计算机体系结构（普通高等教育十五国家级规划教材）

　　本书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果，是面向21世纪课程教材。本书的主要内容有：计算机体系结构的基本概念、计算机指令集结构设计、流水线技术、指令级并行技术、存储体系、输入／输出系统以及多处理机。本书比较全面和系统地接触了当今计算机体系结构的发展前沿，概念清晰，易于理解，并配有大量的实例分析。本书可作为计算机专业本科生计算机体系结构课程的教材，也可作为计算机相关专业研究生教材，书中的内容对于从事计算机研究及相关人员亦有根好的参考价值。本书除了着重论述体系结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以外，还强调采用量化的分析方法。全书共包括七章，第一章论述计算机体系结构的概念以及体系结构和并行性概念的发展，并简单地讨论影响计算机系统设计的成本和价格因素；第二章论述计算机指令集结构设计中的一些问题，包括寻址技术、指令集的功能设计、操作数的类型和大小、指令格式等，并且介绍一种指令集结构的实例——DLX；第三章为“流水线技术”，论述流水线的基本概念、分类以及性能计算方法，并对流水线中的相关问题以及向量计算机进行讨论；第四章为“指令级并行”，论述利用硬、软件技术开发程序中应有的指令间并行性的技术和方法，包括指令调度、超标量技术、分支处理技术和超长指令字技术；第五章为“存储层次”，论述Cache的基本知识、降低Cache失效率的方法、减

　　张晨曦，男，1960年9月生，汉族，福建龙岩人，国防科技术大学计算机学院教授，博士生导师，国家级“中青年有突出贡献专家”。主要成就有：先后主持人四项国家自然科学基金项目，曾获“国家杰出青年基金”资助。发表论文八十多篇，其中在国外发表二十多篇。有18篇被国家著名八大检索工具收录。撰写专著两部（第二作者），教材一本（第一作者）。其中专著《新一代计算机》由荷兰North-Hooland出自社出版，另一部1992年获“国家教委优秀专著特等奖”，1993年获“全国优秀科技图书一等奖”。教材《计算机体系结构》2002听获“全国普通高等学校优秀教材二等奖”。获部委级科技术进步一等奖两项（排名第二），二等奖一项（排名第一），获部委级教学成果二、三等奖各一项。负责研制的新型Internet动画制作/演播系统“网动王”于1999年3月通过了专家鉴定，达到了国际先进水平，并已在远程教育和CAI中获得了较广泛的应用。1991年被国家教委授予“做出突出贡献的中国博士”光荣称号，被评为湖南省科技青年“十佳”之一，1993年被评为“全军优秀教师”，1993年和1995年两次获“霍英乐青年教师奖”；1995年获“中国青年科技奖”。从15岁起当中教师，对教学方法和现代教育技术有深入的研究，提出了面向远程教育和CAI的教学方法——多媒体图形解析教学法。业余爱好：摄影。通讯地址：湖南长沙　国防科技大学　计算机学院邮编：410073网址：www.FotoSky.com，www.GotoSchool.netE-mail：architecture21@sohu.com

第1章计算机体系结构的基本概念
1.1引言
1.2计算机体系结构的概念
1.2.1计算机系统中的层次概念
1.2.2计算机体系结构
1.2.3计算机组织和计算机实现技术
1.3计算机体系结构的发展
1.3.1存储程序计算机体系结构及其发展
1.3.2计算机的分代和分型
1.3.3应用需求的发展
1.3.4计算机实现技术的发展
1.3.5技术的挑战和体系结构的生命周期
1.4影响计算机体系结构的成本和价格因素
1.4.1计算机系统的成本和价格
1.4.2时间因素
1.4.3集成电路的成本
1.5定量分析技术基础
1.5.1计算机性能的评测
1.5.2测试程序
1.5.3性能设计和评测的基本原则
1.5.4CPU的性能
1.6计算机体系结构中并行性的发展
1.6.1并行性概念
1.6.2提高并行性的技术途径
1.6.3并行计算的应用需求
1.7小结
习题1
第2章计算机指令集结构设计
2.1指令集结构的分类
2.1.1指令集结构的分类
2.1.2通用寄存器型指令集结构分类
2.2寻址技术
2.3指令集结构的功能设计
2.3.1CISC指令集结构的功能设计
2.3.2RISC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.表示和大小
2.5指令集格式的设计
2.5.1寻址方式的表示方法
2.5.2指令集格式的选择
2.6DLX指令集结构
2.6.1DLX指令集结构
2.6.2DLX指令集结构效能分析
2.7小结
习题2
第3章流水线技术
3.1流水线的基本概念
3.1.1流水线的基本概念
3.1.2流水线的分类
3.2DLX的基本流水线
3.2.1DLX的一种简单实现
3.2.2基本的DLX流水线
3.2.3流水线性能分析
3.3流水线中的相关
3.3.1流水线的结构相关
3.3.2流水线的数据相关
3.3.3流水线的控制相关
3.4MIPSR4000流水线计算机
简介
3.4.1MIPSR4000整型流水线
3.4.2MIPSR4000浮点流水线
3.5向量处理机
3.5.1向量处理方式和向量处理机
3.5.2提高向量处理机性能的主要技术
3.5.3向量处理机的性能评价
3.6小结
习题3
第4章指令级并行
4.1指令级并行的概念
4.1.1循环展开调度的基本方法
4.1.2相关性
4.2指令的动态调度
4.2.1动态调度的原理
4.2.2动态调度算法之一：记分牌
4.2.3动态调度算法之二：Tomasulo算法
4.3控制相关的动态解决技术
4.3.1分支预测缓冲
4.3.2分支目标缓冲
4.3.3基于硬件的前瞻执行
4.4多指令流出技术
4.4.1静态超标量技术
4.4.2动态多指令流出技术
4.4.3超长指令字技术
4.4.4多流出处理器受到的限制
4.5小结
习题4
第5章存储层次..
5.1存储器的层次结构
5.1.1从单级存储器到多级存储器
5.1.2存储层次的性能参数
5.1.3“Cachc—主存”和“主存—辅存”层次
5.1.4存储层次的4个问题
5.2Cache基本知识
5.2.1映象规则
5.2.2查找方法
5.2.3替换算法
5.2.4写策略
5.2.5Cache的结构
5.2.6Cachc性能分析
5.2.7改进Cache性能
5.3降低Cache失效率的方法
5.3.1增加Cache块大小
5.3.2提高相联度
5.3.3VictimC9che
5.3.4伪相联Cachc
5.3.5硬件预取技术
5.3.6由编译器控制的预取
5.3.7编译器优化
5.4减少Cache失效开销
5.4.1让读失效优先于写
5.4.2子块放置技术
5.4.3请求字处理技术
5.4.4非阻塞Cache技术
5.4.5采用两级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写操作流水化
5.5.4Cache优化技术总结
5.6主存
5.7虚拟存储器
5.7.1虚拟存储器基本原理
5.7.2快表
5.8进程保护和虚存实例
5.8.1进程保护
5.8.2页式虚存举例：AlphaAXP的存储管理和21064的TLB
5.9A1phaAXP21064存储层次
5.10小结
习题5
第6章输入/输出系统
6.1引言
6.1.1I/O系统性能与CPU性能
6.1.2I/O系统的可靠性
6.2外部存储设备
6.2.1磁盘设备
6.2.2F1ash存储器
6.2.3磁带设备
6.2.4光盘设备
6.3可靠性.可用性和可信性
6.4廉价磁盘冗余阵列RAID
6.4.1RAID0
6.4.2RAID1
6.4.3RAID2
6.4.4RAID3
6.4.5RAID4
6.4.6RAID5
6.4.7RAID6
6.4.8RAID7
6.4.9RAID的实现与发展
6.5I/O设备与CPU和存储器的连接
6.5.1总线
6.5.2设备的连接
6.5.3通道
6,6I/O系统性能分析
6.6.1I/O性能与系统响应时间
6.6.2Little定律
6.6.3M/M/1排队系统
6.6.4M/M/m排队系统
6.7I/O与操作系统
6.7.1DMA和虚拟存储器
6.7.2I/O和Csche数据一致性
6.7.3异步I/O
6.7.4块服务器和文件服务器
6.8小结
习题6
第7章多处理机
7.1引言
7.1.1并行计算机体系结构的分类
7.1.2通信模型和存储器的结构模型
7.1.3并行处理面临的挑战
7.2对称式共享存储器体系结构
7.2.1多处理机Cache一致性
7.2.2实现一致性的基本方案
7.2.3监听协议及其实现
7.3分布式共享存储器体系结构
7.3.1基于目录的Cache一致性
7.3.2目录协议及其实现
7.4互连网络
7.4.1互连网络的性能参数
7.4.2静态连接网络
7.4.3动态连接网络
7.5同步
7.5.1基本硬件原语
7.5.2用一致性实现锁
7.5.3同步性能问题
7.5.4大规模机器的同步
7.6同时多线程
7.6.1将线程级并行转换为指令级并行
7.6.2同时多线程处理器的设计
7.6.3同时多线程的性能
7.7多处理机实例
7.8小结
习题7
主要参考文献...