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第1章 计算机系统结构的基本概念1

1.1 引言1

1.2 计算机系统结构的概念2

1.2.1 计算机系统的层次结构2

1.2.2 计算机系统结构的定义3

1.2.3 计算机组成和计算机实现4

1.2.4 计算机系统结构的分类5

1.3 定量分析技术6

1.3.1 计算机系统设计的定量原理6

1.3.2 计算机系统的性能评测11

1.4 计算机系统结构的发展15

1.4.1 冯·诺依曼结构15

1.4.2 软件对系统结构的影响17

1.4.3 器件发展对系统结构的影响19

1.4.4 应用对系统结构的影响20

1.4.5 系统结构的生命周期20

1.5 计算机系统结构中并行性的发展21

1.5.1 并行性的概念21

1.5.2 提高并行性的技术途径22

1.5.3 单机系统中并行性的发展22

1.5.4 多机系统中并行性的发展23

习题124

第2章 计算机指令集结构26

2.1 指令集结构的分类26

2.2 寻址方式29

2.3 指令集结构的功能设计32

2.3.1 CISC指令集结构的功能设计33

2.3.2 RISC指令集结构的功能设计36

2.3.3 控制指令38

2.4 操作数的类型和大小39

2.5 指令格式的设计41

2.6 MIPS指令集结构42

2.6.1 MIPS的寄存器43

2.6.2 MIPS的数据表示43

2.6.3 MIPS的数据寻址方式43

2.6.4 MIPS的指令格式44

2.6.5 MIPS的操作45

2.6.6 MIPS的控制指令46

2.6.7 MIPS的浮点操作47

习题247

第3章 流水线技术49

3.1 重叠执行和先行控制49

3.1.1 重叠执行49

3.1.2 先行控制53

3.2 流水线的基本概念55

3.2.1 什么是流水线55

3.2.2 流水线的分类57

3.3 流水线的性能指标60

3.3.1 吞吐率60

3.3.2 加速比64

3.3.3 效率64

3.3.4 流水线性能分析举例65

3.3.5 流水线设计中的若干问题67

3.4 流水线的相关与冲突68

3.4.1 一个经典的5段流水线68

3.4.2 相关71

3.4.3 流水线冲突73

3.5 流水线的实现86

3.5.1 MIPS的一种简单实现86

3.5.2 基本的MIPS流水线89

3.6 向量处理机95

3.6.1 向量处理方式95

3.6.2 向量处理机的结构98

3.6.3 提高向量处理机性能的方法99

3.6.4 向量处理机的性能评价103

习题3108

第4章 指令级并行111

4.1 指令级并行的概念111

4.2 指令的动态调度114

4.2.1 动态调度的基本思想114

4.2.2 Tomasulo算法116

4.3 动态分支预测技术126

4.3.1 采用分支历史表127

4.3.2 采用分支目标缓冲器128

4.3.3 基于硬件的前瞻执行130

4.4 多指令流出技术134

4.4.1 基于静态调度的多流出技术136

4.4.2 基于动态调度的多流出技术138

4.4.3 超长指令字技术140

4.4.4 多流出处理器受到的限制141

4.4.5 超流水线处理机142

4.5 循环展开和指令调度146

4.5.1 循环展开和指令调度的基本方法146

4.5.2 静态超标量处理机中的循环展开150

习题4151

第5章 存储层次154

5.1 存储器的层次结构154

5.1.1 从单级存储器到多级存储器154

5.1.2 存储层次的性能参数155

5.1.3 “Cache-主存”和“主存-辅存”层次156

5.1.4 存储层次的4个问题158

5.2 Cache基本知识158

5.2.1 映像规则159

5.2.2 查找方法161

5.2.3 替换算法162

5.2.4 写策略163

5.2.5 Cache的结构165

5.2.6 Cache性能分析168

5.2.7 改进Cache性能172

5.3 降低Cache失效率的方法172

5.3.1 增加Cache块大小176

5.3.2 提高相联度178

5.3.3 增加Cache的容量179

5.3.4 VictimCache179

5.3.5 伪相联映像Cache180

5.3.6 硬件预取182

5.3.7 编译器控制的预取183

5.3.8 编译器优化185

5.4 减少Cache失效开销190

5.4.1 让读失效优先于写190

5.4.2 写缓冲合并191

5.4.3 请求字处理技术192

5.4.4 非阻塞Cache技术192

5.4.5 采用两级Cache194

5.5 减少命中时间197

5.5.1 容量小、结构简单的Cache197

5.5.2 虚拟Cache197

5.5.3 Cache访问流水化200

5.5.4 TraceCache200

5.5.5 Cache优化技术总结200

5.6 主存202

5.7 虚拟存储器208

5.7.1 虚拟存储器的基本原理208

5.7.2 快表210

5.8 进程保护和虚存实例212

5.8.1 进程保护212

5.8.2 页式虚存实例：AlphaAXP的存储管理和21064的TLB213

5.9 AlphaAXP21064存储层次216

习题5219

第6章 输入／输出系统222

6.1 I／O系统性能与CPU性能222

6.2 I／O系统的可靠性、可用性和可信性223

6.3 廉价磁盘冗余阵列RAID224

6.3.1 RAID0227

6.3.2 RAID1227

6.3.3 RAID2228

6.3.4 RAID3229

6.3.5 RAID4230

6.3.6 RAID5231

6.3.7 RAID6231

6.3.8 RAID10与RAID01232

6.3.9 RAID的实现与发展232

6.4 总线233

6.4.1 总线的设计234

6.4.2 总线标准和实例235

6.4.3 与CPU的连接237

6.5 通道处理机238

6.5.1 通道的作用和功能238

6.5.2 通道的工作过程239

6.5.3 通道的种类242

6.5.4 通道中的数据传送过程与流量分析244

6.6 I／O与操作系统247

6.6.1 DMA和虚拟存储器247

6.6.2 I／0和Cache数据一致性247

6.6.3 异步I／0250

习题6250

第7章 互连网络252

7.1 互连网络的基本概念252

7.1.1 互连网络的功能和特征252

7.1.2 互连函数253

7.1.3 互连网络的特性参数256

7.2 互连网络的结构257

7.2.1 静态互连网络257

7.2.2 动态互连网络261

习题7265

第8章 多处理机267

8.1 引言267

8.1.1 并行计算机系统结构的分类267

8.1.2 通信模型和存储器的结构模型269

8.1.3 并行处理面临的挑战271

8.2 对称式共享存储器系统结构273

8.2.1 多处理机Cache一致性274

8.2.2 实现一致性的基本方案275

8.2.3 监听协议及其实现277

8.3 分布式共享存储器系统结构279

8.3.1 基于目录的Cache一致性279

8.3.2 目录协议及其实现282

8.4 同步283

8.4.1 基本硬件原语284

8.4.2 用一致性实现锁285

8.4.3 同步性能问题288

8.5 同时多线程290

8.5.1 将线程级并行转换为指令级并行291

8.5.2 同时多线程处理器的设计292

8.5.3 同时多线程的性能293

8.6 多处理机实例295

习题8298

第9章 机群计算机300

9.1 机群的基本概念和结构300

9.1.1 机群的基本结构300

9.1.2 机群的软件模型301

9.2 机群的特点303

9.3 机群的分类304

9.4 典型机群系统简介305

9.4.1 BerkeleyNOW305

9.4.2 Beowulf305

9.4.3 LAMP306

9.4.4 IBMSP2306

习题9308

主要参考文献309