计算机系统结构PDF电子书下载

目录 1

前言 1

第1章　计算机系统结构导论 1

1.1　计算机系统结构的基本概念 1

1.1.1　提高计算机系统性能的硬件因素 1

1.1.2　计算机系统中的有关术语 2

1.1.3　计算机系统结构与组成及其实现 3

1.1.4　计算机系统结构的特性 5

1.2　计算机系统结构的发展及其影响因素 10

1.2.1　计算模型及其驱动方式 10

1.2.2　冯·诺依曼型计算机系统结构及其发展 11

1.2.3 归约型计算机 13

1.2.4　智能型计算机 13

习题三 1 14

1.2.5　计算机系统结构发展的影响因素 14

1.3　计算机系统结构中的并行性及其发展 16

1.3.1　并行性及其等级的划分 16

1.2.6　计算机系统结构的生命周期 16

1.3.2　提高计算机系统并行性的技术途径 18

1.3.3 多机系统及其耦合度 18

1.3.4　计算机系统结构向并行处理系统的发展 21

1.3.5　计算机系统结构的分类 23

1.4　计算机系统结构的设计 27

1.4.1 计算机系统结构设计的主要方法 27

1.4.2　计算机系统结构设计中软硬件取舍的基本原则 28

1.4.3　软件可移植性及其实现的基本方法 28

1.4.4　并行处理及其实现的技术问题 30

1.5.1　系统结构设计的定量原理 33

1.4.5　并行计算机及其性能 33

1.5　计算机系统结构的定量分析 33

1.5.2　计算机系统结构的评价标准 36

1.5.3　程序执行时间的测定 38

1.6　数据流计算机 39

1.6.　1数据驱动原理 39

1.6.2　数据流计算机的指令结构及其执行过程 40

1.6.3　数据流计算机的结构模型 41

1.6.4　数据流计算机的优点与存在的问题 43

1.6.5　数据流计算机的发展趋势 45

习题一 46

第2章　数据表示、指令系统与I/O系统的优选技术 49

2.1　数据表示的选择 49

2.1.1　数据表示的基本概念 49

2.1.2　引入数据表示的基本原则 50

2.1.3 自定义数据表示 51

2.1.4　浮点数据表示 54

2.2.1　指令集结构的分类 56

2.2　指令集结构格式的优化设计 56

2.2.2　指令集结构格式的选择 58

2.2.3　操作码的优化表示 60

2.2.4　缩短地址码长度的方法 64

2.3　指令集结构的功能设计 65

2.3.1 指令集结构功能的发展方向 65

2.3.2　CISC指令集结构的功能设计 65

2.3.3　RISC计算机指令集结构的功能设计 66

2.3.4　精简指令系统计算机 67

2.4　编译技术与指令集结构的设计 70

2.4.1　现代编译器的组成结构 70

2.4.2　现代编译技术与指令集结构之间的影响 72

2.5　总线的设计 74

2.5.1　总线的类型 74

2.5.2　通用总线的控制方式 74

2.5.3　数据宽度与总线线数 76

2.6　输入输出系统的设计 77

2.6.1　输入输出系统的基本概念 77

2.6.2　输入输出设备与主机信息传送的控制方式 78

2.6.3　中断系统中的软硬件功能分配 79

习题二 80

3.1　流水线的基本概念 83

3.1.1　什么是流水线 83

第3章　流水线技术 83

3.1.2　流水线的表示方法 84

3.1.3　流水线的分类 86

3.1.4　流水线的特点 89

3.2　流水线实现的基本结构 90

3.2.1 重叠执行方式的基本结构 90

3.2.2　先行控制方式的基本结构 91

3.2.3　运算操作流水线和宏流水线的基本结构 93

3.3　线性流水线的性能分析 93

3.3.1　吞吐率（TP,Though put rate） 93

3.3.2　加速比（S,Speedup ratio） 96

3.3.3　效率（E,Efficiency） 97

3.3.4　吞吐率、加速比和效率之间的关系 98

3.3.5　流水线最佳段数的选择 98

3.4　流水线的相关及其处理 101

3.4.1　流水线中相关的基本概念 101

3.4.2　数据相关的形成 102

3.4.3　数据相关的处理 103

3.4.4　控制相关的形成 104

3.4.5　条件转移的处理 104

3.4.6 中断转移的处理 108

3.5　非线性流水线的调度技术 108

3.5.1 问题的提出 108

3.5.2　非线性流水线调度的相关术语及其计算方法 110

3.5.3　最小启动循环调度策略的求解及其实现 112

3.5.4　非线性流水线的优化调度方法 112

4.1.1　存储系统的基本概念 118

第4章　存储组织技术 118

4.1　存储系统的层次结构 118

4.1.2　存储系统的层次结构 119

4.1.3　存储系统的基本结构与典型结构 120

4.1.4　存储系统的性能指标 121

4.2　并行存储器与相联存储器 123

4.2.1　什么是并行存储器 123

4.2.2　单体多字并行存储器 123

4.2.3　交叉访问存储器 124

4.2.4　无访问冲突存储器 126

4.2.5　相联存储器 128

4.3.1　Cache存储器的工作原理 129

4.3　高速缓冲存储器（Cache） 129

4.3.2　几种地址映像和地址变换的方法 130

4.3.3　Cache系统的性能指标 136

4.3.4　影响命中率的基本因素 137

4.3.5　Cache的预取算法 138

4.3.6　Cache的一致性问题 138

4.4　虚拟存储器 140

4.4.1　虚拟存储器的工作原理 140

4.4.2　虚拟存储器的管理方式 140

4.4.3　加快地址变换的方法 145

4.5　存储系统的替换算法及其实现 147

4.5.1 问题的提出 147

4.5.2　替换算法及其实现 148

4.5.3　堆栈型替换算法 149

4.6　存储系统的组织与虚拟地址Cache 153

4.6.1　三级存储系统的组织方式 153

4.6.2　虚拟地址Cache 155

习题四 156

第5章 互连网络技术 160

5.1　互连网络的基本概念 160

5.1.1　互连网络的功能和特征 160

5.1.2　互连网络的描述工具 161

5.1.3 常用的基本互连函数 161

5.1.4　互连网络结构特性和传输性能参数 165

5.1.5　互连网络的分类 166

5.2.2　静态互连网络的种类与结构 167

5.2.1　静态互连网络的概念 167

5.2　静态互连网络 167

5.2.3　静态互连网络特性 168

5.3　动态互连网络 169

5.3.1　动态互连网络的概念 169

5.3.2　动态互连网络的互连形式 169

5.3.3　几种常用的多级互连网络 173

5.4　互连网络的消息传递机制 181

5.4.1　路由选择的基本概念 181

5.4.2　消息传递的格式与方式 182

5.4.3　死锁和虚拟通道 184

5.4.4　流量控制策略 186

习题五 187

5.4.5　互连网络的通信模式 187

第6章　指令级高度并行处理机 190

6.1 指令级高度并行处理机的基本概念 190

6.1.1　标量指令与标量处理机 190

6.1.2　标量指令级并行的实现方法及其衡量指标 190

6.1.3　指令调度及其方法 192

6.1.4　动态调度技术 192

6.1.5　向量处理的基本概念 195

6.2　超标量和超流水线处理机 196

6.2.1　超标量处理机（Superscalar Processor） 196

6.2.2　超流水线处理机（Superpipelining Processor） 199

6.2.3　超标量超流水线处理机 202

6.2.4　四种不同类型处理机的性能比较 203

6.3.1 超长指令字处理机（VLIW:Very Long Instruction Word）的时空图 204

6.3.2　超长指令字处理机工作的基本原理 204

6.3　超长指令字处理机 204

6.3.3　VLIW方式的特征 206

6.4　向量处理机 207

6.4.1 向量指令 207

6.4.2 向量处理机的结构 209

6.4.3　向量协处理器 212

6.4.4　向量处理机的性能 213

习题六 213

第7章　阵列处理机 215

7.1　阵列处理机的基本概念 215

7.1.1　阵列处理机的操作模型 215

7.1.2　阵列处理机的特点 215

7.1.3　阵列处理机的基本结构 216

7.2　阵列处理机的并行算法 218

7.2.1 阵列处理机的系统结构与并行算法的关系 218

7.2.2　阵列处理机的算法 219

7.3　几种典型的阵列处理机 222

7.3.1　Illiac IV阵列处理机 222

7.3.2　MasPar MP-1阵列处理机 224

7.3.3　CM-2阵列处理机 227

7.4　大规模并行处理机 230

7.4.1　大规模并行处理机的基本概念 230

7.4.2　大规模并行处理机系统软件设计的新概念 230

习题七 231

8.1.1　多处理机系统及其分类 233

8.1.2　一般性多处理机系统的模型 233

8.1 多处理机系统的基本概念 233

第8章　多处理机系统 233

8.1.3 多处理机系统的基本结构 235

8.1.4　多处理机系统的特点 236

8.1.5　多处理机系统的操作系统 237

8.2　多处理机的Cache一致性 238

8.2.1 多处理机Cache不一致性的由来 238

8.2.2　解决多处理机Cache不一致的方法 239

8.2.3　总线监听协议法 240

8.2.4　基于目录协议法 242

8.3　多处理机并行性的实现技术 245

8.3.1 并行算法 246

8.3.2　程序结构中的数据相关及其处理 247

8.3.3　并行程序设计语言 249

8.3.4　并行优化编译器 250

8.4　多处理机系统性能 252

8.4.1　性能指标及其计算模型 252

8.4.2　任务粒度对性能的影响 255

8.5　机群系统 259

8.5.1　机群系统的基本概念 259

8.5.2　机群系统的关键技术 259

8.5.3　机群系统的通信技术 261

8.5.4　并行程序设计语言 262

8.5.5　并行程序调试技术 262

8.5.6　负载平衡技术 263

8.6　典型的多处理机系统 264

8.6.1　CM-5系统 264

8.6.2　SGI Origin 2000系列服务器 267

习题八 270

参考文献 272