計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

前言

本書是國家精品課程“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”的指定教材，同時也是高等學(xué)校計算機(jī)專業(yè)本科生及研究生計算機(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)計算機(jī)都采用的比較成熟的思想、結(jié)構(gòu)和方法等。同時借鑒了國際上公認(rèn)的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高水平教材。計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的重要二級學(xué)科，它強(qiáng)調(diào)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析的角度來研究計算機(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)和了解計算機(jī)。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者能把在“計算機(jī)組成原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“操作系統(tǒng)”、“匯編語言程序設(shè)計”等課程中所學(xué)的軟、硬件知識有機(jī)地結(jié)合起來，從而建立起計算機(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)計計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。書中用了大量的例題說明如何進(jìn)行量化分析。在本書中，體系結(jié)構(gòu)的概念用于描述計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)、方法和理論。主要包括計算機(jī)指令系統(tǒng)、計算機(jī)組成和計算機(jī)硬件實(shí)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(jī)系統(tǒng)設(shè)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(shù)。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(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，著重闡述了計算機(jī)系統(tǒng)的并行化技術(shù)，旨在幫助學(xué)生在建立計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，充分掌握計算機(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章論述計算機(jī)系統(tǒng)的概念及其設(shè)計原則，通過對馮·諾依曼計算機(jī)模型指令集的分類，簡要闡述計算機(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)，并對流水線中相關(guān)和沖突問題進(jìn)行重點(diǎn)闡述；第3章通過指令級并行概念的介紹，詳細(xì)闡述實(shí)現(xiàn)指令級并行的關(guān)鍵技術(shù)和算法；第4章為“存儲系統(tǒng)”，重點(diǎn)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(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及存儲器的通信原理。    本書可作為高等院校計算機(jī)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(jī)體系結(jié)構(gòu)或嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工程技術(shù)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(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)系獲博士學(xué)位?，F(xiàn)任國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家精品課程“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”負(fù)責(zé)人。1992年成為國家級突出貢獻(xiàn)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(jì)優(yōu)秀人才庫一二層次人選，中國計算機(jī)學(xué)會開放系統(tǒng)專委會副主任委員、中國計算機(jī)學(xué)會教育專業(yè)委員會副主任委員、全國計算機(jī)教育研究會副理事長、湖南省計算機(jī)學(xué)會理事長、教育部高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會副主任、IEEE會員。主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和微處理器設(shè)計等。20多年來作為項目負(fù)責(zé)人參加的各類項目，包括國家自然科學(xué)基金、國家973重大基礎(chǔ)研究、國家863高技術(shù)研究、型號工程和對外合作等共計20多項。已獲國家科技進(jìn)步二等獎1項，國家教學(xué)成果一等獎1項，國家教學(xué)成果二等獎1項，部委級教學(xué)成果一等獎2項，部委級科技進(jìn)步一等獎2項、二等獎6項、三等獎6項，部委級自然科學(xué)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(jī)體系結(jié)構(gòu)》獲2002年全國普通高等學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)系獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家精品課程“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”主講人之一。IEEE/ACM會員，享有國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。現(xiàn)擔(dān)任中國學(xué)位與研究生教育學(xué)會信息管理委員會副主任委員、《學(xué)位與研究生教育》雜志編輯，長期從事計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計算機(jī)應(yīng)用等專業(yè)研究和教學(xué)工作。主持國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國家863高技術(shù)研究項目、國家973安全重大基礎(chǔ)研究項目、國家重點(diǎn)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(xué)術(shù)專著1部，已獲授權(quán)專利10項。指導(dǎo)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(jī)體系結(jié)構(gòu)》獲2002年全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎，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》。獲得國家科技進(jìn)步二等獎1次、軍隊或省部級科技進(jìn)步一等獎2次、二等獎2次、三等獎2次，軍隊教學(xué)優(yōu)秀一等獎1項，湖南省教學(xué)成果三等獎1項。

書籍目錄

第1章  概述  1．1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念    1．1．1 多級層次結(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 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法    1．2．1 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計原則    1．2．2 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計思路及步驟  1．3 軟件、應(yīng)用、器件的影響    1．4 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類  1．5 基于馮·諾依曼計算機(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(diǎn)  3．3 動態(tài)指令調(diào)度    3．3．1 靜態(tài)指令調(diào)度與動態(tài)指令調(diào)度    3．3．2 動態(tài)指令調(diào)度的基本思想    3．3．3 動態(tài)指令調(diào)度算法：記分牌    3．3．4 動態(tài)指令調(diào)度算法：Tomasulo算法  3．4 動態(tài)分支預(yù)測    3．4．1 采用分支預(yù)測表    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)測技術(shù)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(shè)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(yīng)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：l.1.1存儲程序計算機(jī)存儲程序計算機(jī)是一種計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計模型，實(shí)現(xiàn)了一種通用圖靈機(jī)（universal Turing Machine）。馮·諾依曼描述的計算機(jī)由以下4個部分組成：（1）運(yùn)算器。用于完成數(shù)值運(yùn)算。（2）存儲器。用于存儲數(shù)據(jù)和程序。（3）輸入輸出設(shè)備。用于完成計算機(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，完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算。控制器根據(jù)程序指令序列，分解形成對計算機(jī)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(yùn)算器的計算結(jié)果送到存儲器某個特定單元，啟動運(yùn)算器完成加法運(yùn)算，等等。計算機(jī)在控制流的操作下，計算機(jī)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(jī)4個部分的結(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)備分成了兩個獨(dú)立的部件。存儲程序計算機(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)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運(yùn)算器；存儲器、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(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(jī)體系結(jié)構(gòu)》有豐富的配套教輔資源，包括《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)與習(xí)題指導(dǎo)》和《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)》，PPT講稿和實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序等。國內(nèi)第一門計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國家精品課程的主講教材。充分結(jié)合了作者在國防科技大學(xué)計算機(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)分析的角度來研究計算機(jī)，建立起計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。重點(diǎn)論述現(xiàn)代大多數(shù)計算機(jī)都采用的比較成熟的思想、結(jié)構(gòu)和方法等內(nèi)容。同時借鑒了國際上公認(rèn)的計算機(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，語言簡練，深入淺出，通俗易懂。有配套的教輔資源，包括《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)與習(xí)題指導(dǎo)》和《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)》，PPT講稿和實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序等。適合作為高校計算機(jī)專業(yè)、自動化及電子工程等相關(guān)專業(yè)本科生及研究生計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的教材。

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