計算機系統結構教程（簡體書）

本書借鑒了國內外最經典的相關教材，系統地論述了計算機系統結構的基本概念、基本結構、基本方法等，強調從開發并行性的角度，用量化分析（性能評價）的方法來研究和分析計算機系統。
全書共有13章。第1章介紹基本概念、并行性的發展和定量分析基礎。第2章介紹計算機指令系統的設計和MIPS指令系統。第3章介紹流水線技術，包括性能分析、調度、相關和沖突以及流水線的實現。第4章介紹向量處理機的結構、特點和性能評價。第5章和第6章分別講述如何用硬件和軟件的方法來開發指令級并行性，包括記分牌和Tomasulo算法、基于硬件的前瞻執行、多指令流出技術、循環展開、VLIW、EPIC等。第7章介紹存儲層次，重點講述cache的基本知識及提高cache性能的各種方法。第8章介紹總線、通道處理機和RAID。第9章介紹互連網絡的特性參數、靜/動態互連網絡以及消息傳遞機制等。第10章介紹SMP、DSM、MPP等并行計算機系統結構，論述多cache一致性、同步、同時多線程。最后3章分別介紹機群計算機、陣列處理機、數據流計算機。
本書內容豐富，實例具體，語言簡練，可讀性好，通俗易懂，可作為高等院校計算機及相關專業的教學用書，也可供相關科技人員參考。

張晨曦，男，1960年9月生，漢族，福建龍巖人。他現任同濟大學軟件學院教授、博士生導師，國家級“中青年有突出貢獻專家”，國家傑出青年基金獲得者，先后主持了4項國家自然科學基金項目。1988年獲博士學位，后一直在國防科技大學計算機學院工作，2005年9月調入同濟大學。 張晨曦負責建設的計算機系統結構課程被評為2008年度國家級精品課程。他主講計算機系統結構課程和從事系統結構的研究20余年，進行了一系列的教學改革和課程建設，取得了突出的成績。 他于1992年開發出了國內第一套系統結構CA1課件（含30個動畫），在清華、北大等全國10多所高校應用，并于2003年完成教育部的新世紀網絡課程建設工程項目“計算機體系結構網絡課程”。 他負責編寫出版的《計算機系統結構》（高等教育出版社）是“十五”和“十一五”國家級規劃教材，該教材2002年獲全國普通高等學校優秀教材2等獎，在全國至少有50所大學采用了該教材。2006年他負責主編的3本教材被列為“十一五”國家級規劃教材。他撰寫專著兩部（第2作者），教材3本（第1作者）。其專著《新一代計算機》由荷蘭North—Holland出版社出版，另一部1992年獲“國家教委優秀專著特等獎”，1993年獲“全國優秀科技圖書一等獎”。他發表學術研究論文90多篇，其中在《中國科學》、《計算機學報》等一級刊物上發表8篇，國外發表20多篇，并有18篇被國際八大檢索工具收錄。 張晨曦獲部委級科技進步一等獎兩項（排名第2）、二等獎一項（排名第2），獲部委級教學成果二、三等獎各一項。 2007年他獲寶鋼優秀教師獎和上海市育才獎，2008年獲上海高校教學名師獎。1991年他被國家教委授予“做出突出貢獻的中國博士”光榮稱號，還被評為湖南省科技青年“十佳”之一。1993年他被評為“全軍優秀教師”，1993年和1995年兩次獲“霍英東青年教師獎”，1995年獲第4屆“中國青年科技獎”。張晨曦從事教師工作多年，從15歲起當中學教師，對教學方法和現代教育技術有深入的研究，提出了面向遠程教育和CAI的動畫解析教學法。 業余愛好：攝影

第1章 計算機系統結構的基礎知識11.1 計算機系統結構的基本概念1
1.1.1 計算機系統的層次結構2
1.1.2 計算機系統結構的定義3
1.1.3 計算機組成和計算機實現3
1.1.4 計算機系統結構的分類4
1.2 計算機系統的設計7
1.2.1 計算機系統設計的定量原理7
1.2.2 計算機系統設計者的主要任務10
1.2.3 計算機系統設計的主要方法12
1.3 計算機系統的性能評測13
1.4 計算機系統結構的發展17
1.4.1 馮·諾依曼結構及其改進17
1.4.2 軟件對系統結構的影響19
1.4.3 器件發展對系統結構的影響22
1.4.4 應用對系統結構的影響23
1.5 計算機系統結構中并行性的發展23
1.5.1 并行性的概念23
1.5.2 提高并行性的技術途徑25
1.5.3 單機系統中并行性的發展25
1.5.4 多機系統中并行性的發展26
1.5.5 并行機的發展變化27
習題128
第2章 指令系統的設計30
2.1 指令系統結構的分類30
2.2 尋址方式33
2.3 指令系統的設計和優化35
2.3.1 指令系統設計的基本原則35
2.3.2 控制指令36
2.3.3 指令操作碼的優化37
2.3.4 指令字格式的優化40
2.4 指令系統的發展和改進42
2.4.1 沿CISC方向發展和改進指令系統42
2.4.2 沿RISC方向發展和改進指令系統44
2.5 操作數的類型和大小45
2.6 MIPS指令系統結構47
2.6.1 MIPS的寄存器47
2.6.2 MIPS的數據表示47
2.6.3 MIPS的數據尋址方式47
2.6.4 MIPS的指令格式48
2.6.5 MIPS的操作49
2.6.6 MIPS的控制指令50
2.6.7 MIPS的浮點操作51
習題251
目 錄 計算機系統結構教程第3章 流水線技術53
3.1 流水線的基本概念53
3.1.1 什么是流水線53
3.1.2 流水線的分類55
3.2 流水線的性能指標58
3.2.1 流水線的吞吐率58
3.2.2 流水線的加速比60
3.2.3 流水線的效率61
3.2.4 流水線性能分析舉例62
3.2.5 流水線設計中的若干問題64
3.3 非線性流水線的調度64
3.3.1 單功能非線性流水線的最優調度65
3.3.2 多功能非線性流水線的調度67
3.4 流水線的相關與沖突70
3.4.1 一條經典的5段流水線70
3.4.2 相關與流水線沖突72
3.5 流水線的實現83
3.5.1 MIPS的一種簡單實現83
3.5.2 基本的MIPS流水線86
習題390
第4章 向量處理機93
4.1 向量的處理方式93
4.2 向量處理機的結構95
4.2.1 “存儲器-存儲器”結構95
4.2.2 “寄存器-寄存器”結構95
4.3 提高向量處理機性能的常用技術97
4.3.1 設置多個功能部件98
4.3.2 鏈接技術98
4.3.3 分段開采技術101
4.3.4 采用多處理機系統102
4.4 向量處理機的性能評價102
4.4.1 向量指令的處理時間Tvp102
4.4.2 最大性能R∞和半性能向量長度n1/2105
4.4.3 向量長度臨界值nv106
4.5 向量處理機實例106
4.5.1 具有代表性的向量處理機106
4.5.2 Cray Y-MP和C-90107
4.5.3 NECSX-X44108
習題4109
第5章 指令級并行及其開發--硬件方法111
5.1 指令級并行的概念111
5.2 相關與指令級并行112
5.3 指令的動態調度113
5.3.1 動態調度的基本思想113
5.3.2 記分牌動態調度方法115
5.3.3 Tomasulo算法122
5.4 動態分支預測技術133
5.4.1 采用分支歷史表BHT 134
5.4.2 采用分支目標緩沖器BTB135
5.4.3 基于硬件的前瞻執行137
5.5 多指令流出技術141
5.5.1 基于靜態調度的多流出技術143
5.5.2 基于動態調度的多流出技術144
5.5.3 超長指令字技術147
5.5.4 多流出處理器受到的限制148
5.5.5 超流水線處理機149
習題5152
第6章 指令級并行的開發--軟件方法153
6.1 基本指令調度及循環展開153
6.1.1 指令調度的基本方法153
6.1.2 循環展開155
6.2 跨越基本塊的靜態指令調度157
6.2.1 全局指令調度157
6.2.2 蹤跡調度159
6.2.3 超塊調度162
6.3 靜態多指令流出： VLIW技術163
6.4 顯式并行指令計算EPIC165
6.4.1 非綁定分支166
6.4.2 謂詞執行166
6.4.3 前瞻執行169
6.5 開發更多的指令級并行172
6.5.1 挖掘更多的循環級并行172
6.5.2 軟流水178
6.6 實例： IA-64體系結構180
6.6.1 IA-64的指令格式181
6.6.2 IA-64的謂詞執行機制184
6.6.3 IA-64的前瞻執行機制185
習題6186
第7章 存儲系統188
7.1 存儲系統的層次結構188
7.1.1 存儲系統的層次結構188
7.1.2 存儲系統的性能參數189
7.1.3 三級存儲系統190
7.1.4 存儲層次的四個問題192
7.2 Cache基本知識192
7.2.1 基本結構和原理192
7.2.2 映像規則193
7.2.3 查找方法195
7.2.4 Cache的工作過程197
7.2.5 替換算法198
7.2.6 寫策略202
7.2.7 Cache性能分析203
7.2.8 改進Cache性能205
7.3 降低Cache不命中率205
7.3.1 三種類型的不命中206
7.3.2 增加Cache塊大小208
7.3.3 增加Cache的容量209
7.3.4 提高相聯度209
7.3.5 偽相聯Cache209
7.3.6 硬件預取210
7.3.7 編譯器控制的預取210
7.3.8 編譯優化211
7.3.9 “犧牲”Cache213
7.4 減少Cache不命中開銷214
7.4.1 采用兩級Cache214
7.4.2 讓讀不命中優先于寫217
7.4.3 寫緩沖合并217
7.4.4 請求字處理技術218
7.4.5 非阻塞Cache技術218
7.5 減少命中時間219
7.5.1 容量小、結構簡單的Cache219
7.5.2 虛擬Cache219
7.5.3 Cache訪問流水化222
7.5.4 蹤跡Cache222
7.5.5 Cache優化技術總結222
7.6 并行主存系統223
7.6.1 單體多字存儲器224
7.6.2 多體交叉存儲器224
7.6.3 避免存儲體沖突229
7.7 虛擬存儲器230
7.7.1 基本概念230
7.7.2 快速地址轉換技術231
7.7.3 頁式虛擬存儲器實例： 64位Opteron的存儲管理232
7.8 實例： AMD Opteron的存儲器層次結構234
習題7238
第8章 輸入輸出系統241
8.1 I/O系統的性能241
8.2 I/O系統的可靠性、可用性和可信性242
8.3 廉價磁盤冗余陣列RAID243
8.3.1 RAID0245
8.3.2 RAID1245
8.3.3 RAID2246
8.3.4 RAID3246
8.3.5 RAID4247
8.3.6 RAID5248
8.3.7 RAID6249
8.3.8 RAID10與RAID01249
8.3.9 RAID的實現與發展249
8.4 總線250
8.4.1 總線的設計250
8.4.2 總線標準和實例252
8.4.3 與CPU的連接253
8.5 通道處理機254
8.5.1 通道的作用和功能254
8.5.2 通道的工作過程255
8.5.3 通道種類257
8.5.4 通道流量分析259
8.6 I/O與操作系統261
8.6.1 DMA和虛擬存儲器261
8.6.2 I/O和Cache數據一致性261
習題8263
第9章 互連網絡266
9.1 互連函數266
9.1.1 互連函數的表示方法266
9.1.2 幾種基本的互連函數267
9.2 互連網絡的結構參數與性能指標 272
9.2.1 互連網絡的結構參數272
9.2.2 互連網絡的性能指標273
9.3 靜態互連網絡273
9.4 動態互連網絡279
9.4.1 總線網絡279
9.4.2 交叉開關網絡280
9.4.3 多級互連網絡281
9.4.4 動態互連網絡的比較284
9.5 消息傳遞機制285
9.5.1 消息尋徑方案285
9.5.2 死鎖與虛擬通道288
9.5.3 流控制策略289
9.5.4 選播和廣播尋徑算法292
習題9294
第10章 多處理機296
10.1 引言296
10.1.1 并行計算機系統結構的分類297
10.1.2 存儲器系統結構和通信機制298
10.1.3 并行處理面臨的挑戰300
10.2 對稱式共享存儲器系統結構302
10.2.1 多處理機Cache一致性302
10.2.2 實現一致性的基本方案303
10.2.3 監聽協議的實現306
10.3 分布式共享存儲器系統結構310
10.3.1 目錄協議的基本思想310
10.3.2 目錄協議實例313
10.3.3 目錄的三種結構316
10.4 同步318
10.4.1 基本硬件原語318
10.4.2 用一致性實現鎖320
10.4.3 同步性能問題322
10.5 同時多線程324
10.5.1 將線程級并行轉換為指令級并行325
10.5.2 同時多線程處理器的設計326
10.5.3 同時多線程的性能327
10.6 大規模并行處理機MPP329
10.6.1 并行計算機系統結構329
10.6.2 大規模并行處理機MPP331
10.7 多處理機實例1: T1333
10.8 多處理機實例2: Origin 2000338
習題10344
第11章 機群系統345
11.1 機群的基本結構346
11.1.1 機群的硬件組成346
11.1.2 機群的軟件347
11.2 機群的特點348
11.3 機群的分類349
11.4 典型機群系統簡介350
11.4.1 Berkeley NOW350
11.4.2 Beowulf351
11.4.3 LAMP351
11.4.4 IBM SP2351
習題11353
第12章 陣列處理機354
12.1 陣列處理機的操作模型和特點354
12.2 陣列處理機的基本結構355
12.2.1 分布式存儲器的陣列機355
12.2.2 共享存儲器的陣列機356
12.3 陣列處理機實例357
12.3.1 實例1: Illiac IV陣列處理機357
12.3.2 實例2: BSP計算機360
12.4 陣列處理機的并行算法舉例363
習題12367
第13章 數據流計算機369
13.1 數據流計算機的基本原理369
13.1.1 數據驅動原理369
13.1.2 數據流計算機中指令的執行過程370
13.1.3 數據流計算機的指令結構371
13.2 數據流程序圖和數據流語言371
13.2.1 數據流程序圖372
13.2.2 數據流語言及其性質375
13.3 數據流計算機結構376
13.3.1 靜態數據流計算機377
13.3.2 動態數據流計算機378
13.4 數據流計算機的評價381
13.4.1 數據流計算機的優點381
13.4.2 數據流計算機的缺點382
13.4.3 數據流計算機設計中需解決的問題383
習題13383
參考文獻385