計算機體系結構教學與習題指導

內容概要

　　《計算機體系結構教學與習題指導》是國家精品課程主講教材《計算機體系結構》的配套教學用書。各章包括教學指南、主要內容、典型題目解析、習題及習題解答4個部分。教學指南對每一章學習內容進行總結，理清學習的重點、要點、難點和范圍。主要內容包括每一章的基本理論、基本概念、基本公式、基本方法等內容摘要，對每一章的主要內容進行總結，檢查每一章基本內容的掌握情況。例題對課程中的典型習題進行指導性分析，重在題目類型、解題方法、解題思路和解題要點，學生也可以根據(jù)這一部分的內容對照檢查自己的學習情況，檢查自己計算機系統(tǒng)結構的解題能力。
　　《計算機體系結構教學與習題指導》是教師講授“計算機體系結構”課程的教學參考書，也可以作為學生學習本課程的參考用書。

作者簡介

張春元，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，計算機科學與技術學科博士生導師，IEEE／ACM會員，現(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，享有國務院頒發(fā)的政府特殊津貼。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，近五年發(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，是國家精品課程“計算機體系結構”主講人之一，參與撰寫教材3本，其中《計算機體系結構》獲得“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，主編出版有《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)秀一等獎一次，湖南省教學成果三等獎1次。羅莉，1997年在國防科學技術大學計算機系獲工學博士學位?，F(xiàn)任國防科學技術大學計算機學院副教授、碩士生導師，國家精品課程“計算機體系結構”和“計算機原理”主講人之一。國防科學技術大學計算機學院高性能計算機創(chuàng)新團隊的核心成員，該團隊獲“軍隊首屆科技創(chuàng)新群體獎”。中國計算機學會會員，主要研究方向包括高性能微處理器體系結構、SOC設計技術等，作為項目負責人和主要完成人參加國家自然科學基金、國家863高技術項目、國家973安全重大基礎研究項目、國家重點型號項目等20余項。近五年發(fā)表論文40余篇，參與撰寫教材兩本，獲軍隊科技進步一等獎1次、二等獎2次、三等獎2次，獲國家授權專利2項。肖曉強，2000年獲得博士學位，副教授，碩士研究生導師，現(xiàn)任國防科學技術大學計算機學院網(wǎng)絡工程系計算機教學實驗中心主任，軍隊專業(yè)技術三類崗位津貼獲得者，軍隊育才獎銀獎獲得者，“計算機學報”、“計算機研究與發(fā)展”等多個期刊的審稿人。國家精品課程“計算機體系結構”和“計算機原理”主講人之一，先后為本科生主講了“大學計算機基礎”、“計算機原理與設計”、“微型計算機原理”、“計算機體系結構”、“嵌入式系統(tǒng)課程設計”以及“仿真與模擬技術”等多門課程，為研究生主講了“系統(tǒng)模型與模擬”課程。已編寫出版了《計算機原理與設計》和《計算機體系結構》等本科教材和3部教學輔導書。主要從事網(wǎng)絡可靠性分析以及計算機仿真等方面的科研工作，在網(wǎng)絡性能參數(shù)測量、可靠性分析以及計算機建模與仿真等方面有較深入的研究。主持與參與多項科研項目，取得了多項研究成果，獲軍隊科技進步二等獎1次。近年來，在國際會議、國內期刊發(fā)表論文10余篇，教學研究論文7篇。

書籍目錄

第1章　計算機體系結構的概念
　1.1　教學指南
　1.2　主要內容
　1.2.1　計算機體系結構的有關概念
　1.2.2　計算機體系結構的發(fā)展
　1.2.3　計算機系統(tǒng)設計和分析
　1.3　典型題目解析
　1.4　習題及習題解答
第2章　指令系統(tǒng)
　2.1　教學指南
　2.2　主要內容
　2.2.1　指令系統(tǒng)結構的分類
　2.2.2　尋址方式
　2.2.3　指令系統(tǒng)的設計和優(yōu)化
　2.2.4　指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進
　2.2.5　操作數(shù)的類型和大小
　2.2.6　MIPS指令系統(tǒng)結構
　2.3　習題及習題解答
第3章　流水線技術
　3.1　教學指南
　3.2　主要內容
　3.2.1　流水線的基本概念
　3.2.2　MIPS的基本流水線
　3.2.3　流水線中的相關
　3.2.4　流水線計算機實例分析
?。∕IPS　R4000）
　3.2.5　向量處理機
　3.3　典型題目解析
　3.4　習題及習題解答
第4章　指令級并行
　4.1　教學指南
　4.2　主要內容
　4.2.1　指令級并行的概念
　4.2.2　指令的動態(tài)調度
　4.2.3　控制相關的動態(tài)解決技術
　4.2.4　多指令流出技術
　4.3　典型題目解析
　4.4　習題及習題解答
第5章　存儲層次
　5.1　教學指南
　5.2　主要內容
　5.2.1　存儲器的層次結構
　5.2.2　Cache基本知識
　5.2.3　降低Cache失效率的方法
　5.2.4　減少Cache失效開銷的方法
　5.2.5　減少Cache命中時間的方法
　5.2.6　主存
　5.2.7　虛擬存儲器
　5.2.8　存儲層次實例
　5.3　典型題目分析
　5.4　習題及習題解答
第6章　輸入輸出系統(tǒng)
　6.1　教學指南
　6.2　主要內容
　6.2.1　存儲設備
　6.2.2　I/O系統(tǒng)的性能分析
　6.2.3　I/O系統(tǒng)的可靠性
　6.2.4　RAID技術
　6.2.5　總線技術
　6.2.6　通道技術
　6.2.7　I/O系統(tǒng)性能與操作系統(tǒng)的關系
　6.3　典型題目分析
　6.4　習題及習題解答
第7章　多處理機
　7.1　教學指南
　7.2　主要內容
　7.2.1　并行計算機體系結構的分類
　7.2.2　多處理機中的存儲器一致性
　7.2.3　對稱式共享存儲器體系結構中的監(jiān)聽協(xié)議
　7.2.4　分布式共享存儲器體系結構中的目錄協(xié)議
　7.2.5　靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡與動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡
　7.2.6　同步
　7.3　典型題目分析
　7.4　習題及習題解答
第8章　機群計算機
　8.1　教學指南
　8.2　主要內容
　8.2.1　機群的基本概念和結構
　8.2.2　機群的特點
　8.2.3　機群的分類
　8.3　習題及習題解答
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：（2）當處理器通信方式復雜或程序執(zhí)行動態(tài)變化時易于編程，同時在簡化編譯器設計方面也占有優(yōu)勢。（3）當通信數(shù)據(jù)較小時，通信開銷較低，帶寬利用較好。（4）通過硬件控制的Cache減少了遠程通信的頻度，減少了通信延遲以及對共享數(shù)據(jù)的訪問沖突。消息傳遞通信機制的主要優(yōu)點列舉如下。（1）硬件較簡單。（2）通信是顯式的，從而引起編程者和編譯程序的注意，著重處理開銷大的通信。在共享存儲器上支持消息傳遞相對簡單，因為發(fā)送一條消息可通過將一部分地址空間的內容復制到另一部分地址空間來實現(xiàn)。相反，在消息傳遞的硬件上支持共享存儲器就困難得多，所有對共享存儲器的訪問均要求操作系統(tǒng)提供地址轉換和存儲保護功能，即將存儲器訪問轉換為消息的發(fā)送和接收，因而實現(xiàn)通信時軟件的巨大開銷嚴重地限制了可支持的應用程序范圍。最初的分布式存儲器機器均采用消息傳遞機制，因為它顯然較為簡單，但從長遠來看，在技術上的趨勢是朝著中等規(guī)模的分布式共享存儲器機器方向發(fā)展。7.2.2 多處理機中的存儲器一致性由于多個處理器可以對相同的存儲空間進行讀寫，故多處理機的設計必須解決好存儲器的一致性問題。1.存儲器的一致性如果對某個數(shù)據(jù)項的任何讀操作均可得到其最新寫入的值，則認為這個存儲系統(tǒng)是一致的。具體來說，若一個存儲器滿足以下3點，則稱該存儲器是一致的。（1）處理器P對X單元進行一次寫之后又對X單元進行讀，讀和寫之間沒有其他處理器對X單元進行寫，則讀的返回值總是寫進的值。（2）一個處理器對X單元進行寫之后，另一處理器對X單元進行讀，讀和寫之間無其他寫，則讀X單元的返回值應為寫進的值。（3）對同一單元的寫是順序化的，即任意兩個處理器對同一單元的兩次寫，從所有處理器看來順序都應是相同的。例如，對同一地址先寫1，再寫2，任何處理器均不會先讀到2，然后又讀到1。盡管上面3條已充分地保證了一致性，什么時候才能獲得寫進去的值仍是一個重要的問題。通常不可能要求在一個處理器對X寫后立刻就能在另外的處理器上讀出這一值，因為這在實現(xiàn)上較為復雜。

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