第1章 基础知识 1
1.1计算机系统层次结构 1
1.1.1按功能划分的多级层次结构 1
1.1.2按功能划分层次的好处 3
1.2计算机系统结构 3
1.3计算机组成 4
1.4计算机实现 5
1.5计算机性能 7
1.5.1性能因子CPI 7
1.5.2计算机性能常用指标MIPS和MFLOPS 7
1.5.3计算机系统结构的性能评价标准 12
1.5.4计算机系统设计的定量原理 14
1.6计算机系统结构的分类 16
1.6.1 Flynn分类法 16
1.6.2冯氏分类法 17
习题1 18
第2章 指令系统 20
2.1指令格式的优化 20
2.1.1操作码的优化表示 20
2.1.2指令字格式的优化 23
2.2 CISC 25
2.2.1 CISC的发展 26
2.2.2 CISC的特点 26
2.3 RISC 27
2.3.1 RISC结构采用的基本技术 27
2.3.2经典CISC和纯RISC处理器体系结构的比较 30
2.3.3退耦CISC/RISC体系结构 31
2.4后RISC 35
2.4.1后RISC特征 36
2.4.2几种后RISC机器的比较 36
习题2 37
第3章 存储系统设计 39
3.1存储系统原理 39
3.1.1基本概念 39
3.1.2多级存储层次 39
3.1.3存储系统的性能参数 40
3.2交叉访问存储器 42
3.2.1主存系统的类型 42
3.2.2高位交叉访问存储器 43
3.2.3低位交叉访问存储器 43
3.2.4拓宽存储器频宽的方法 44
3.3页式虚拟存储器 45
3.3.1虚拟存储器的工作原理 45
3.3.2虚拟存储器的地址映像与变换 46
3.3.3页面替换算法及其实现 49
3.3.4提高虚拟存储器等效访问速度的措施 52
3.3.5影响主存命中率的某些因素 56
3.4 Cache存储器 58
3.4.1 Cache存储器的工作原理 58
3.4.2 Cache存储器的地址映像与变换 59
3.4.3 Cache替换算法及其实现 65
3.4.4 Cache的透明性分析 67
3.4.5 Cache的取算法 68
3.4.6影响Cache存储器性能的因素 69
3.4.7物理Cache与虚拟Cache 71
习题3 72
第4章 流水线计算机设计技术 76
4.1流水线的工作原理、特点及分类 76
4.1.1流水线的工作原理 76
4.1.2流水线的特点 77
4.1.3流水线的分类 78
4.2相关问题及解决方法 80
4.2.1资源相关 81
4.2.2数据相关 81
4.2.3控制相关 83
4.3线性流水线性能分析 83
4.3.1吞吐率和加速比 83
4.3.2效率 86
4.4线性流水线性能分析举例 87
4.5非线性流水线的调度技术 89
4.5.1非线性流水线的基本概念 89
4.5.2无冲突调度方法 90
4.5.3优化调度方法 92
4.6先进的流水技术：动态调度 94
4.6.1流水的集中式动态调度：记分板机制 95
4.6.2流水的分布式动态调度：Tomasulo方法 96
4.7转移预测技术 98
4.7.1转移的影响 98
4.7.2转移预测技术 98
4.7.3转移目标缓冲器 99
4.8超标量处理机和VLIW体系结构 100
4.8.1超标量处理机 100
4.8.2 VLIW体系结构 104
4.9超流水线处理机 106
4.10超标量超流水线处理机 106
习题4 110
第5章 并行处理技术 113
5.1计算机系统结构中并行性的发展 113
5.1.1并行性的基本概念 113
5.1.2实现并行性技术的途径 114
5.1.3计算机系统结构中并行性的发展 114
5.2 SIMD并行处理机 115
5.2.1 SIMD并行处理机的基本结构与特点 115
5.2.2阵列处理机ILLIAC Ⅳ的处理单元阵列结构 117
5.2.3阵列处理机的并行算法 118
5.3 SIMD计算机的互连网络 122
5.3.1互连网络的设计准则 122
5.3.2互连函数的表示 122
5.3.3单级互连网络 123
5.4网络特性 125
5.4.1结点度和网络直径 125
5.4.2聚集带宽和等分带宽 125
5.4.3数据寻径功能 125
5.5静态网络 126
5.5.1线性阵列 127
5.5.2环和带弦环 127
5.5.3循环移数网络和全连接 128
5.5.4树形和星形 128
5.5.5胖树形 128
5.5.6网格形和环网形 128
5.5.7超立方体 129
5.5.8带环立方体 129
5.5.9 k元n-立方体网络 129
5.6动态网络 132
5.6.1总线互连方式 132
5.6.2交叉开关互连方式 134
5.6.3多级网络互连方式 135
5.6.4蝶式网络 142
5.6.5组合网络 142
习题5 144
第6章 向量处理机 148
6.1向量处理的基本概念 148
6.1.1向量流水处理的主要特点 148
6.1.2向量处理机的基本系统结构 148
6.1.3向量的处理方式 149
6.2一般的向量处理机 151
6.2.1寄存器组 151
6.2.2多个单功能流水部件 153
6.2.3运算流水线 153
6.3提高向量处理性能的常用技术 154
6.3.1多功能部件的并行操作 154
6.3.2链接技术 155
6.3.3条件语句和稀疏矩阵的加速处理方法 157
6.3.4向量归约操作的加速方法 158
6.4向量处理的性能评价 159
6.4.1向量流水处理的时间 159
6.4.2与向量长度有关的向量流水处理机性能参数 160
6.5多向量多处理机 162
6.5.1 Cray Y-MP 162
6.5.2 C-90和机群 163
6.5.3 VP2000 164
6.5.4 VPP500 164
习题6 165
第7章 多处理机 168
7.1多处理机结构 168
7.1.1多处理机的特点 168
7.1.2多处理机的硬件结构 169
7.1.3 UMA、NUMA和NORMA模型 173
7.2多处理机的Cache一致性 174
7.2.1 Cache一致性问题的原因 174
7.2.2监听一致性协议 176
7.2.3 MESI监听协议 177
7.2.4基于目录的协议 180
7.3程序的划分和调度 183
7.3.1粒度的组合和调度 183
7.3.2静态多处理机调度 184
7.4多处理机性能模型 187
7.4.1基本模型 187
7.4.2 N台处理机系统的基本模型 188
7.4.3随机模型 189
7.4.4通信开销为线性函数的模型 191
7.4.5一个完全重叠通信的理想模型 191
7.4.6一个具有多条通信链的模型 193
7.5并行计算机模型 194
7.5.1语义属性 194
7.5.2抽象机器模型 195
7.5.3物理机器模型 198
习题7 201
第8章 并行算法与并行编程基础 203
8.1并行算法的基础知识 203
8.1.1并行算法的定义和分类 203
8.1.2进程中的同构性 204
8.1.3并行算法的表达 204
8.1.4并行算法中的同步与通信 205
8.2同步技术 206
8.2.1原子性 207
8.2.2控制同步 207
8.2.3数据同步 208
8.2.4高级同步结构 209
8.2.5低级同步原语 211
8.3并行性条件 216
8.3.1程序的并行性分析 216
8.3.2硬件并行性与软件并行性 219
8.4并行编程 220
8.4.1并行编程概述 221
8.4.2并行编程方法 221
8.4.3并行算法范例 223
8.5并行编程模型 225
8.5.1隐式并行性 225
8.5.2显式并行模型 225
习题8 230
第9章 并行计算机系统结构新发展概述 232
9.1多线程技术 232
9.1.1多线程处理器 232
9.1.2同时多线程处理器 233
9.1.3多线程处理器芯片实例 235
9.2单芯片多处理器技术 237
9.2.1单芯片多处理器 237
9.2.2单芯片多处理器芯片实例 240
9.3机群系统 243
9.3.1机群体系结构 244
9.3.2机群的分类 245
9.3.3机群设计要考虑的问题 245
9.3.4对机群可用性的支持 246
9.4网格计算 248
9.4.1网格计算的定义 248
9.4.2网格计算的特点 249
9.4.3网格计算的体系结构 249
9.4.4 Globus Toolkit 251
9.4.5网格计算系统的功能 252
9.4.6网格计算的关键技术 253
9.5云计算 253
9.5.1云计算的定义 253
9.5.2云计算与网格计算的比较 254
9.5.3 Google的云计算平台 255
习题9 257
附录A习题参考答案 258
参考文献 286