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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 114

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Cache153

4.6.1　三级存储系统的组织方式153

4.6.2　虚拟地址Cache155

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