)實(shí)驗(yàn)是分兩組平行的，分別基于MIPS指令集（本書的第一部分）和SPARC指令集（本書的第二部分）。教師可以根據(jù)具體的教學(xué)需要從中選擇一組。后5個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成第三部分，是必選的?！　∶總€(gè)實(shí)驗(yàn)都由實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟、模擬器使用手冊(cè)以及相關(guān)知識(shí)5部分構(gòu)成。“相關(guān)知識(shí)”部分系統(tǒng)地論述了與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)，使讀者能為實(shí)驗(yàn)做好充分的準(zhǔn)備?！　〔捎帽緯?，可以開(kāi)設(shè)以下8個(gè)實(shí)驗(yàn)：　　（1）指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)　?。?）流水線及流水線中的沖突　?。?）指令調(diào)度和延遲分支　　（4）Cache性能分析　?。?）Tomasulo算法　?。?）再定序緩沖（ROB）工作原理　　（7）多Cache一致性——監(jiān)聽(tīng)協(xié)議　?。?）多Cache一致性——目錄協(xié)議　　本書光盤中提供了所有上述實(shí)驗(yàn)所需要的模擬器和樣例程序，只要把模擬器復(fù)制到硬盤中即可使用?！　”緯饕赏瑵?jì)大學(xué)的張晨曦、劉依，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉宏偉，同濟(jì)大學(xué)的孫太一，國(guó)防科技大學(xué)的沈立以及同濟(jì)大學(xué)的李江峰等編寫；張碩、程志強(qiáng)、王偉、江崟等也參加了部分內(nèi)容的編寫?！　∮捎诒緯摹跋嚓P(guān)知識(shí)”部分系統(tǒng)地論述了與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)，所以本書可以跟大多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材配合使用，而且還可作為自學(xué)者的輔助教材。

內(nèi)容概要

本書設(shè)計(jì)和編寫了11個(gè)實(shí)驗(yàn)：指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)、流水線及流水線中的沖突、指令調(diào)度和延遲分支、Cache性能分析、Tomasulo算法、再定序緩沖(ROB)工作原理、多Cache一致性——監(jiān)聽(tīng)協(xié)議、多Cache一致性——目錄協(xié)議。本書覆蓋面廣，內(nèi)容豐富，有利于加深對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識(shí)的理解。本書的實(shí)驗(yàn)既有基于MIPS指令集的，也有基于SPARC指令集的。教師可根據(jù)具體教學(xué)需要選擇。本書包含了實(shí)驗(yàn)所需相關(guān)知識(shí)的介紹，可以跟大多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材配合使用。本書所附光盤提供了我們專門為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的一套運(yùn)行于Windows平臺(tái)的模擬器。這些模擬器界面友好，使用方便、直觀，交互性很強(qiáng)。隨書光盤還提供了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程相關(guān)的動(dòng)畫和視頻課件。本書可作為本科生或研究生的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程以及計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)教材，也可作為自學(xué)者的輔助教材。

作者簡(jiǎn)介

　　張晨曦，男，1960年9月生，漢族，福建龍巖人?，F(xiàn)任同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)“中青年有突出貢獻(xiàn)專家”，國(guó)家杰出青年基金獲得者。先后主持了4項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。1988年獲博士學(xué)位，后一直在國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院工作，2005年9月調(diào)入同濟(jì)大學(xué)?！　∽鳛檎n程負(fù)責(zé)人，張晨曦建設(shè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程于2007年被評(píng)為上海市精品課程，2008年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程。他還先后獲得了“教育部一微軟精品課程”和“教育部一SUN精品課程”的榮譽(yù)。他主講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程和從事系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究二十余年，進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革和課程建設(shè)，取得了突出的成績(jī)。1992年開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)第一套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CAI課件（含30個(gè)動(dòng)畫），在清華大學(xué)、北京大學(xué)等全國(guó)十多所高校得到了應(yīng)用。2003年完成教育部的新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)工程項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)課程”。2009年開(kāi)發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)M器?！　∷?fù)責(zé)編寫出版的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（高等教育出版社）是“十五”和“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，該教材2002年獲全國(guó)普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)。全國(guó)至少有60所大學(xué)采用了該教材。至2009年，他共編寫出版了5本“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。撰寫專著兩部（第二作者），其中專著《新一代計(jì)算機(jī)》由荷蘭North-Holland出版社出版，另一部1992年獲“國(guó)家教委優(yōu)秀專著特等獎(jiǎng)”，1993年獲“全國(guó)優(yōu)秀科技圖書一等獎(jiǎng)”。發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文90多篇，其中在《中國(guó)科學(xué)》、《計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)》等一級(jí)刊物上發(fā)表8篇，國(guó)外發(fā)表20多篇。有18篇被國(guó)際著名八大檢索工具收錄。　　張晨曦獲部委級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（排名第二），二等獎(jiǎng)一項(xiàng)（排名第二）；獲部委級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)?！　?007年獲寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)和上海市育才獎(jiǎng)，2008年被評(píng)為上海市高校教學(xué)名師，2009年被評(píng)為上海市模范教師。1991年被國(guó)家教委授予“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士”光榮稱號(hào)，被評(píng)為湖南省科技青年“十佳”之一；1993年被評(píng)為“全軍優(yōu)秀教師”，1993年和1995年兩次獲“霍英東青年教師獎(jiǎng)”；1995年獲第4屆“中國(guó)青年科技獎(jiǎng)”。從15歲起當(dāng)中學(xué)教師，對(duì)教學(xué)方法和現(xiàn)代教育技術(shù)有深入的研究的他，提出了面向遠(yuǎn)程教育和CAI的動(dòng)畫解析教學(xué)法。

書籍目錄

第一部分 基于MIPS體系結(jié)構(gòu) 　實(shí)驗(yàn)1 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結(jié)構(gòu) 　　1．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?　　1．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　1．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 　　1．4 MIPSsim使用手冊(cè) 　　　1．4．1 啟動(dòng)模擬器 　　　1．4．2 MIPSsim的窗口 　　　1．4．3 MIPSsim的菜單 　　1．5 相關(guān)知識(shí)：MIPS指令系統(tǒng) 　　　1．5．1 MIPS的寄存器 　　　1．5．2 MIPS的數(shù)據(jù)表示 　　　1．5．3 MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式 　　　1．5．4 MIPS的指令格式 　　　1．5．5 MIPS的部分指令介紹 　實(shí)驗(yàn)2 流水線及流水線中的沖突 　　2．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?　　2．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　2．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 　　2．4 MIPSsim使用手冊(cè) 　　2．5 相關(guān)知識(shí)：流水線、相關(guān)與沖突 　　　2．5．1 一條經(jīng)典的5段流水線 　　　2．5．2 相關(guān)與流水線沖突 　　　2．5．3 流水線的實(shí)現(xiàn) 　實(shí)驗(yàn)3 指令調(diào)度和延遲分支 　　3．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?　　3．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　3．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 　　3．4 MIPSsim使用手冊(cè) 　　3．5 相關(guān)知識(shí)：指令調(diào)度和延遲分支 　　　3．5．1 指令調(diào)度 　　　3．5．2 延遲分支 第二部分 基于SPARC體系結(jié)構(gòu) 　實(shí)驗(yàn)4 SPARC指令系統(tǒng)和SPARC體系結(jié)構(gòu) 　　4．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?　　4．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　4．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 　　4．4 SPARCsim使用手冊(cè) 　　　4．4．1 啟動(dòng)程序 　　　4．4．2 SPARCsim的窗口 　　　4．4．3 SPARCsim的菜單 　　4．5 相關(guān)知識(shí)：UltraSPARC指令系統(tǒng) 　　　4．5．1 UltraSPARC的寄存器 　　　4．5．2 UltraSPARC的數(shù)據(jù)表示 　　　4．5．3 UltraSPARC的數(shù)據(jù)尋址方式 　　　4．5．4 UltraSPARC的指令格式 　　　4．5．5 UltraSPARC的部分指令介紹 　實(shí)驗(yàn)5 流水線及流水線中的沖突 　　5．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?　　5．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　5．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 　　5．4 SPARCsim使用手冊(cè) 　　5．5 相關(guān)知識(shí)：流水線、相關(guān)與沖突 　　　5．5．1 一條經(jīng)典的5段流水線 　　　5．5．2 相關(guān)與流水線沖突 　　　5．5．3 流水線的實(shí)現(xiàn) 　實(shí)驗(yàn)6 指令調(diào)度和延遲分支 　　6．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?　　6．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 　　6．3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 　　6．4 SPARCsim使用手冊(cè) 　　6．5 相關(guān)知識(shí)：指令調(diào)度和延遲分支 第三部分 Cache和指令并行實(shí)驗(yàn) 附錄A MIPSsim的指令列表(MIPS64指令集的一個(gè)子集) 附錄B MIPSsim的指令系統(tǒng)(MIPS64指令集的一個(gè)子集) 附錄C 模擬器MIPSsim的匯編語(yǔ)言 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　儲(chǔ)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）時(shí)，只用到FPR的一半，其另一半沒(méi)用。MIPS提供了單精度和雙精度（32位和64位）操作的指令，而且還提供了在FPRC和GPRS之間傳送數(shù)據(jù)的指令?！　×硗?，還有一些特殊寄存器，例如浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器。它們可以與通用寄存器交換數(shù)據(jù)。浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器用來(lái)保存有關(guān)浮點(diǎn)操作結(jié)果的信息。　　1.5.2 MIPS的數(shù)據(jù)表示　　MIPS的數(shù)據(jù)表示如下：　?。?）整數(shù)：字節(jié)（8位）、半字（16位）、字（32位）和雙字（64位）?！　。?）浮點(diǎn)數(shù)：?jiǎn)尉雀↑c(diǎn)數(shù)（32位）和雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）?！　≈栽O(shè)置半字操作數(shù)類型，是因?yàn)樵陬愃朴赾的高級(jí)語(yǔ)言中有這種數(shù)據(jù)類型，而且在操作系統(tǒng)等程序中也很常用，這些程序很重視數(shù)據(jù)所占的空間大小。設(shè)置單精度浮點(diǎn)操作數(shù)也是基于類似的原因?！　IPS64.的操作是針對(duì)64位整數(shù)以及32位或64位浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行的。字節(jié)、半字或者字在裝入64位寄存器時(shí)，用零擴(kuò)展或者用符號(hào)位擴(kuò)展來(lái)填充該寄存器的剩余部分。裝人以后，對(duì)它們按照64位整數(shù)的方式進(jìn)行運(yùn)算?！　?.5.3 MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式　　MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式只有立即數(shù)尋址和偏移量尋址兩種，立即數(shù)字段和偏移量字段都是16位的。寄存器間接尋址是通過(guò)把0作為偏移量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，16位絕對(duì)尋址是通過(guò)把R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址寄存器來(lái)完成的。這樣就有了4種尋址方式?！　IPS的尋址方式是編碼到操作碼中的?！　IPS的存儲(chǔ)器是按字節(jié)尋址的，地址為64位。由于MIPS是load-store結(jié)構(gòu)，GPRS和FPRS與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都是通過(guò)load指令和store指令來(lái)完成的。與GPRS有關(guān)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)可以是字節(jié)、半字、字或雙字。與FPRS有關(guān)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)可以是單精度浮點(diǎn)數(shù)或雙精度浮點(diǎn)數(shù)。所有存儲(chǔ)器訪問(wèn)都必須邊界對(duì)齊。

編輯推薦

　　《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教程》根據(jù)部“高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)規(guī)范”組織編寫。與美國(guó)ACM和IEEE Computing Curricula2005同步。

圖書封面

圖書標(biāo)簽Tags

無(wú)

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教程 PDF格式下載

---