計算機系統結構教程(第3版)（簡體書）

前言

本書是《計算機系統結構教程》（第2版）（清華大學出版社，2014年）的修訂版，是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。本書的第1版於2011年被評為國家級精品課程教材。為了適應現代教學的需要，反映計算機技術的新發展，我們對該教材進行了修訂和補充，並且採用了微課的形式，為本書配備了教學動畫和視頻。

本書適用於重點高等院校的計算機、軟件工程等相關專業本科生和研究生。在內容的選取上，本書不僅強調採用目前國際上流行的量化分析方法，注意介紹新技術和新方法，而且注重對經典的結構和思想等的論述和分析。

本書的主要特點是:

（1) 取材先進，體系完整，覆蓋面廣，深度與廣度相結合。

（2) 採用微課形式，配有850分鐘的教學視頻。這些教學視頻中採用了大量的動畫課件，使用它們進行教學或者自學，能達到非常好的教學效果。

（3) 配有基於模擬器的實驗（見《計算機系統結構實踐教程》（第2版），張晨曦等，清華大學出版社），對於深入理解和掌握本課程內容有很大的幫助。模擬器是編者團隊自己開發的，擁有自主版權。

（4) 配有教學（或自學）指導教材《計算機系統結構學習指導與題解》（第2版）（張晨曦等，清華大學出版社）。

(5) 提供教學動畫課件和教學PPT課件。

(6) 提供在線題庫，包括填空題、單選題、多選題、名詞解釋、簡答題、綜合題。

（7) 重點突出，可讀性好，語言簡練，通俗易懂。資源下載提示

課件等資源: 掃描封底的“課件下載”二維碼，在公眾號“書圈”下載。

素材（源碼）等資源：掃描目錄上方的二維碼下載。

在線作業: 掃描封底作業系統二維碼，登錄網站在線做題及查看答案。

視頻等資源: 掃描封底刮刮卡中的二維碼，再掃描書中相應章節中的二維碼，可以在線學習。全書共有14章，各章內容如下。

第1章論述計算機系統結構的概念以及系統結構和並行性的發展，並介紹定量分析基礎。

第2章為指令系統的設計，論述計算機指令系統設計的各個方面，包括指令系統的分類、尋址技術、功能設計、格式設計以及指令系統的發展和改進，並且介紹一種RISC計算機——MIPS的指令系統。

第3章為流水線技術，論述流水線的基本概念、分類和性能分析、非線性流水線的調度，介紹流水線中的相關與衝突問題及其解決方法，並以MIPS為例討論流水線的實現。

第4章為向量處理機，論述向量處理機的結構和特點、提高向量處理機性能的方法以及向量處理機的性能評價，並介紹了三個向量處理機實例。

第5章和第6章分別論述如何用硬件和軟件的方法開發指令級並行。第5章的具體內容包括指令級並行的概念、記分牌和Tomasulo動態調度算法、基於硬件的前瞻執行以及多指令流出技術等。第6章的內容包括循環展開和基本指令調度、跨越基本塊的靜態指令調度、VLIW技術、顯式指令並行執行EPIC等，並介紹一個實例——Intel Itanium 處理器。

第7章為存儲系統，論述Cache的基本知識、降低Cache不命中率的方法、減少Cache不命中開銷的方法以及減少命中時間的方法，並對並行主存和虛擬存儲器做簡要討論。最後介紹一個存儲層次實例——AMD Opteron的存儲器層次結構。

第8章為輸入輸出系統，論述總線及其與CPU/存儲器的連接、通道處理機及其流量分析，並詳細論述廉價磁盤冗余陣列RAID。

第9章為互連網絡，論述互連函數、互連網絡的特性參數、靜態互連網絡、動態互連網絡以及消息傳遞機制等。

第10章為多處理機，論述對稱式共享存儲器系統結構、分布式共享存儲器系統結構、多Cache一致性、同步、同時多線程以及MPP，並介紹多處理機實例。

第11章為多核架構與編程，論述對多核架構的需求、幾種多核架構以及基於多核的並行程序設計。

第12章為機群系統，論述機群的結構、軟件模型以及機群的分類，並介紹5個典型的機群系統，包括我國自主研制的天河2號。

第13章為陣列處理機，論述陣列處理機的操作模型、結構和特點以及並行算法，並介紹兩個陣列處理機實例。

第14章為數據流計算機，論述數據流計算機模型、數據流程序圖和數據流語言、靜態數據流計算機結構以及動態數據流計算機結構。

本書的大部分內容由張晨曦教授編寫，包括第1～3章、第7～9章、第13章和第14章，王志英教授編寫了第10章，沈立教授編寫了第6章和第12章，李江峰副教授編寫了第4章和第5章，並與王偉副教授一起編寫了第11章。

本書直接或間接地引用了許多專家和學者的文獻或著作，在此向他們表示衷心的感謝。

由於編者水平有限，書中難免有疏漏和不妥之處，敬請讀者批評指正。 編者2021年4月於上海

目錄

第1章計算機系統結構的基礎知識1

1.1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21

1.4.4應用對系統結構的影響22

1.5計算機系統結構中並行性的發展23

1.5.1並行性的概念23

1.5.2提高並行性的技術途徑25

1.5.3單機系統中並行性的發展25

1.5.4多機系統中並行性的發展25

1.5.5並行機的發展變化26

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32

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目錄計算機系統結構教程(第3版)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

2.6MIPS指令系統結構47

2.6.1MIPS的寄存器47

2.6.2MIPS的數據表示47

2.6.3MIPS的數據尋址方式47

2.6.4MIPS的指令格式48

2.6.5MIPS的操作49

2.6.6MIPS的控制指令50

2.6.7MIPS的浮點操作51

習題251

第3章流水線技術53

3.1流水線的基本概念53

3.1.1什麼是流水線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流水線的性能分析舉例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流水線的相關與衝突70

3.4.1一條經典的5段流水線70

3.4.2相關與流水線衝突72

3.5流水線的實現83

3.5.1MIPS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94

4.1向量的處理方式94

4.2向量處理機的結構96

4.2.1“存儲器存儲器”結構96

4.2.2“寄存器寄存器”結構96

4.3提高向量處理機性能的常用技術98

4.3.1設置多個功能部件99

4.3.2鏈接技術99

4.3.3分段開采技術102

4.3.4採用多處理機系統102

4.4向量處理機的性能評價103

4.4.1向量指令的處理時間Tvp103

4.4.2最大性能R∞和半性能向量長度n1/2106

4.4.3向量長度臨界值n瘙經106

4.5向量處理機實例107

4.5.1具有代表性的向量處理機107

4.5.2Cray YMP和C90107

4.5.3NEC SXX44109

習題4110

第5章指令級並行及其開發——硬件方法112

5.1指令級並行的概念112

5.2相關與指令級並行113

5.3指令的動態調度114

5.3.1動態調度的基本思想114

5.3.2記分牌動態調度方法116

5.3.3Tomasulo算法123

5.4動態分支預測技術133

5.4.1採用分支歷史表134

5.4.2採用分支目標緩衝器135

5.4.3基於硬件的前瞻執行137

5.5多指令流出技術142

5.5.1基於靜態調度的多流出技術143

5.5.2基於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章指令級並行的開發——軟件方法154

6.1基本指令調度和循環展開154

6.1.1指令調度的基本方法154

6.1.2循環展開156

6.2跨越基本塊的靜態指令調度158

6.2.1全局指令調度158

6.2.2蹤跡調度161

6.2.3超塊調度163

6.3靜態多指令流出: VLIW技術165

6.4顯式並行指令計算167

6.4.1非綁定分支167

6.4.2謂詞執行168

6.4.3前瞻執行171

6.5開發更多的指令級並行173

6.5.1挖掘更多的循環級並行174

6.5.2軟流水179

6.6實例: IA64體系結構182

6.6.1IA64的指令格式183

6.6.2IA64的謂詞執行機制185

6.6.3IA64的前瞻執行機制186

習題6187

第7章存儲系統189

7.1存儲系統的層次結構189

7.1.1存儲系統的層次結構概述189

7.1.2存儲系統的性能參數190

7.1.3三級存儲系統191

7.1.4存儲層次的4個問題193

7.2Cache的基本知識193

7.2.1基本結構和原理193

7.2.2映像規則194

7.2.3查找方法196

7.2.4Cache的工作過程198

7.2.5替換算法200

7.2.6寫策略203

7.2.7Cache性能分析204

7.2.8改進Cache性能206

7.3降低Cache的不命中率207

7.3.1三種類型的不命中207

7.3.2增加Cache塊大小209

7.3.3增加Cache的容量210

7.3.4提高相聯度210

7.3.5偽相聯Cache211

7.3.6硬件預取212

7.3.7編譯器控制的預取212

7.3.8編譯優化213

7.3.9“犧牲”Cache215

7.4減少Cache不命中開銷216

7.4.1採用兩級Cache216

7.4.2讓讀不命中優先於寫219

7.4.3寫緩衝合並219

7.4.4請求字處理技術220

7.4.5非阻塞Cache技術220

7.5減少命中時間221

7.5.1容量小、結構簡單的Cache221

7.5.2虛擬Cache221

7.5.3Cache訪問流水化224

7.5.4蹤跡Cache224

7.5.5Cache優化技術總結224

7.6並行主存系統225

7.6.1單體多字存儲器226

7.6.2多體交叉存儲器227

7.6.3避免存儲體衝突231

7.7虛擬存儲器232

7.7.1基本概念232

7.7.2快速地址轉換技術233

7.7.3頁式虛擬存儲器實例: 64位Opteron的存儲管理234

7.8實例: AMD Opteron的存儲器層次結構236

習題7240

第8章輸入輸出系統243

8.1I/O系統的性能243

8.2I/O系統的可靠性、可用性和可信性244

8.3廉價磁盤冗余陣列245

8.3.1RAID0247

8.3.2RAID1247

8.3.3RAID2248

8.3.4RAID3249

8.3.5RAID4249

8.3.6RAID5250

8.3.7RAID6250

8.3.8RAID10與RAID01251

8.3.9RAID的實現與發展251

8.4總線252

8.4.1總線的設計253

8.4.2總線標準和實例254

8.4.3與CPU的連接255

8.5通道處理機257

8.5.1通道的作用和功能257

8.5.2通道的工作過程258

8.5.3通道種類259

8.5.4通道流量分析261

8.6I/O與操作系統263

8.6.1DMA和虛擬存儲器263

8.6.2I/O和Cache數據一致性264

習題8266

第9章互連網絡268

9.1互連函數268

9.1.1互連函數的表示方法268

9.1.2幾種基本的互連函數269

9.2互連網絡的結構參數與性能指標273

9.2.1互連網絡的結構參數273

9.2.2互連網絡的性能指標274

9.3靜態互連網絡275

9.4動態互連網絡281

9.4.1總線網絡281

9.4.2交叉開關網絡282

9.4.3多級互連網絡283

9.4.4動態互連網絡的比較286

9.5消息傳遞機制287

9.5.1消息尋徑方案287

9.5.2死鎖與虛擬通道290

9.5.3流控制策略291

9.5.4選播和廣播尋徑算法294

習題9296

第10章多處理機298

10.1引言298

10.1.1並行計算機系統結構的分類298

10.1.2存儲器系統結構和通信機制300

10.1.3並行處理面臨的挑戰302

10.2對稱式共享存儲器的系統結構304

10.2.1多處理機Cache一致性304

10.2.2實現一致性的基本方案305

10.2.3監聽協議的實現308

10.3分布式共享存儲器的系統結構312

10.3.1目錄協議的基本思想312

10.3.2目錄協議實例315

10.3.3目錄的三種結構318

10.4同步320

10.4.1基本硬件原語320

10.4.2用一致性實現鎖322

10.4.3同步性能問題324

10.5同時多線程326

10.5.1將線程級並行轉換為指令級並行327

10.5.2同時多線程處理器的設計328

10.5.3同時多線程的性能329

10.6大規模並行處理機331

10.6.1並行計算機系統結構331

10.6.2大規模並行處理機333

10.7多核處理器及性能對比335

10.8多處理機實例——Origin 2000340

習題10347

第11章多核架構與編程348

11.1多核架構的需求348

11.1.1功耗與散熱問題348

11.1.2並行度問題349

11.1.3應用軟件問題350

11.2多核架構350

11.2.1多核的組織架構351

11.2.2多核架構實例352

11.3基於多核的並行程序設計355

11.3.1並行編程模型概述355

11.3.2共享存儲模型與消息傳遞模型356

11.3.3並行語言358

11.3.4並行算法359

11.4多核編程實例359

11.4.1一個簡單的OpenMP程序360

11.4.2OpenMP中的排序算法361

習題11 363

第12章機群系統365

12.1機群的基本結構366

12.1.1機群的硬件組成366

12.1.2機群的軟件367

12.2機群的特點368

12.3機群的分類369

12.4典型機群系統簡介370

12.4.1Berkeley NOW370

12.4.2Beowulf371

12.4.3LAMP371

12.4.4IBM SP2372

12.4.5天河2號373

習題12377

第13章陣列處理機379

13.1陣列處理機的操作模型和特點379

13.2陣列處理機的基本結構380

13.2.1分布式存儲器的陣列機380

13.2.2共享存儲器的陣列機381

13.3陣列處理機實例382

13.3.1實例1: Illiac Ⅳ陣列處理機382

13.3.2實例2: BSP計算機385

13.4陣列處理機的並行算法舉例389

習題13393

第14章數據流計算機394

14.1數據流計算機的基本原理394

14.1.1數據驅動原理394

14.1.2數據流計算機中指令的執行過程395

14.1.3數據流計算機的指令結構396

14.2數據流程序圖和數據流語言396

14.2.1數據流程序圖396

14.2.2數據流語言及其性質400

14.3數據流計算機結構401

14.3.1靜態數據流計算機401

14.3.2動態數據流計算機403

14.4數據流計算機的評價406

14.4.1數據流計算機的優點406

14.4.2數據流計算機的缺點407

14.4.3數據流計算機設計中需解決的問題408

習題14408

參考文獻410