計算機體系結構

前言

本書是國家精品課程“計算機體系結構”的指定教材，同時也是高等學校計算機專業(yè)本科生及研究生計算機體系結構課程的通用教材。在內(nèi)容的選擇上，本書重點論述了現(xiàn)代大多數(shù)計算機都采用的比較成熟的思想、結構和方法等。同時借鑒了國際上公認的計算機系統(tǒng)結構高水平教材。計算機體系結構是計算機科學與技術學科的重要二級學科，它強調從總體結構、系統(tǒng)分析的角度來研究計算機系統(tǒng)，因此本書特別強調從系統(tǒng)層次上學習和了解計算機。通過本書的學習，讀者能把在“計算機組成原理”、“數(shù)據(jù)結構”、“操作系統(tǒng)”、“匯編語言程序設計”等課程中所學的軟、硬件知識有機地結合起來，從而建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。本書除了著重論述體系結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法以外，還特別強調了采用量化的分析方法。這種方法能更具體、實際地分析和設計計算機體系結構。書中用了大量的例題說明如何進行量化分析。在本書中，體系結構的概念用于描述計算機系統(tǒng)設計的技術、方法和理論。主要包括計算機指令系統(tǒng)、計算機組成和計算機硬件實現(xiàn)3個方面。涵蓋了處理器和多處理器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、互連與通信等計算機系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容，同時還涉及性能評價、編譯和操作系統(tǒng)技術。本書可讀性好，語言簡練，深入淺出，通俗易懂。

內(nèi)容概要

本書在介紹計算機系統(tǒng)結構的基本概念、原理、結構和分析方法的基礎上，著重闡述了計算機系統(tǒng)的并行化技術，旨在幫助學生在建立計算機系統(tǒng)的完整概念，充分掌握計算機系統(tǒng)結構的最新研發(fā)思想與技術。    本書共分5章。第1章論述計算機系統(tǒng)的概念及其設計原則，通過對馮·諾依曼計算機模型指令集的分類，簡要闡述計算機系統(tǒng)發(fā)展的脈絡及與體系結構發(fā)展密不可分的核心領域的現(xiàn)狀與發(fā)展，最后簡單介紹幾種先進的微體系結構；第2章論述流水線的基本概念、分類及性能計算方法，并以DLX模型為實例詳細描述流水線執(zhí)行的關鍵技術，并對流水線中相關和沖突問題進行重點闡述；第3章通過指令級并行概念的介紹，詳細闡述實現(xiàn)指令級并行的關鍵技術和算法；第4章為“存儲系統(tǒng)”，重點講述虛擬存儲系統(tǒng)，Cache存儲系統(tǒng)及并行主存系統(tǒng)；第5章詳細介紹輸入輸出系統(tǒng)，講述總線類型、控制及通信方式，并詳細闡述中斷系統(tǒng)及總線與CPU及存儲器的通信原理。    本書可作為高等院校計算機專業(yè)的高年級本科生或研究生的教材，也可作為從事計算機體系結構或嵌入式系統(tǒng)設計的工程技術人員的參考書。

作者簡介

王志英，男，1956年8月生，漢族，山西沁縣人，1988年在國防科學技術大學計算機系獲博士學位?，F(xiàn)任國防科學技術大學計算機學院教授、博士生導師，國家精品課程“計算機體系結構”負責人。1992年成為國家級突出貢獻中青年專家并享受政府特殊津貼，全國高等院校優(yōu)秀骨干教師，人事部百千萬跨世紀優(yōu)秀人才庫一二層次人選，中國計算機學會開放系統(tǒng)專委會副主任委員、中國計算機學會教育專業(yè)委員會副主任委員、全國計算機教育研究會副理事長、湖南省計算機學會理事長、教育部高等學校計算機科學與技術專業(yè)教學指導分委員會副主任、IEEE會員。主要研究方向為計算機系統(tǒng)結構和微處理器設計等。20多年來作為項目負責人參加的各類項目，包括國家自然科學基金、國家973重大基礎研究、國家863高技術研究、型號工程和對外合作等共計20多項。已獲國家科技進步二等獎1項，國家教學成果一等獎1項，國家教學成果二等獎1項，部委級教學成果一等獎2項，部委級科技進步一等獎2項、二等獎6項、三等獎6項，部委級自然科學三等獎1項，獲國家發(fā)明專利15項，出版專著和教材8部，其中《計算機體系結構》獲2002年全國普通高等學校優(yōu)秀教材二等獎。張春元，男，1963年生，漢族，黑龍江巴彥人，1996年在國防科學技術大學計算機系獲工學博士學位。現(xiàn)任國防科學技術大學計算機學院教授、博士生導師，國家精品課程“計算機體系結構”主講人之一。IEEE/ACM會員，享有國務院頒發(fā)的政府特殊津貼?，F(xiàn)擔任中國學位與研究生教育學會信息管理委員會副主任委員、《學位與研究生教育》雜志編輯，長期從事計算機體系結構、計算機應用等專業(yè)研究和教學工作。主持國家自然科學基金、國家自然科學基金重點項目、國家863高技術研究項目、國家973安全重大基礎研究項目、國家重點型號項目及企業(yè)合作等20多項，近5年發(fā)表科研論文50余篇，出版學術專著1部，已獲授權專利10項。指導博士獲全國百篇優(yōu)秀博士論文提名1人。主講過10多門本科生和研究生課程，參與撰寫教材3本，其中《計算機體系結構》獲2002年全國普通高等學校優(yōu)秀教材二等獎，發(fā)表教學研究文章10余篇，主編出版《學位與研究生教育信息管理實踐與探索》。獲得國家科技進步二等獎1次、軍隊或省部級科技進步一等獎2次、二等獎2次、三等獎2次，軍隊教學優(yōu)秀一等獎1項，湖南省教學成果三等獎1項。

書籍目錄

第1章  概述  1．1 計算機系統(tǒng)結構的基本概念    1．1．1 多級層次結構    1．1．2 系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)之間的關系  1．2 計算機系統(tǒng)結構的設計方法    1．2．1 計算機系統(tǒng)的設計原則    1．2．2 計算機系統(tǒng)的設計思路及步驟  1．3 軟件、應用、器件的影響    1．4 計算機系統(tǒng)結構的分類  1．5 基于馮·諾依曼計算機模型的指令集分類    1．5．1 CISC體系結構    1．5．2 RISC體系結構    1．5．3 CISC和RISC混合體系結構    1．5．4 EPIC體系結構第2章  流水線技術  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    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指令集結構    2．3．2 基本的DLX流水線    2．3．3 DLX流水線各級的操作    2．3．4 DLX流水線處理機的控制    2．4 流水線的相關與沖突    2．4．1 流水線相關    2．4．2 流水線沖突第3章  指令級并行  3．1 指令級并行的概念  3．2 循環(huán)展開    3．2．1 循環(huán)展開的原理    3．2．2 循環(huán)展開的特點  3．3 動態(tài)指令調度    3．3．1 靜態(tài)指令調度與動態(tài)指令調度    3．3．2 動態(tài)指令調度的基本思想    3．3．3 動態(tài)指令調度算法：記分牌    3．3．4 動態(tài)指令調度算法：Tomasulo算法  3．4 動態(tài)分支預測    3．4．1 采用分支預測表    3．4．2 采用分支目標緩沖器    3．4．3 基于硬件的推斷執(zhí)行    3．4．4 先進的分支預測技術第4章  存儲體系  4．1 存儲系統(tǒng)的分析  4．2 虛擬存儲系統(tǒng)    4．2．1 地址的映像與變換    4．2．2 頁面替換算法  4．3 Cache存儲系統(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 單體多字存儲器    4．4．2 多體交叉存儲器第5章  輸入輸出系統(tǒng)  5．1 輸入輸出原理  5．2 總線設計    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    5．3．3 影響中斷響應時間的因素    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 通道的工作過程    5．4．4 通道的流量分析參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：l.1.1存儲程序計算機存儲程序計算機是一種計算機系統(tǒng)設計模型，實現(xiàn)了一種通用圖靈機（universal Turing Machine）。馮·諾依曼描述的計算機由以下4個部分組成：（1）運算器。用于完成數(shù)值運算。（2）存儲器。用于存儲數(shù)據(jù)和程序。（3）輸入輸出設備。用于完成計算機和外部的信息交換。（4）控制器。根據(jù)程序形成控制（指令、命令）序列，完成對數(shù)據(jù)的運算?？刂破鞲鶕?jù)程序指令序列，分解形成對計算機4個部分操作的控制信號序列，稱為控制流。例如，從存儲器某個特定單元取一條指令，把運算器的計算結果送到存儲器某個特定單元，啟動運算器完成加法運算，等等。計算機在控制流的操作下，計算機4個部分之間形成數(shù)據(jù)和指令的傳送序列，稱為數(shù)據(jù)／指令流。存儲程序計算機4個部分的結構如圖1.1所示，為了更加直觀，圖中將輸入設備和輸出設備分成了兩個獨立的部件。存儲程序計算機在體系結構上的主要特點如下：（1）機器以運算器為中心。輸入輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器；存儲器、輸入輸出設備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。（2）采用存儲程序原理。程序（指令）和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中，且沒有對兩者加以區(qū)分。指令和數(shù)據(jù)一樣可以送到運算器進行運算，即由指令組成的程序自身是可以修改的。（3）存儲器是按地址訪問的、線性編址的空間。每個單元的位數(shù)是相同且固定的，稱為存儲器編址單位。

編輯推薦

《計算機體系結構》有豐富的配套教輔資源，包括《計算機體系結構教學與習題指導》和《計算機體系結構實驗》，PPT講稿和實驗模擬程序等。國內(nèi)第一門計算機體系結構國家精品課程的主講教材。充分結合了作者在國防科技大學計算機學院多年的科研結晶。強調從總體結構、系統(tǒng)分析的角度來研究計算機，建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。重點論述現(xiàn)代大多數(shù)計算機都采用的比較成熟的思想、結構和方法等內(nèi)容。同時借鑒了國際上公認的計算機體系結構高水平教材，強調采用量化的分析方法。內(nèi)容的可讀性好，語言簡練，深入淺出，通俗易懂。有配套的教輔資源，包括《計算機體系結構教學與習題指導》和《計算機體系結構實驗》，PPT講稿和實驗模擬程序等。適合作為高校計算機專業(yè)、自動化及電子工程等相關專業(yè)本科生及研究生計算機體系結構課程的教材。

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