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目录 1

高等教育出版社 1

第一章 计算机系统结构设计基础 1

1.1 计算机系统结构的含义和分类 1

计算机系统结构 1

1.1.1 计算机系统结构的含义 2

1.1.1.1 计算机系统结构的外特性 2

1.1.1.2 计算机系统结构的内部特性 4

1.1.1.3 计算机系统的微系统结构——微外特性 4

1.1.2 计算机系统结构的分类 5

1.1.2.1 按“流”分类 5

1.1.2.2 按“并行级”和“流水线”分类 7

1.2.1 计算机系统设计的定量原理 8

1.1.2.3 计算机系统结构风格 8

1.2 计算机系统的设计准则 8

1.2.2 计算机系统设计者的主要任务 9

1.3 计算机系统结构的发展 10

1.3.1 计算机系统结构的演变 10

1.3.2 软件、应用和器件对系统结构发展的影响 13

1.3.2.1 软件对系统结构发展的影响 13

1.3.2.2 应用需求对系统结构发展的影响 16

1.3.2.3 器件对系统结构发展的影响 17

小结 18

习题和思考题 18

2.2.1 衡量计算机性能的主要标准 20

2.2 计算机性能 20

2.1 引言 20

第二章 计算机的性能和成本 20

2.2.2 CPU性能 21

2.2.3 MIPS和MFLOPS 22

2.2 4 评估性能的基准测试程序 23

2.2.5 性能评价结果的统计和比较 23

2.2.6 加速比性能指标和性能可伸缩性指标 26

2.3 计算机成本和价格 26

小结 28

习题和思考题 28

第三章 数据类型和数据表示 31

3.1 数据类型 31

3.1.1 基本数据类型 31

3.2.1 数据表示、数据类型和数据结构的关系 32

3.1.2 结构数据类型 32

3.2 数据表示 32

3.2.2 二进制的定点、浮点数据表示 33

3.2.3 向量数据表示 34

3.2.4 自定义数据表示 36

小结 40

习题和思考题 40

第四章 指令系统的设计原理和风格 42

4.1 引言 42

4.2 指令系统集结构的分类 43

4.2.1 堆栈型、累加器型和通用寄存器型指令集的结构 43

4.2.2 通用寄存器型指令系统的进一步分类 44

4.3.1 按地址访问方式 45

4.3 操作数访问（寻址）方式 45

4.3.2 按内容访问方式 49

4.4 指令格式及其优化 50

4.5 两种不同的指令系统设计风格——CISC和RISC 54

4.5.1 CISC设计风格 55

4.5.1.1 CISC的主要特点 55

4.5.1.2 CISC发展的主要问题 56

4.5.2 RISC设计风格 56

4.5.2.1 RISC技术的发展 56

4.5.2.2 RISC技术的主要特征 57

4.5.2.3 RISC技术中所采用的特殊方法 58

4.5.2.4 CISC机和RISC机设计风格的比较 62

4.6.1.1 加州大学伯克莱分校的RISC机 64

4.6 RISC机指令系统实例和分析 64

4.6.1 加州大学伯克莱分校的RISC机和SUN SPARC系统结构 64

4.6.1.2 SUN SPARC系统结构 66

4.6.2 斯坦福大学的MIPS机和MIPS R3000 67

4.6.3 新一代RISC机的主要特征和发展趋向 68

小结 70

习题和思考题 70

第五章 标量流水技术 72

5.1 控制流及其改变 72

5.2 标量流水工作原理 73

5.2.1 重叠操作方式和先行控制 73

5.2.2 标量流水工作原理 76

5.2.3 标量流水分类 77

5.2.4 流水线的主要性能及其分析 79

5.2.5 流水线性能分析举例 81

5.3 流水操作中的主要障碍 83

5.3.1 资源冲突（结构冲突） 84

5.3.2 数据相关冲突 84

5.3.3 控制转移冲突 88

5.4 流水的实现和控制 91

5.4.1 流水线的中断处理 91

5.4.2 非线性流水线中功能段使用冲突及相应调度 91

5.5 先进的流水技术 93

5.5.1 先进的流水调度方法——动态调度 94

5.5.1.1 流水的集中式动态调度 94

5.5.1.2 流水的分布式动态调度 95

5.5.2 流水中指令级并行性的进一步开发 97

5.5.1.3 动态硬件预测转移方法 97

5.5.2.1 超级标量方法 98

5.5.2.2 VLIW（超长指令字）方法 100

5.5.2.3 展开循环体后调度 104

5.5.2.4 软件流水方法 105

5.5.2.5 超级流水方法 106

小结 107

习题和思考题 108

第六章 向量流水处理 111

6.1 向量流水机的基本系统结构 111

6.1.1 向量流水处理的主要特点 111

6.1.2 向量机的基本系统结构 111

6.1.3 向量启动时间和启动率 113

6.2 向量操作长度控制和向量访问步长 114

6.3 向量处理方法 115

6.4 增强向量处理性能的方法 117

6.4.1 多功能部件的并行操作 117

6.4.2 链接技术 118

6.4.3 条件执行语句和稀疏矩阵的加速处理方法 119

6.4.4 向量归约操作的加速方法 121

6.5 向量处理性能评估参数和方法 121

6.6 向量化编译技术 123

小结 124

习题和思考题 125

第七章 存储体系 127

7.1 引言——访存局部性原理 127

7.2 存储体系构成的基本原理 128

7.3 高速缓冲存储器（Cache） 129

7.3.1 Cache基本工作原理和结构 130

7.3.2 地址映象与变换 131

7.3.2.1 直接映象及变换 131

7.3.2.2 全相联映象及变换 132

7.3.2.3 组相联映象及变换 133

7.3.3 替换策略及更新主存策略 134

7.3.4 数据Cache、指令Cache及一体化Cache 139

7.3.5 Cache性能分析 139

7.4 主存储器及带宽拓宽方法 141

7.4.1 提高主存性能方法 141

7.4.2 多体交叉存储器 142

7.4.2.1 高位交叉存储器 142

7.4.2.2 低位交叉存储器 142

7.5.1 虚拟存储器的基本概念 143

7.4.3 拓宽存储器带宽的方法 143

7.5 虚拟存储器 143

7.5.2 三种不同的虚拟存储器管理方式 144

7.5.2.1 段式管理 144

7.5.2.2 页式管理 144

7.5.2.3 段页式管理 145

7.5.3 页式虚拟存储器结构及其实现 148

7.5.3.1 快速地址变换技术 148

7.5.3.2 虚存的保护技术 149

小结 154

习题和思考题 154

8.1 引言 157

8.2 I/O子系统主要特征 157

第八章 输入／输出子系统 157

8.3 I/O部件类型 159

8.3.1 磁盘 159

8.3.2 光盘 161

8.3.3 图形显示设备 163

8.4 总线 163

8.4.1 总线分类 163

8.4.2 总线控制方式 164

8.4.3 总线标准 169

8.5 中断系统 174

8.5.1 中断分类和优先等级 174

8.5.2 中断处理系统 175

8.6 输入／输出通道 175

8.7 I/O处理机 178

8.8 I/O子系统的性能衡量标准 179

8.9 I/O子系统的设计 180

小结 180

习题和思考题 181

第九章 并行处理技术 183

9.1 并行处理技术的发展 183

9.1.1 并行性基本概念 183

9.1.2 并行性的开发策略 184

9.2 SIMD并行计算机（阵列处理机） 185

9.2.1 阵列机的基本结构 185

9.2.2 阵列机的主要特点 186

9.2.3 阵列机的并行算法 186

9.2.4 典型SIMD计算机举例 188

9.3 计算机互连网络 190

9.3.1 互连网络的设计准则及互连函数 190

9.3.2 单级互连网络 192

9.3.3 多级互连网络 196

9.4 并行存储器的无冲突访问 198

9.5 多处理机 200

9.5.1 多处理机主要特征及其分类 200

9.5.2 多处理机间的互连方式 205

9.5.3 多处理机系统中并行性的开发 210

9.5.3.1 程序并行性的分析 210

9.5.3.2 并行程序设计语言 211

9.5.4.1 多处理机操作系统的特点 214

9.5.4.2 多处理机操作系统的分类 214

9.5.4 多处理机操作系统 214

9.5.5 多处理机调度策略 215

9.6 并行机的发展趋向 217

9.6.1 并行机的现状 217

9.6.2 MPP大规模并行处理机 218

小结 221

习题和思考题 222

第十章 新型计算机系统结构 225

10.1 计算模型分类 225

10.2 数据流计算机 228

10.2.1 数据流计算机的基本工作原理 228

10.2.2 数据流程序图和数据流语言 228

10.2.3 数据流机的基本结构 232

10.3.1 函数式程序设计语言 235

10.3 归约机 235

10.3.2 面向函数式语言的归约机 237

10.4 人工智能计算机 240

10.4.1 人工智能（AI——Artificial intelligent）计算特征 241

10.4.2 人工智能计算机的分类和设计方法 242

10.4.3 PROLOG推理机 243

10.4.4 人工智能计算机的研究进展 243

10.4.5 真实世界计算机研究计划 244

小结 246

习题和思考题 246

附录1 SPARC指令系统 249

附录2 MIPS R3000指令系统 250

参考文献 253