計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

前言

本書是國(guó)家精品課程“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”的指定教材，同時(shí)也是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生及研究生計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的通用教材。在內(nèi)容的選擇上，本書重點(diǎn)論述了現(xiàn)代大多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的比較成熟的思想、結(jié)構(gòu)和方法等。同時(shí)借鑒了國(guó)際上公認(rèn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高水平教材。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的重要二級(jí)學(xué)科，它強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析的角度來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此本書特別強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)層次上學(xué)習(xí)和了解計(jì)算機(jī)。通過(guò)本書的學(xué)習(xí)，讀者能把在“計(jì)算機(jī)組成原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“操作系統(tǒng)”、“匯編語(yǔ)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(lái)，從而建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。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，還特別強(qiáng)調(diào)了采用量化的分析方法。這種方法能更具體、實(shí)際地分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。書中用了大量的例題說(shuō)明如何進(jìn)行量化分析。在本書中，體系結(jié)構(gòu)的概念用于描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)、方法和理論。主要包括計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面。涵蓋了處理器和多處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)、互連與通信等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，同時(shí)還涉及性能評(píng)價(jià)、編譯和操作系統(tǒng)技術(shù)。本書可讀性好，語(yǔ)言簡(jiǎn)練，深入淺出，通俗易懂。

內(nèi)容概要

本書在介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、原理、結(jié)構(gòu)和分析方法的基礎(chǔ)上，著重闡述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行化技術(shù)，旨在幫助學(xué)生在建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，充分掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最新研發(fā)思想與技術(shù)。    本書共分5章。第1章論述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念及其設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型指令集的分類，簡(jiǎn)要闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的脈絡(luò)及與體系結(jié)構(gòu)發(fā)展密不可分的核心領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展，最后簡(jiǎn)單介紹幾種先進(jìn)的微體系結(jié)構(gòu)；第2章論述流水線的基本概念、分類及性能計(jì)算方法，并以DLX模型為實(shí)例詳細(xì)描述流水線執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)流水線中相關(guān)和沖突問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)闡述；第3章通過(guò)指令級(jí)并行概念的介紹，詳細(xì)闡述實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行的關(guān)鍵技術(shù)和算法；第4章為“存儲(chǔ)系統(tǒng)”，重點(diǎn)講述虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)及并行主存系統(tǒng)；第5章詳細(xì)介紹輸入輸出系統(tǒng)，講述總線類型、控制及通信方式，并詳細(xì)闡述中斷系統(tǒng)及總線與CPU及存儲(chǔ)器的通信原理。    本書可作為高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的高年級(jí)本科生或研究生的教材，也可作為從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)或嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員的參考書。

作者簡(jiǎn)介

王志英，男，1956年8月生，漢族，山西沁縣人，1988年在國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系獲博士學(xué)位?，F(xiàn)任國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家精品課程“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”負(fù)責(zé)人。1992年成為國(guó)家級(jí)突出貢獻(xiàn)中青年專家并享受政府特殊津貼，全國(guó)高等院校優(yōu)秀骨干教師，人事部百千萬(wàn)跨世紀(jì)優(yōu)秀人才庫(kù)一二層次人選，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)開(kāi)放系統(tǒng)專委會(huì)副主任委員、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)教育專業(yè)委員會(huì)副主任委員、全國(guó)計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)副理事長(zhǎng)、湖南省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)副主任、IEEE會(huì)員。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和微處理器設(shè)計(jì)等。20多年來(lái)作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參加的各類項(xiàng)目，包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家973重大基礎(chǔ)研究、國(guó)家863高技術(shù)研究、型號(hào)工程和對(duì)外合作等共計(jì)20多項(xiàng)。已獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部委級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，部委級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)6項(xiàng)、三等獎(jiǎng)6項(xiàng)，部委級(jí)自然科學(xué)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專利15項(xiàng)，出版專著和教材8部，其中《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》獲2002年全國(guó)普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)。張春元，男，1963年生，漢族，黑龍江巴彥人，1996年在國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)系獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家精品課程“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”主講人之一。IEEE/ACM會(huì)員，享有國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。現(xiàn)擔(dān)任中國(guó)學(xué)位與研究生教育學(xué)會(huì)信息管理委員會(huì)副主任委員、《學(xué)位與研究生教育》雜志編輯，長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等專業(yè)研究和教學(xué)工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家863高技術(shù)研究項(xiàng)目、國(guó)家973安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)項(xiàng)目及企業(yè)合作等20多項(xiàng)，近5年發(fā)表科研論文50余篇，出版學(xué)術(shù)專著1部，已獲授權(quán)專利10項(xiàng)。指導(dǎo)博士獲全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文提名1人。主講過(guò)10多門本科生和研究生課程，參與撰寫教材3本，其中《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》獲2002年全國(guó)普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)，發(fā)表教學(xué)研究文章10余篇，主編出版《學(xué)位與研究生教育信息管理實(shí)踐與探索》。獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次、軍隊(duì)或省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2次、二等獎(jiǎng)2次、三等獎(jiǎng)2次，軍隊(duì)教學(xué)優(yōu)秀一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，湖南省教學(xué)成果三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

書籍目錄

第1章  概述  1．1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念    1．1．1 多級(jí)層次結(jié)構(gòu)    1．1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系  1．2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法    1．2．1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則    1．2．2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及步驟  1．3 軟件、應(yīng)用、器件的影響    1．4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類  1．5 基于馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型的指令集分類    1．5．1 CISC體系結(jié)構(gòu)    1．5．2 RISC體系結(jié)構(gòu)    1．5．3 CISC和RISC混合體系結(jié)構(gòu)    1．5．4 EPIC體系結(jié)構(gòu)第2章  流水線技術(shù)  2．1 流水線的基本概念    2．1．1 什么是流水線    2．1．2 流水線的分類  2．2 流水線的性能指標(biāo)    2．2．1 吞吐率    2．2．2 加速比    2．2．3 效率  2．3 DLX的基本流水線    2．3．1 DLX指令集結(jié)構(gòu)    2．3．2 基本的DLX流水線    2．3．3 DLX流水線各級(jí)的操作    2．3．4 DLX流水線處理機(jī)的控制    2．4 流水線的相關(guān)與沖突    2．4．1 流水線相關(guān)    2．4．2 流水線沖突第3章  指令級(jí)并行  3．1 指令級(jí)并行的概念  3．2 循環(huán)展開(kāi)    3．2．1 循環(huán)展開(kāi)的原理    3．2．2 循環(huán)展開(kāi)的特點(diǎn)  3．3 動(dòng)態(tài)指令調(diào)度    3．3．1 靜態(tài)指令調(diào)度與動(dòng)態(tài)指令調(diào)度    3．3．2 動(dòng)態(tài)指令調(diào)度的基本思想    3．3．3 動(dòng)態(tài)指令調(diào)度算法：記分牌    3．3．4 動(dòng)態(tài)指令調(diào)度算法：Tomasulo算法  3．4 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)    3．4．1 采用分支預(yù)測(cè)表    3．4．2 采用分支目標(biāo)緩沖器    3．4．3 基于硬件的推斷執(zhí)行    3．4．4 先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)技術(shù)第4章  存儲(chǔ)體系  4．1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的分析  4．2 虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)    4．2．1 地址的映像與變換    4．2．2 頁(yè)面替換算法  4．3 Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)    4．3．1 地址映像與變換方法    4．3．2 Cache替換算法    4．3．3 Cache！系統(tǒng)的加速比  4．4 并行主存系統(tǒng)    4．4．1 單體多字存儲(chǔ)器    4．4．2 多體交叉存儲(chǔ)器第5章  輸入輸出系統(tǒng)  5．1 輸入輸出原理  5．2 總線設(shè)計(jì)    5．2．1 總線的類型    5．2．2 總線的控制方式    5．2．3 總線通信  5．3 中斷系統(tǒng)    5．3．1 中斷方式    5．3．2 中斷的分類與分級(jí)    5．3．3 影響中斷響應(yīng)時(shí)間的因素    5．3．4 中斷屏蔽  5．4 通道工作原理    5．4．1 通道的作用和功能    5．4．2 通道種類    5．4．3 通道的工作過(guò)程    5．4．4 通道的流量分析參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：l.1.1存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了一種通用圖靈機(jī)（universal Turing Machine）。馮·諾依曼描述的計(jì)算機(jī)由以下4個(gè)部分組成：（1）運(yùn)算器。用于完成數(shù)值運(yùn)算。（2）存儲(chǔ)器。用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。（3）輸入輸出設(shè)備。用于完成計(jì)算機(jī)和外部的信息交換。（4）控制器。根據(jù)程序形成控制（指令、命令）序列，完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算?？刂破鞲鶕?jù)程序指令序列，分解形成對(duì)計(jì)算機(jī)4個(gè)部分操作的控制信號(hào)序列，稱為控制流。例如，從存儲(chǔ)器某個(gè)特定單元取一條指令，把運(yùn)算器的計(jì)算結(jié)果送到存儲(chǔ)器某個(gè)特定單元，啟動(dòng)運(yùn)算器完成加法運(yùn)算，等等。計(jì)算機(jī)在控制流的操作下，計(jì)算機(jī)4個(gè)部分之間形成數(shù)據(jù)和指令的傳送序列，稱為數(shù)據(jù)／指令流。存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)4個(gè)部分的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，為了更加直觀，圖中將輸入設(shè)備和輸出設(shè)備分成了兩個(gè)獨(dú)立的部件。存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)在體系結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)如下：（1）機(jī)器以運(yùn)算器為中心。輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過(guò)運(yùn)算器；存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。（2）采用存儲(chǔ)程序原理。程序（指令）和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中，且沒(méi)有對(duì)兩者加以區(qū)分。指令和數(shù)據(jù)一樣可以送到運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序自身是可以修改的。（3）存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的、線性編址的空間。每個(gè)單元的位數(shù)是相同且固定的，稱為存儲(chǔ)器編址單位。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》有豐富的配套教輔資源，包括《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)與習(xí)題指導(dǎo)》和《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)》，PPT講稿和實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序等。國(guó)內(nèi)第一門計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家精品課程的主講教材。充分結(jié)合了作者在國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院多年的科研結(jié)晶。強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析的角度來(lái)研究計(jì)算機(jī)，建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。重點(diǎn)論述現(xiàn)代大多數(shù)計(jì)算機(jī)都采用的比較成熟的思想、結(jié)構(gòu)和方法等內(nèi)容。同時(shí)借鑒了國(guó)際上公認(rèn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)高水平教材，強(qiáng)調(diào)采用量化的分析方法。內(nèi)容的可讀性好，語(yǔ)言簡(jiǎn)練，深入淺出，通俗易懂。有配套的教輔資源，包括《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)與習(xí)題指導(dǎo)》和《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)》，PPT講稿和實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序等。適合作為高校計(jì)算機(jī)專業(yè)、自動(dòng)化及電子工程等相關(guān)專業(yè)本科生及研究生計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的教材。

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