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目录1

高等教育出版社1

第一章 计算机系统结构设计基础1

1.1 计算机系统结构的含义和分类1

计算机系统结构1

1.1.1 计算机系统结构的含义2

1.1.1.1 计算机系统结构的外特性2

1.1.1.2 计算机系统结构的内部特性4

1.1.1.3 计算机系统的微系统结构——微外特性4

1.1.2 计算机系统结构的分类5

1.1.2.1 按“流”分类5

1.1.2.2 按“并行级”和“流水线”分类7

1.2.1 计算机系统设计的定量原理8

1.1.2.3 计算机系统结构风格8

1.2 计算机系统的设计准则8

1.2.2 计算机系统设计者的主要任务9

1.3 计算机系统结构的发展10

1.3.1 计算机系统结构的演变10

1.3.2 软件、应用和器件对系统结构发展的影响13

1.3.2.1 软件对系统结构发展的影响13

1.3.2.2 应用需求对系统结构发展的影响16

1.3.2.3 器件对系统结构发展的影响17

小结18

习题和思考题18

2.2.1 衡量计算机性能的主要标准20

2.2 计算机性能20

2.1 引言20

第二章 计算机的性能和成本20

2.2.2 CPU性能21

2.2.3 MIPS和MFLOPS22

2.2 4 评估性能的基准测试程序23

2.2.5 性能评价结果的统计和比较23

2.2.6 加速比性能指标和性能可伸缩性指标26

2.3 计算机成本和价格26

小结28

习题和思考题28

第三章 数据类型和数据表示31

3.1 数据类型31

3.1.1 基本数据类型31

3.2.1 数据表示、数据类型和数据结构的关系32

3.1.2 结构数据类型32

3.2 数据表示32

3.2.2 二进制的定点、浮点数据表示33

3.2.3 向量数据表示34

3.2.4 自定义数据表示36

小结40

习题和思考题40

第四章 指令系统的设计原理和风格42

4.1 引言42

4.2 指令系统集结构的分类43

4.2.1 堆栈型、累加器型和通用寄存器型指令集的结构43

4.2.2 通用寄存器型指令系统的进一步分类44

4.3.1 按地址访问方式45

4.3 操作数访问（寻址）方式45

4.3.2 按内容访问方式49

4.4 指令格式及其优化50

4.5 两种不同的指令系统设计风格——CISC和RISC54

4.5.1 CISC设计风格55

4.5.1.1 CISC的主要特点55

4.5.1.2 CISC发展的主要问题56

4.5.2 RISC设计风格56

4.5.2.1 RISC技术的发展56

4.5.2.2 RISC技术的主要特征57

4.5.2.3 RISC技术中所采用的特殊方法58

4.5.2.4 CISC机和RISC机设计风格的比较62

4.6.1.1 加州大学伯克莱分校的RISC机64

4.6 RISC机指令系统实例和分析64

4.6.1 加州大学伯克莱分校的RISC机和SUN SPARC系统结构64

4.6.1.2 SUN SPARC系统结构66

4.6.2 斯坦福大学的MIPS机和MIPS R300067

4.6.3 新一代RISC机的主要特征和发展趋向68

小结70

习题和思考题70

第五章 标量流水技术72

5.1 控制流及其改变72

5.2 标量流水工作原理73

5.2.1 重叠操作方式和先行控制73

5.2.2 标量流水工作原理76

5.2.3 标量流水分类77

5.2.4 流水线的主要性能及其分析79

5.2.5 流水线性能分析举例81

5.3 流水操作中的主要障碍83

5.3.1 资源冲突（结构冲突）84

5.3.2 数据相关冲突84

5.3.3 控制转移冲突88

5.4 流水的实现和控制91

5.4.1 流水线的中断处理91

5.4.2 非线性流水线中功能段使用冲突及相应调度91

5.5 先进的流水技术93

5.5.1 先进的流水调度方法——动态调度94

5.5.1.1 流水的集中式动态调度94

5.5.1.2 流水的分布式动态调度95

5.5.2 流水中指令级并行性的进一步开发97

5.5.1.3 动态硬件预测转移方法97

5.5.2.1 超级标量方法98

5.5.2.2 VLIW（超长指令字）方法100

5.5.2.3 展开循环体后调度104

5.5.2.4 软件流水方法105

5.5.2.5 超级流水方法106

小结107

习题和思考题108

第六章 向量流水处理111

6.1 向量流水机的基本系统结构111

6.1.1 向量流水处理的主要特点111

6.1.2 向量机的基本系统结构111

6.1.3 向量启动时间和启动率113

6.2 向量操作长度控制和向量访问步长114

6.3 向量处理方法115

6.4 增强向量处理性能的方法117

6.4.1 多功能部件的并行操作117

6.4.2 链接技术118

6.4.3 条件执行语句和稀疏矩阵的加速处理方法119

6.4.4 向量归约操作的加速方法121

6.5 向量处理性能评估参数和方法121

6.6 向量化编译技术123

小结124

习题和思考题125

第七章 存储体系127

7.1 引言——访存局部性原理127

7.2 存储体系构成的基本原理128

7.3 高速缓冲存储器（Cache）129

7.3.1 Cache基本工作原理和结构130

7.3.2 地址映象与变换131

7.3.2.1 直接映象及变换131

7.3.2.2 全相联映象及变换132

7.3.2.3 组相联映象及变换133

7.3.3 替换策略及更新主存策略134

7.3.4 数据Cache、指令Cache及一体化Cache139

7.3.5 Cache性能分析139

7.4 主存储器及带宽拓宽方法141

7.4.1 提高主存性能方法141

7.4.2 多体交叉存储器142

7.4.2.1 高位交叉存储器142

7.4.2.2 低位交叉存储器142

7.5.1 虚拟存储器的基本概念143

7.4.3 拓宽存储器带宽的方法143

7.5 虚拟存储器143

7.5.2 三种不同的虚拟存储器管理方式144

7.5.2.1 段式管理144

7.5.2.2 页式管理144

7.5.2.3 段页式管理145

7.5.3 页式虚拟存储器结构及其实现148

7.5.3.1 快速地址变换技术148

7.5.3.2 虚存的保护技术149

小结154

习题和思考题154

8.1 引言157

8.2 I/O子系统主要特征157

第八章 输入／输出子系统157

8.3 I/O部件类型159

8.3.1 磁盘159

8.3.2 光盘161

8.3.3 图形显示设备163

8.4 总线163

8.4.1 总线分类163

8.4.2 总线控制方式164

8.4.3 总线标准169

8.5 中断系统174

8.5.1 中断分类和优先等级174

8.5.2 中断处理系统175

8.6 输入／输出通道175

8.7 I/O处理机178

8.8 I/O子系统的性能衡量标准179

8.9 I/O子系统的设计180

小结180

习题和思考题181

第九章 并行处理技术183

9.1 并行处理技术的发展183

9.1.1 并行性基本概念183

9.1.2 并行性的开发策略184

9.2 SIMD并行计算机（阵列处理机）185

9.2.1 阵列机的基本结构185

9.2.2 阵列机的主要特点186

9.2.3 阵列机的并行算法186

9.2.4 典型SIMD计算机举例188

9.3 计算机互连网络190

9.3.1 互连网络的设计准则及互连函数190

9.3.2 单级互连网络192

9.3.3 多级互连网络196

9.4 并行存储器的无冲突访问198

9.5 多处理机200

9.5.1 多处理机主要特征及其分类200

9.5.2 多处理机间的互连方式205

9.5.3 多处理机系统中并行性的开发210

9.5.3.1 程序并行性的分析210

9.5.3.2 并行程序设计语言211

9.5.4.1 多处理机操作系统的特点214

9.5.4.2 多处理机操作系统的分类214

9.5.4 多处理机操作系统214

9.5.5 多处理机调度策略215

9.6 并行机的发展趋向217

9.6.1 并行机的现状217

9.6.2 MPP大规模并行处理机218

小结221

习题和思考题222

第十章 新型计算机系统结构225

10.1 计算模型分类225

10.2 数据流计算机228

10.2.1 数据流计算机的基本工作原理228

10.2.2 数据流程序图和数据流语言228

10.2.3 数据流机的基本结构232

10.3.1 函数式程序设计语言235

10.3 归约机235

10.3.2 面向函数式语言的归约机237

10.4 人工智能计算机240

10.4.1 人工智能（AI——Artificial intelligent）计算特征241

10.4.2 人工智能计算机的分类和设计方法242

10.4.3 PROLOG推理机243

10.4.4 人工智能计算机的研究进展243

10.4.5 真实世界计算机研究计划244

小结246

习题和思考题246

附录1 SPARC指令系统249

附录2 MIPS R3000指令系统250

参考文献253