計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前言

　  《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）》與廣大讀者見面了。該版在原版的基礎(chǔ)上，增加了I/O系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)兩個(gè)方面的內(nèi)容，即第7章至第10章。為保持原版的模塊串接的風(fēng)格，I/O系統(tǒng)內(nèi)容分為第7章和第8章，存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)容分為第9章和第10章。同時(shí)去掉了已經(jīng)過時(shí)的第1版中的第10章（陳列處理機(jī)系統(tǒng)）。這樣全書就由15章構(gòu)成。這15章系統(tǒng)完整地介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課所要講授的內(nèi)容，全面地反映了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展成果?！? 作者對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一些問題有自己的理解或見解，且用自己的語言去表述。這些問題包括對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)術(shù)語和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課性質(zhì)的理解；用圖表法構(gòu)造哈夫曼樹的方法以及對(duì)PDP-11整個(gè)指令系統(tǒng)的分析；對(duì)流水線概念的表述及其結(jié)構(gòu)和性能的分析；多功能非線性流水線表示及其無沖突調(diào)度的步驟、有關(guān)術(shù)語和狀態(tài)變換圖的理解和表述；互連函數(shù)的分析方法以及對(duì)互連代數(shù)的理解；Omega互連網(wǎng)絡(luò)阻塞原因分析及解決方法；對(duì)多處理器系統(tǒng)cache不一致原因的分析及維護(hù)cache一致性協(xié)議的理解；多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及其軟件方案等。希望這些內(nèi)容有助于讀者理解和掌握相關(guān)問題?！? 本書的章節(jié)組織與課堂教學(xué)安排相一致，文字言簡意賅與教學(xué)用語相吻合，書中文圖并茂，語言通俗習(xí)懂，可讀性好，適宜作教學(xué)用書?！? 參加本書修訂再版工作的還有王穎、王玉華、李鴻桐、黃碩之、李海迎、賈雯、李海恩、李洪等人。　  感謝清華大學(xué)出版社對(duì)這次修訂再版工作所給予的大力支持與幫助。李文兵2011年5月第1版前言　  《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》終于與廣大讀者見面了。　  本書由作者講授“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教案編寫而成，是長期教授這門課的積淀，是學(xué)習(xí)與研究先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的心得，是搞科研項(xiàng)目的體驗(yàn)。希望本書能受到大家的歡迎。　  本書的特點(diǎn)是精、順、透。　  “精”是對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了精選。首先，去掉了在前序課“計(jì)算機(jī)組成原理”中已較為詳盡介紹的存儲(chǔ)器系統(tǒng)和I/O系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，其余的內(nèi)容被歸納為12章，力求突出重點(diǎn)，把問題講清講透，不求面面俱到。此外，充分利用圖與表，文風(fēng)追求言簡意賅?！? “順”是指本書在體現(xiàn)該課程體系和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，各章的內(nèi)容安排、前后銜接力求做到順當(dāng)流暢。這表現(xiàn)在，在內(nèi)容安排上前為后所用，后用前所有；12章內(nèi)容由一條主線貫穿，這就是性能。粗略地說，前6章主要介紹時(shí)間并行技術(shù)，后6章主要介紹空間并行，但不管哪項(xiàng)技術(shù)都是為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，每章也都是圍繞這條主線展開來講解的。　  “透”就是問題講得透。作者對(duì)這門課所涉及的問題做了較為深入的研究，因此，能把這些問題講得較為清楚明白，也使得本書有較好的可讀性。就在寫這個(gè)前言時(shí)，這些問題仍不斷地浮現(xiàn)在作者的腦海里，諸如指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、多功能非線性流水線的無沖突調(diào)度、互連函數(shù)與互連代數(shù)、互連網(wǎng)絡(luò)的阻塞、多處理器系統(tǒng)中的cache一致性等問題。相信讀者在讀本書時(shí)，對(duì)這些問題的認(rèn)識(shí)會(huì)有所提高，有所收獲?！? 歡迎廣大師生將本書選做教材。使用時(shí)，建議根據(jù)學(xué)員的基礎(chǔ)與學(xué)時(shí)計(jì)劃，每章用2～4個(gè)學(xué)時(shí)，總學(xué)時(shí)數(shù)可控制在30～50之間?！? “計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是一門專業(yè)性很強(qiáng)的課程，加之計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其技術(shù)發(fā)展又很快，12章內(nèi)容只是作者的認(rèn)識(shí)和理解，限于水平，缺點(diǎn)和錯(cuò)誤在所難免，歡迎廣大讀者提出寶貴意見和建議?！? 參與本書編寫工作的還有張景輝、李春華、王玉華、李海迎、黃碩之、賈雯和李海恩等同志。他們對(duì)本書的編寫都做了一定的工作，在此向他們表示謝意?！? 作者與清華大學(xué)出版社有著長期的良好的合作關(guān)系，在出版、發(fā)行過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)上，包括本書的編寫與出版，一直得到清華大學(xué)出版社的大力支持與幫助。借此機(jī)會(huì)向清華大學(xué)出版社領(lǐng)導(dǎo)及有關(guān)的全體人員表示衷心的感謝?！? 李文兵2008年5月

內(nèi)容概要

　　本書是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的配套教材。全書圍繞如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能這一主線，從處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、i/o系統(tǒng)和并行處理系統(tǒng)4個(gè)方面，分為15章進(jìn)行講解。第1章給出了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的定量分析和測(cè)試方法。第2章～第6章介紹提高處理器性能的指令系統(tǒng)優(yōu)化編碼方法、流水線技術(shù)和向量處理機(jī)。第7章、第8章介紹了i/o系統(tǒng)及提高其性能的技術(shù)。第9章和第10章介紹了存儲(chǔ)系統(tǒng)及提高其性能的各種技術(shù)。第11章～第13章介紹了互連函數(shù)、互連網(wǎng)絡(luò)及消息傳遞機(jī)制，分析了消息傳遞機(jī)制的方法和尋徑算法。第14章和第15章介紹了多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這兩個(gè)并行處理系統(tǒng)，說明了它們的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行軟件的設(shè)計(jì)。
　　本書章節(jié)篇幅較小，便于教學(xué)，適應(yīng)各種學(xué)時(shí)安排；本教材所涉及的許多問題，有作者自己的理解或見解；文筆言簡意賅，圖文共茂，可讀性好。
　　本書適宜作為計(jì)算機(jī)或相關(guān)專業(yè)本科或碩士研究生教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

作者簡介

李文兵，教授，天津市自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事，天津市單片機(jī)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，享受國務(wù)院特殊津貼。自1967年清華大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)后，長期從事大學(xué)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件工程的教學(xué)工作，主要研究方向是計(jì)算機(jī)并行處理、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的開發(fā)以及過程控制項(xiàng)目的研制，是國內(nèi)最早致力于C語言介紹、研究、開發(fā)的計(jì)算機(jī)工作者，被譽(yù)為國內(nèi)研究C的先行者之一。主要著作有《IBM PC C語言教程》、《IBM PC C語言例題習(xí)題庫函數(shù)》、《C編譯系統(tǒng)》(集成軟件)、《C語言學(xué)習(xí)指導(dǎo)》、《Turbo C及其應(yīng)用開發(fā)》、《.PC C語言教程》、《C應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》(共4版)和《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》(共2版)，其中《PC C語言教程》榮獲國家第三屆普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材：二等獎(jiǎng)，《計(jì)算機(jī)組成原理》榮獲全國高校出版社優(yōu)秀暢銷書一等獎(jiǎng)。

書籍目錄

第1章 緒論1
　1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1
　1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3
　1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的定量分析與測(cè)試5
　習(xí)題10
第2章 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)12
　2.1 指令系統(tǒng)12
　2.2 操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)13
　2.3 地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)18
　2.4 指令系統(tǒng)的優(yōu)化21
　2.5 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)24
　習(xí)題27
第3章 流水線處理機(jī)28
　3.1 流水線的概念28
　3.2 流水線結(jié)構(gòu)31
　3.3 線性流水線的性能分析34
　習(xí)題42
第4章 流水線的相關(guān)處理技術(shù)43
　4.1 流水作業(yè)的相關(guān)問題和冒險(xiǎn)43
　.4.2 流水線局部相關(guān)的處理技術(shù)45
　4.3 流水線全局相關(guān)的處理技術(shù)48
　習(xí)題50
第5章 多功能非線性流水線的調(diào)度51
　5.1 多功能非線性流水線表示51
　5.2 無沖突調(diào)度52
　5.3 流水線調(diào)度的優(yōu)化54
　習(xí)題55
第6章 向量處理機(jī)59
　6.1 向量及其處理59
　6.2 向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)60
　6.3 向量指令64
　6.4 向量處理機(jī)的存儲(chǔ)器69
　習(xí)題72
第7章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線73
　7.1 系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)73
　7.2 總線標(biāo)準(zhǔn)75
　7.3 總線接口及其標(biāo)準(zhǔn)83
　習(xí)題88
第8章 計(jì)算機(jī)主機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送方式89
　8.1 程序查詢方式89
　8.2 程序中斷方式90
　8.3 dma方式95
　8.4 通道方式100
　習(xí)題105
第9章 主存與輔存107
　9.1 主存的多體組織107
　9.2 磁盤存儲(chǔ)技術(shù)109
　9.3 冗余磁盤陣列113
　習(xí)題118
第10章 存儲(chǔ)體系120
　10.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和相聯(lián)存儲(chǔ)器120
　10.2 高速緩沖存儲(chǔ)器123
　10.3 虛擬存儲(chǔ)器132
　習(xí)題137
第11章 互連函數(shù)及互連代數(shù)140
　11.1 互連網(wǎng)絡(luò)的概念140
　11.2 互連函數(shù)142
　11.3 互連代數(shù)153
　習(xí)題155
第12章 互連網(wǎng)絡(luò)156
　12.1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)156
　12.2 靜態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)157
　12.3 動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)162
　習(xí)題171
第13章 消息傳遞機(jī)制173
　13.1 消息及其格式173
　13.2 消息尋徑方式173
　13.3 消息尋徑算法177
　習(xí)題183
第14章 多處理器系統(tǒng)184
　14.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)184
　14.2 集成方式185
　14.3 高速緩存的一致性問題189
　習(xí)題194
第15章 多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)196
　15.1 集群的優(yōu)勢(shì)196
　15.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)196
　15.3 并行程序設(shè)計(jì)199
　習(xí)題205
參考文獻(xiàn)206

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：2.監(jiān)聽方式協(xié)議要維護(hù)cache的一致性，就要實(shí)時(shí)跟蹤共享數(shù)據(jù)的狀態(tài)，及時(shí)對(duì)它們進(jìn)行處理。目前，廣泛采用的技術(shù)有兩種。這里，首先介紹監(jiān)聽方式協(xié)議。監(jiān)聽方式是指在多處理器系統(tǒng)中，各處理器通過監(jiān)聽存儲(chǔ)器總線，來監(jiān)測(cè)共享數(shù)據(jù)的地址，以維護(hù)高速緩存一致性的方法。它有如下兩種可用協(xié)議。（1）寫無效協(xié)議（write invalidate protoc01）  它是在本地cache的數(shù)據(jù)塊更新時(shí)，使所有其他cache副本都無效。無效的數(shù)據(jù)塊被稱為臟（dirty）塊，表示不能再使用了。①寫無效操作的實(shí)現(xiàn)  執(zhí)行寫操作的處理器首先要取得總線控制權(quán)；然后根據(jù)所寫數(shù)據(jù)塊的共享狀態(tài)標(biāo)志位的值，來判定是否通過總線發(fā)送無效操作，是共享，則發(fā)送一個(gè)無效操作，并把該塊的共享標(biāo)志位置為“0”（表示私有）。這表明，該處理器成為該塊的唯一擁有者。之后，這個(gè)處理器就不會(huì)再發(fā)送該數(shù)據(jù)塊的無效操作了。這是因?yàn)閷憻o效協(xié)議規(guī)定，只在第一次對(duì)數(shù)據(jù)塊中的字節(jié)進(jìn)行寫操作時(shí)設(shè)置一次無效。在發(fā)送無效操作后，擁有者的cache塊會(huì)因所采用的寫策略的不同而產(chǎn)生不同的狀態(tài)。對(duì)于直接寫cache來說，該cache塊和主存中的相應(yīng)塊的副本同時(shí)被修改，而這時(shí)其他處理器的cache已都無共享的副本。這時(shí)該塊被稱為非共享狀態(tài)。而對(duì)于回寫cache來說，只有該cache中的副本被修改，這個(gè)被修改的值為該cache塊擁有者獨(dú)有。這時(shí)，該塊被稱為獨(dú)占狀態(tài)。處理器在執(zhí)行寫操作時(shí)，如果共享標(biāo)志位判定結(jié)果為私有，說明其他cache中沒有該數(shù)據(jù)的副本。這時(shí)，如果cache是回寫式的，就不需要通過總線進(jìn)行寫操作了。可見，回寫式cache可以提高系統(tǒng)性能，節(jié)省帶寬。②讀缺失（read miss）的解決  無效操作也會(huì)導(dǎo)致讀缺失，即要訪問的數(shù)據(jù)塊不在cache-中。這時(shí)，如何查找該數(shù)據(jù)項(xiàng)的最新值，要根據(jù)cache所采用的策略來進(jìn)行。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第2版)》為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·計(jì)算機(jī)原理之一。

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