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计算机系统结构(第3版)

“十一五”国家规划教材

作者:
张晨曦 等
定价:
55.00 元
版面字数:
540千字
开本:
特殊
装帧形式:
平装
版次:
3
最新版次
印刷时间:
2025年
ISBN:
978-7-04-056814-1
物料号:
56814-00
出版时间:
2022-01-12
读者对象:
高等教育
一级分类:
计算机/教育技术类
二级分类:
计算机类专业核心课程
三级分类:
计算机组织与体系结构

本书系统地论述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本方法,强调采用量化的分析方法,使读者能够更具体、实际地分析和理解计算机系统结构

全书共10章,分别为:计算机系统结构的基本概念,计算机指令集结构,流水线技术,指令级并行,存储系统,输入/输出系统,互连网络,多处理机,机群系统,多核系统结构与编程。第1章论述计算机系统结构的概念以及定量分析基础。第2章论述计算机指令集的设计、RISC技术以及MIPS指令集结构。第3章论述流水线及其性能分析、流水线中的相关与冲突及其解决方法、向量处理机。第4章论述指令级并行性开发,包括指令的动态调度、动态分支预测技术、多指令流出技术、循环展开和指令调度等。第5章论述Cache的基本知识、降低Cache不命中率的方法、减少Cache不命中开销的方法以及减少命中时间的方法。第6章论述独立磁盘冗余阵列RAID、总线、通道及其流量分析。第7章论述互连函数、互连网络的结构参数与性能指标、静态互连网络、动态互连网络以及消息传递机制等。第8章论述对称式多处理机结构、分布式存储多处理机结构、同步以及同时多线程技术等。第9章论述机群系统的基本结构、特点以及分类等。第10章论述多核架构、实例以及基于多核的并行程序设计。附录为计算机系统结构模拟实验、MIPSsim使用手册与MIPS16模拟器及相关指令本书内容丰富,实例具体,采用微课的形式,为重要知识点或实例配有教学视频和动画,可作为高校计算机及相关专业的计算机系统结构课程教材,也可供相关科技人员参考。

  • 目录
    • 前辅文
      • 第1章 计算机系统结构的基本概念
        • 1.1 引言
          • 1.2 计算机系统结构的概念
            • 1.2.1 计算机系统的层次结构
              • 1.2.2 计算机系统结构的定义
                • 1.2.3 计算机组成和计算机实现
                  • 1.2.4 计算机系统结构的分类
                  • 1.3 定量分析技术
                    • 1.3.1 计算机系统设计的设计原则和定量原理
                      • 1.3.2 计算机系统的性能评测
                      • 1.4 计算机系统结构的发展
                        • 1.4.1 冯诺依曼结构
                          • 1.4.2 软件对系统结构的影响
                            • 1.4.3 器件发展对系统结构的影响
                              • 1.4.4 应用对系统结构的影响
                              • 1.5 计算机系统结构中并行性的发展
                                • 1.5.1 并行性的概念
                                  • 1.5.2 提高并行性的技术途径
                                    • 1.5.3 单处理机系统中并行性的发展
                                      • 1.5.4 多处理机系统中并行性的发展
                                      • 习题1
                                      • 第2章 计算机指令集结构
                                        • 2.1 指令集结构的分类
                                          • 2.2 寻址方式
                                            • 2.3 指令集结构的功能设计
                                              • 2.3.1 CISC指令集结构的功能设计
                                                • 2.3.2 RISC指令集结构的功能设计
                                                  • 2.3.3 控制指令
                                                  • 2.4 操作数的类型和大小
                                                    • 2.5 指令格式的设计
                                                      • 2.6 MIPS指令集结构
                                                        • 2.6.1 MIPS的寄存器
                                                          • 2.6.2 MIPS的数据表示
                                                            • 2.6.3 MIPS的数据寻址方式
                                                              • 2.6.4 MIPS的指令格式
                                                                • 2.6.5 MIPS的操作
                                                                  • 2.6.6 MIPS的控制指令
                                                                    • 2.6.7 MIPS的浮点操作
                                                                    • 习题2
                                                                    • 第3章 流水线技术
                                                                      • 3.1 流水线的基本概念
                                                                        • 3.1.1 什么是流水线
                                                                          • 3.1.2 流水线的分类
                                                                          • 3.2 流水线的性能指标
                                                                            • 3.2.1 春吐量
                                                                              • 3.2.2 加速比
                                                                                • 3.2.3 效率
                                                                                  • 3.2.4 流水线性能分析举例
                                                                                    • 3.2.5 流水线设计中的若干问题
                                                                                    • 3.3 流水线的相关与冲突
                                                                                      • 3.3.1 一个经典的5段流水线,
                                                                                        • 3.3.2 相关与流水线冲突
                                                                                        • 3.4 流水线的实现
                                                                                          • 3.4.1 MIPS的一种简单实现
                                                                                            • 3.4.2 基本的MIPS流水线
                                                                                            • 3.5 向量处理机
                                                                                              • 3.5.1 向量的处理方式
                                                                                                • 3.5.2 向量处理机的结构
                                                                                                  • 3.5.3 提高向量处理机性能的方法
                                                                                                    • 3.5.4 向量处理机的性能评价
                                                                                                    • 习题3
                                                                                                    • 第4章 指令级并行
                                                                                                      • 4.1 指令级并行的概念
                                                                                                        • 4.2 指令的动态调度
                                                                                                          • 4.2.1 动态调度的基本思想
                                                                                                            • 4.2.2 Tomasulo算法
                                                                                                            • 4.3 动态分支预测技术
                                                                                                              • 4.3.1 采用转移历史表
                                                                                                                • 4.3.2 采用转移目标缓冲器
                                                                                                                  • 4.3.3 基于硬件的前瞻执行
                                                                                                                  • 4.4 多指令流出技术
                                                                                                                    • 4.4.1 基于静态调度的多流出技术
                                                                                                                      • 4.4.2 基于动态调度的多流出技术
                                                                                                                        • 4.4.3 超长指令字技术
                                                                                                                          • 4.4.4 多流出处理机受到的限制
                                                                                                                            • 4.4.5 超流水线处理机
                                                                                                                            • 4.5 循环展开和指令调度
                                                                                                                              • 4.5.1 循环展开和指令调度的基本方法
                                                                                                                                • 4.5.2 静态超标量处理机中的循环展开
                                                                                                                                • 习题4
                                                                                                                                • 第5章 存储系统
                                                                                                                                  • 5.1 存储系统的层次结构
                                                                                                                                    • 5.1.1 存储系统的层次结构
                                                                                                                                      • 5.1.2 存储系统的性能参数
                                                                                                                                        • 5.1.3 三级存储系统
                                                                                                                                          • 5.1.4 存储层次的4个问题
                                                                                                                                          • 5.2 Cache基本知识
                                                                                                                                            • 5.2.1 基本结构和原理
                                                                                                                                              • 5.2.2 映像规则
                                                                                                                                                • 5.2.3 查找方法
                                                                                                                                                  • 5.2.4 Cache的工作过程
                                                                                                                                                    • 5.2.5 替换算法
                                                                                                                                                      • 5.2.6 写策略
                                                                                                                                                        • 5.2.7 Cache性能分析
                                                                                                                                                          • 5.2.8 改进Cache性能
                                                                                                                                                          • 5.3 降低Cache不命中率
                                                                                                                                                            • 5.3.1 3种类型的不命中
                                                                                                                                                              • 5.3.2 增加Cache块大小
                                                                                                                                                                • 5.3.3 增加Cache容量
                                                                                                                                                                  • 5.3.4 提高相联度
                                                                                                                                                                    • 5.3.5 伪相联Cache
                                                                                                                                                                      • 5.3.6 硬件预取
                                                                                                                                                                        • 5.3.7 编译器控制的预取
                                                                                                                                                                          • 5.3.8 编译优化
                                                                                                                                                                            • 5.3.9 “辆牲"Cache
                                                                                                                                                                            • 5.4 减少Cache不命中开销
                                                                                                                                                                              • 5.4.1 两级Cache
                                                                                                                                                                                • 5.4.2 让读不命中优先于写
                                                                                                                                                                                  • 5.4.3 写缓冲合并
                                                                                                                                                                                    • 5.4.4 请求字处理
                                                                                                                                                                                      • 5.4.5 非阻塞Cache
                                                                                                                                                                                      • 5.5 减少命中时间
                                                                                                                                                                                        • 5.5.1 容量小、结构简单的Cache
                                                                                                                                                                                          • 5.5.2 虚拟Cache
                                                                                                                                                                                            • 5.5.3 Cache访问流水化
                                                                                                                                                                                              • 5.5.4 踪迹Cache
                                                                                                                                                                                                • 5.5.5 Cache优化技术总结
                                                                                                                                                                                                • 5.6 并行主存系统
                                                                                                                                                                                                  • 5.6.1 单体多字存储器
                                                                                                                                                                                                    • 5.6.2 多体交叉存储器
                                                                                                                                                                                                      • 5.6.3 避免存储体冲突
                                                                                                                                                                                                      • 5.7 虚拟存储器
                                                                                                                                                                                                        • 5.7.1 基本概念
                                                                                                                                                                                                          • 5.7.2 快速地址转换技术
                                                                                                                                                                                                            • 5.7.3 页式虚拟存储器实例:64位Opteron的存储管理
                                                                                                                                                                                                            • 5.8 实例:AMD Opteron的存储器层次结构
                                                                                                                                                                                                              • 习题5
                                                                                                                                                                                                              • 第6章 输入/输出系统
                                                                                                                                                                                                                • 6.1 输人/输出系统的性能
                                                                                                                                                                                                                  • 6.2 输入/输出系统的可靠性、可用性和可信性
                                                                                                                                                                                                                    • 6.3 独立磁盘冗余阵列RAID
                                                                                                                                                                                                                      • 6.3.1 RAID 0
                                                                                                                                                                                                                        • 6.3.2 RAID 1
                                                                                                                                                                                                                          • 6.3.3 RAID 2
                                                                                                                                                                                                                            • 6.3.4 RAID 3
                                                                                                                                                                                                                              • 6.3.5 RAID 4
                                                                                                                                                                                                                                • 6.3.6 RAID 5
                                                                                                                                                                                                                                  • 6.3.7 RAID 6
                                                                                                                                                                                                                                    • 6.3.8 RAID 10与RAID 01
                                                                                                                                                                                                                                      • 6.3.9 RAID的实现与发展
                                                                                                                                                                                                                                      • 6.4 总线
                                                                                                                                                                                                                                        • 6.4.1 总线的设计
                                                                                                                                                                                                                                          • 6.4.2 总线标准和实例
                                                                                                                                                                                                                                            • 6.4.3 与CPU的连接
                                                                                                                                                                                                                                            • 6.5 通道
                                                                                                                                                                                                                                              • 6.5.1 通道的作用和功能
                                                                                                                                                                                                                                                • 6.5.2 通道的工作过程
                                                                                                                                                                                                                                                  • 6.5.3 通道的种类
                                                                                                                                                                                                                                                    • 6.5.4 通道流量分析
                                                                                                                                                                                                                                                    • 6.6 1/0与操作系统
                                                                                                                                                                                                                                                      • 6.6.1 DMA和虚拟存储器
                                                                                                                                                                                                                                                        • 6.6.2 1/0和Cache数据一致性-
                                                                                                                                                                                                                                                        • 习题6
                                                                                                                                                                                                                                                        • 第7章 互连网络
                                                                                                                                                                                                                                                          • 7.1 互连函数
                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.1.1 互连函数的表示方法
                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.1.2 几种基本的互连雨数
                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.2 互连网络的结构委数与性能指标
                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.2.1 互连网络的结构参数
                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.2.2 互连网络的性能指标
                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.3 静态互连网络
                                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.4 动态互连网络
                                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.4.1 总线网络
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.4.2 交叉开关网络
                                                                                                                                                                                                                                                                          • 7.4.3 多级互连网络
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.4.4 动态互连网络的比较
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.5 消息传递机制
                                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.5.1 消息路由方案
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.5.2 死锁与虚拟通道
                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.5.3 流控制策略
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.5.4 选播和广播路由算法
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 习题7
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 第8章 多处理机
                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.1 引言
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.1.1 并行计算机系统结构的分类
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.1.2 存储器系统结构和通信机制
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.1.3 并行处理面临的挑战
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.2 对称式多处理机结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.2.1 多处理机的高速缓存一致性问题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.2.2 实现Cache一致性的基本方案
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.2.3 监听协议的实现
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.3 分布式存储多处理机结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.3.1 目录协议的基本思想
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.3.2 目录协议实例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.3.3 目录的3种结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.4 同步
                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.4.1 基本硬件原语
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.4.2 用一致性实现锁
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.4.3 同步性能问题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.5 同时多线程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.5.1 将线程级并行转换为指令级并行
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.5.2 同时多线程处理器的设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.5.3 同时多线程的性能
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.6 大规模并行处理机
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.6.1 并行计算机系统结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.6.2 大规模并行处理系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.7 多核处理器及性能对比
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.8 多处理机实例:Origin 2000
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 习题8
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 第9章 机群系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.1 机群系统的基本结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.1.1 机群系统的硬件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.1.2 机群系统的软件
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.2 机群系统的特点
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.3 机群系统的分类
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.4 典型机群系统简介
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.4.1 Berkeley NOW
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.4.2 Beowulf
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.4.3 LAMP
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.4.4 IBM SP2
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.4.5 天河二号
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 习题9
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 第10章 多核系统结构与编程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.1 多核系统结构的需求
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.1.1 功耗与散热问题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.1.2 并行度问题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.1.3 应用软件的问题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.2 多核系统结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.2.1 多核的组织架构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.2.2 多核系统结构实例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.3 基于多核的并行程序设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.3.1 并行编程模型概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.3.2 共享存储模型与消息传递模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.3.3 并行编程语言
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.3.4 并行算法
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.4 多核编程实例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.4.1 一个简单的OpenMP程序
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.4.2 OpenMP中的排序算法
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 习题10
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 附录A 计算机系统结构模拟实验
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • A.0 实验平台
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • A.1 实验一 MIPS指令系统和MIPS体系结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • A.2 实验二 流水线及流水线中的冲突
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.3 实验三 指令调度和延迟分支
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • A.4 实验四 Cache性能分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • A.5 实验五 Tomasulo算法
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • A.6 实验六 再定序缓冲(ROB)工作原理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • A.7 实验七 多Cache一致性监听协议
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • A.8 实验八 多Cache一致性目录协议
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • A.9 实验九 大作业:编写一个指令级模拟器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 附录B MIPSsim使用手册
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • B.1 启动模拟器
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • B.2 MIPSsim的窗口
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • B.3 MIPSsim的菜单
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 附录C MIPS16模拟器及相关指令
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • C.1 MIPS16模拟器的存储单元
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • C.2 MIPS16模拟器的功能
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • C.3 MIPS16模拟器的部分变量说明
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • C.4 MIPSI6模拟器支持的伪指令
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • C.5 模拟指令集合
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • C.6 样例程序sample.s
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 参考文献
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              课程网址: null

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