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第1章 计算机设计基本原理1

1.1 简介1

1.2　计算机的分类3

桌面计算机3

服务器4

嵌入式计算机5

1.3　计算机系统结构的定义5

指令集系统结构6

系统结构的其他方面：设计满足目标和功能要求的组成和硬件8

1.4　实现技术的发展趋势9

性能的发展趋势：带宽优于时延10

晶体管性能与连线的规模12

1.5　集成电路功耗的发展趋势12

1.6　成本的发展趋势13

时间、产量、产品化的影响14

集成电路的成本15

成本与价格17

1.7　可靠性18

1.8　测量、报告和总结计算机的性能20

基准测试程序20

性能评价报告23

性能评测结果的总结23

1.9　计算机设计的量化原则26

采用并行性26

局部性原理27

关注经常性事件27

Amdahl定律27

处理器性能公式29

1.10　综合：性能和性价比32

桌面计算机和机架式系统的性能和性价比32

事务处理服务器的性能和性价比33

1.11　谬误和易犯的错误35

1.12　结论38

1.13　历史回顾和参考文献39

1.14　范例分析及习题39

范例分析1：芯片制作成本39

范例分析2：计算机系统中的功耗40

范例分析3：Web服务器中可靠性（及故障）的开销42

范例分析4：性能43

第2章 指令级并行及其开发45

2.1　指令级并行：概念与挑战45

什么是指令级并行46

数据相关和冒险47

2.2　支持指令级并行的基本编译技术51

基本流水线调度和循环展开51

循环展开和调度的小结54

2.3　采用预测技术减小转移开销55

静态转移预测55

动态转移预测和转移预测缓存56

Tournament预测器：整体局部自适应预测器59

2.4　采用动态调度克服数据冒险61

动态调度：概念62

用Tomasulo方法进行动态调度63

2.5　动态调度：举例和算法67

Tomasulo算法：细节69

Tomasulo算法：一个基于循环的例子69

2.6　基于硬件的推测72

2.7　采用多发射和静态调度技术开发指令级并行79

基本的VLIW方法80

2.8　采用动态调度、多发射和推测方法开发指令级并行82

2.9　指令传送和推测的高级技术84

提高取指令带宽84

推测：实现问题和扩展88

2.10　综合：Intel Pentium 491

Pentium 4性能分析92

2.11　谬误和易犯的错误97

2.12　结论98

2.13　历史回顾和参考文献99

2.14　范例分析及习题99

范例分析1：探讨微系统结构技术的影响99

范例分析2：对转移预测器建模104

第3章 指令级并行性的限制106

3.1　介绍106

3.2　指令级并行性限制的研究106

硬件模型107

窗口大小和最大发射数的限制108

实际转移和跳转预测的影响110

有限寄存器的影响112

非完美别名分析的影响113

3.3　实际处理器中的指令级并行性限制114

克服研究模型的限制117

3.4　相关问题：硬件推测和软件推测118

3.5　多线程：使用指令级并行支持线程级并行的开发119

同时多线程：将线程级并行转换为指令级并行120

3.6　综合：高级多发射处理器的性能和效率124

是什么限制了多发射处理器126

3.7　谬误和易犯的错误127

3.8　结论128

3.9　历史回顾和参考文献128

3.10　范例分析及习题128

范例分析1：相关和指令级并行128

第4章 多处理器和线程级并行134

4.1　简介134

并行系统结构的分类135

通信和存储器系统结构模型138

并行处理遇到的挑战138

4.2　对称式共享存储器系统结构140

什么是多处理器的Cache一致性140

实施一致性的基本方案142

监听协议143

基本实现技术143

协议范例144

对称式共享存储器多处理器和监听协议的局限性148

实现监听Cache一致性149

4.3　对称式共享存储器多处理器的性能149

商业负载150

商业负载的性能测试151

多道程序和操作系统负载155

多道程序和操作系统负载的性能156

4.4　分布式共享存储器和基于目录的一致性158

基于目录的Cache一致性协议：基础知识159

目录协议范例161

4.5　同步：基本要素163

基本硬件原语164

用一致性实现锁165

4.6　存储器连贯性模型：介绍167

程序员的视角168

非严格连贯性模型：基本概念168

关于连贯性模型的最后小结169

4.7　相关问题169

编译器优化和连贯性模型169

在严格连贯性模型中用推测来实现时延隐藏169

包含性及其实现170

4.8　综合：Sun T1多处理器171

T1的性能171

运行SPEC基准测试程序的多核处理器的性能175

4.9　谬误和易犯的错误177

4.10　结论181

4.11　历史回顾和参考文献181

4.12　范例分析及习题182

第5章 存储器层次结构设计198

5.1　简介198

5.2　11种先进的Cache性能优化方法202

第一种优化：小而简单的Cache减少命中时间203

第二种优化：路预测减少命中时间204

第三种优化：踪迹Cache减少命中时间204

第四种优化：流水线Cache访问205

第五种优化：利用非阻塞Cache增加Cache带宽205

第六种优化：利用多组Cache增加Cache带宽206

第七种优化：关键字优先和提前重启动以减小缺失代价207

第八种优化：合并写缓冲区以降低缺失代价207

第九种优化：编译器优化以降低缺失率209

第十种优化：指令和数据硬件预取以降低缺失代价／缺失率211

第十一种优化：编译控制预取降低缺失代价／缺失率212

Cache优化技术小结214

5.3　存储器技术及性能优化214

SRAM技术215

DRAM技术215

在DRAM芯片内部改善存储器性能217

5.4　保护：虚拟存储器和虚拟机218

通过虚拟存储器来提供保护219

虚拟机的保护220

虚拟机监视器的必备条件221

虚拟机（缺乏）的指令集系统结构支持221

虚拟机在虚拟存储器和I/O上的冲突222

虚拟机监视器的实例：Xen虚拟机222

5.5　相关问题：存储器层次设计225

保护和指令集系统结构225

预测执行和存储系统225

I/O和Cache数据的一致性226

5.6　综合：AMD Opteron存储器层次结构226

Opteron存储层次结构的性能230

5.7　谬误和易犯的错误233

5.8　结论238

5.9　历史回顾和参考文献239

5.10　范例分析及习题239

范例分析1：通过简单的硬件实现Cache性能优化239

范例分析2：通过先进技术优化Cache性能241

范例分析3：存储器技术及优化242

范例分析4：虚拟机243

范例分析5：综合：高度并行化存储系统245

第6章 存储系统248

6.1　简介248

6.2　磁盘存储的高级话题248

磁盘功耗250

磁盘阵列的高级话题251

6.3　实际故障的定义和实例254

伯克利Tertiary Disk系统255

Tandem256

其他方面研究：操作员在可靠性中扮演的角色257

6.4　I/O性能可靠性评测258

吞吐率与响应时间259

事务处理基准测试程序260

SPEC系统级文件服务器、邮件及Web的基准测试程序261

基准测试程序可靠性的实例262

6.5　排队论简介263

随机变量的泊松分布266

6.6　相关问题272

点到点连接和用交换机代替总线272

块服务器与文件管理器的对比272

异步I/O和操作系统273

6.7　I/O系统设计与评价——互联网存储档案集群273

互联网存储档案集群274

互联网存储档案集群的成本、性能和可靠性评价274

计算TB-80集群的MTTF276

6.8　综合：NetApp FAS6000文件管理器277

6.9　谬误和易犯的错误278

6.10　结论282

6.11　历史回顾和参考文献282

6.12　范例分析及习题282

范例分析1：解析磁盘282

范例分析2：解析磁盘阵列284

范例分析3：RAID重构287

范例分析4：RAID性能的预测289

范例分析5：I/O子系统设计290

范例分析6：失效位291

范例分析7：排序294

附录A 流水线：基础和中级概念297

附录B 指令系统原理与实例352

附录C 存储器层次结构回顾385

参考文献427

索引453