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第1章 计算机体系结构的基本概念 1

1.1 计算机体系结构的概念 1

1.1.1 存储程序计算机 2

1.1.2 计算机体系结构、组成和实现 4

1.1.3 计算机系统中的层次概念 6

1.1.4 系列机和兼容 9

1.2 计算机体系结构的发展 11

1.2.1 计算机分代、分型与分类 11

1.2.2 软件的发展 13

1.2.3 应用的发展 14

1.2.4 相关核心技术产品的发展 16

1.2.5 计算机体系结构的发展 18

1.2.6 并行处理技术的发展 21

1.2.7 体系结构技术的挑战 26

1.3 计算机系统设计和分析 28

1.3.1 成本与价格 28

1.3.2 基准测试程序 31

1.3.3 量化设计的基本原则 34

1.4 基本的可靠性模型 38

1.4.1 可靠性的基本概念 38

1.4.2 多部件系统的可靠性 39

1.5 小结 40

习题1 41

第2章 指令系统 43

2.1 指令系统结构的分类 43

2.2 寻址方式 45

2.3 指令系统的设计和优化 48

2.3.1 指令系统设计的基本原则 48

2.3.2 控制指令 49

2.3.3 指令操作码的优化 50

2.4 指令系统的发展和改进 51

2.4.1 沿CISC方向发展和改进指令系统 51

2.4.2 沿RISC方向发展和改进指令系统 53

2.5 操作数的类型和大小 55

2.6 MIPS指令系统结构 57

2.6.1 MIPS的寄存器 57

2.6.2 MIPS的数据表示 57

2.6.3 MIPS的数据寻址方式 57

2.6.4 MIPS的指令格式 58

2.6.5 MIPS的操作 59

2.6.6 MIPS的控制指令 60

2.6.7 MIPS的浮点操作 61

2.7 小结 62

习题2 62

第3章 流水线技术 64

3.1 流水线概述 64

3.1.1 流水线的基本概念 64

3.1.2 流水线的分类 66

3.2 MIPS的基本流水线 69

3.2.1 MIPS的一种简单实现 69

3.2.2 基本的MIPS流水线 72

3.2.3 流水线性能分析 76

3.3 流水线中的相关 82

3.3.1 流水线的结构相关 82

3.3.2 流水线的数据相关 85

3.3.3 流水线的控制相关 94

3.4 流水线计算机实例分析（MIPS R4000） 101

3.4.1 MIPS R4000整型流水线 101

3.4.2 MIPS R4000浮点流水线 103

3.4.3 MIPS R4000流水线的性能分析 104

3.5 向量处理机 105

3.5.1 向量处理方式和向量处理机 105

3.5.2 向量处理机实例分析 107

3.6 小结 110

习题3 111

第4章 指令级并行 112

4.1 指令级并行的概念 112

4.1.1 循环展开调度的基本方法 113

4.1.2 相关性 117

4.2 指令的动态调度 121

4.2.1 动态调度的原理 121

4.2.2 动态调度算法之一：记分牌 122

4.2.3 动态调度算法之二：Tomasulo算法 130

4.3 控制相关的动态解决技术 140

4.3.1 分支预测缓冲 141

4.3.2 分支目标缓冲 143

4.3.3 基于硬件的前瞻执行 146

4.4 多指令流出技术 150

4.4.1 静态超标量技术 150

4.4.2 动态多指令流出技术 153

4.4.3 超长指令字技术 155

4.4.4 多流出处理器受到的限制 156

4.5 小结 158

习题4 158

第5章 存储层次 161

5.1 存储器的层次结构 161

5.1.1 多级存储层次 161

5.1.2 存储层次的性能参数 162

5.1.3 两种存储层次关系 163

5.1.4 存储层次的4个问题 164

5.2 Cache基本知识 164

5.2.1 映像规则 165

5.2.2 查找方法 167

5.2.3 替换算法 168

5.2.4 写策略 169

5.2.5 Cache结构 171

5.2.6 Cache性能分析 173

5.2.7 改进Cache性能 177

5.3 降低Cache失效率的方法 177

5.3.1 调节Cache块大小 180

5.3.2 提高相联度 181

5.3.3 Victim Cache 183

5.3.4 硬件预取 184

5.3.5 编译器控制的预取 185

5.3.6 编译器优化 187

5.4 减少Cache失效开销 191

5.4.1 写缓冲及写合并 191

5.4.2 让读失效优先于写 192

5.4.3 请求字处理 193

5.4.4 多级Cache 193

5.4.5 非阻塞Cache 196

5.5 减少命中时间 198

5.5.1 容量小、结构简单的Cache 198

5.5.2 虚拟Cache 199

5.5.3 访问流水化 201

5.5.4 多体Cache 201

5.5.5 路预测 202

5.5.6 Trace Cache 202

5.5.7 Cache优化技术总结 203

5.6 主存 204

5.6.1 存储器组织技术 204

5.6.2 存储器芯片技术 208

5.7 虚拟存储器 211

5.7.1 虚拟存储器基本原理 211

5.7.2 快表 214

5.7.3 虚存和Cache关系的例子 215

5.8 虚存保护和虚存实例 216

5.8.1 进程保护技术 216

5.8.2 页式虚存举例：64位Opteron 217

5.8.3 虚拟机保护 219

5.9 综合实例：AMD Opteron存储层次 223

5.10 小结 226

习题5 227

第6章 输入输出系统 229

6.1 引言 229

6.1.1 I/O处理对计算机总体性能的影响 229

6.1.2 I/O系统的可靠性 230

6.2 外部存储设备 230

6.2.1 磁盘设备 231

6.2.2 Flash存储器与固态硬盘SSD 235

6.2.3 磁带设备 236

6.2.4 光盘设备 239

6.3 I/O系统性能分析与评测 240

6.3.1 I/O性能与系统响应时间 241

6.3.2 Little定律 242

6.3.3 M/M/1排队系统 243

6.3.4 M/M/m排队系统 245

6.3.5 I/O基准测试程序 246

6.4 I/O系统的可靠性、可用性和可信性 248

6.5 廉价磁盘冗余阵列 250

6.5.1 RAID0 252

6.5.2 RAID1 253

6.5.3 RAID2 255

6.5.4 RAID3 255

6.5.5 RAID4 257

6.5.6 RAID5 258

6.5.7 RAID6 259

6.5.8 RAID的实现与发展 260

6.6 I/O设备与CPU／存储器的连接——总线 261

6.6.1 总线设计应考虑的因素 261

6.6.2 总线标准和实例 262

6.6.3 设备的总线连接 264

6.7 通道 265

6.7.1 通道的功能 265

6.7.2 通道的工作过程 266

6.7.3 通道的种类 268

6.8 I/O与操作系统 268

6.8.1 DMA和虚拟存储器 269

6.8.2 I/O和Cache的数据一致性 269

6.8.3 异步I/O 271

6.8.4 文件信息的维护 271

6.9 小结 272

习题6 273

第7章 多处理机 274

7.1 引言 274

7.1.1 并行计算机体系结构的分类 274

7.1.2 通信模型和存储器的结构模型 276

7.1.3 并行处理面临的挑战 278

7.2 对称式共享存储器体系结构 280

7.2.1 多处理机Cache一致性 280

7.2.2 实现一致性的基本方案 281

7.2.3 监听协议及其实现 283

7.3 分布式共享存储器体系结构 284

7.3.1 基于目录的Cache一致性 285

7.3.2 目录协议及其实现 287

7.4 互联网络 288

7.4.1 互联网络的性能参数 288

7.4.2 静态连接网络 291

7.4.3 动态连接网络 295

7.4.4 片上网络 299

7.5 同步 302

7.5.1 基本硬件原语 302

7.5.2 用一致性实现锁 304

7.5.3 同步性能问题 305

7.5.4 大规模机器的同步 308

7.6 同时多线程 311

7.6.1 将线程级并行转换为指令级并行 312

7.6.2 同时多线程处理器的设计 313

7.6.3 同时多线程的性能 314

7.7 并行处理器的性能评测 316

7.8 多处理机实例 317

7.8.1 实例1：T1处理器 317

7.8.2 实例2：Origin 2000 320

7.9 小结 321

习题7 322

第8章 集群计算机 324

8.1 集群的基本概念和结构 324

8.1.1 集群的基本结构 324

8.1.2 集群的软件模型 326

8.2 集群的特点 327

8.3 集群的分类 328

8.4 典型集群系统简介 329

8.4.1 Berkeley NOW 329

8.4.2 Beowulf 330

8.4.3 LAMP 330

8.4.4 IBM SP2 331

8.5 小结 333

习题8 333

参考文献 334