计算机体系结构教程 16开平装 全1册

张春元，国防科技大学计算机学院教授、博导，国家计算机类专业工程教育专业认证专家组副秘书长，军队计算机专业教学联席会主任委员。享有国务院颁发的政府特殊津贴。长期从事计算机体系结构、计算机应用等科研和教学工作。主持国家重点研发几乎按项目、国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家863高技术研究项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目及企业合作等20多项，发表科研论文100余篇，出版学术专著2部，已获授权专列10项。主讲过10多门本科生和研究生课程，是国家精品课程“计算机体系结构”主讲人之一、军队优质课程和湖南省一流线下课程“计算机体系结构”负责人。撰写教材3种，其中《计算机体系结构》获得2021年全国首届优秀教材奖一等奖、2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖，发表教学论文10余篇，主编出版有《学位与研究生教育信息管理实践与探索》。获得国家科技进步二等奖1次，省部级科技进步奖多次，国家教学成果二等奖2次，省部级教学成果奖多次。

br/>

第1章计算机体系结构概述1

1.1计算机体系结构的概念1

1.1.1存储程序计算机3

1.1.2计算机体系结构、组成和实现5

1.1.3计算机系统中的层次概念8

1.1.4系列机和兼容10

1.2计算机体系结构的发展12

1.2.1计算机分代、分型与分类13

1.2.2软件的发展14

1.2.3应用的发展16

1.2.4相关核心技术产品的发展17

1.2.5计算机体系结构的发展20

1.2.6并行处理技术的发展22

1.2.7体系结构技术的挑战28

1.3计算机系统设计和分析31

1.3.1成本和价格31

1.3.2性能评测的技术方法34

1.3.3基准测试程序36

1.3.4量化设计的基本原则39

1.4基本的可靠性模型43

1.4.1可靠性的基本概念43

1.4.2多部件系统的可靠性45

1.5小结48

习题148

第2章指令系统51

2.1指令系统的分类51

2.2寻址方式53

2.3指令系统的设计和优化56

2.3.1指令系统设计的基本原则56

2.3.2控制指令57

2.3.3指令操作码的优化58

2.4指令系统的发展和改进592.4.1沿CISC方向发展和改进指令系统59

2.4.2沿RISC方向发展和改进指令系统61

2.5操作数的类型和大小63

2.6RISCⅤ指令系统64

2.6.1RISCⅤ的寄存器65

2.6.2RISCⅤ的数据类型65

2.6.3RISCⅤ的数据寻址方式66

2.6.4RISCⅤ的指令格式66

2.6.5RISCⅤ的操作67

2.6.6RISCⅤ的控制指令68

2.6.7RISCⅤ的浮点操作69

2.7小结70

习题271

第3章流水线技术73

3.1流水线概述73

3.1.1流水线的基本概念73

3.1.2流水线的分类75

3.2RISCⅤ基本流水线78

3.2.1RISCⅤ的一种简单实现78

3.2.2基本RISCⅤ流水线82

3.2.3流水线性能分析85

3.3流水线中的依赖90

3.3.1流水线的结构依赖91

3.3.2流水线的数据依赖93

3.3.3流水线的控制依赖102

3.4流水线计算机实例分析109

3.4.1MIPS R4000的整型流水线109

3.4.2MIPS R4000的浮点流水线111

3.4.3MIPS R4000流水线的性能分析112

3.5向量处理机113

3.5.1向量处理方式和向量处理机113

3.5.2向量处理机实例分析116

3.6小结118

习题3119

第4章指令级并行性121

4.1指令级并行性的概念121

4.1.1循环展开调度的基本方法122

4.1.2依赖关系127

4.2指令的动态调度131

4.2.1动态调度的原理132

4.2.2动态调度算法之一: 记分牌133

4.2.3动态调度算法之二: Tomasulo算法140

4.3控制依赖的动态解决技术150

4.3.1分支预测缓冲151

4.3.2分支目标缓冲154

4.3.3前瞻执行的硬件实现156

4.4多指令流出技术160

4.4.1静态超标量技术161

4.4.2动态多指令流出技术163

4.4.3超长指令字技术165

4.4.4多指令流出处理器受到的限制167

4.5软件流水168

4.6小结171

习题4172

第5章存储层次175

5.1存储器的层次结构175

5.1.1多级存储层次175

5.1.2存储层次的性能指标177

5.1.3两种存储层次关系177

5.1.4存储层次的4个关键问题178

5.2Cache基本知识178

5.2.1映射规则178

5.2.2查找方法180

5.2.3替换算法182

5.2.4写策略183

5.2.5Cache结构184

5.2.6Cache性能分析187

5.2.7改进Cache性能190

5.3降低Cache失效率的方法190

5.3.1调节Cache块大小192

5.3.2提高相联度194

5.3.3牺牲Cache195

5.3.4硬件预取196

5.3.5编译器控制的预取197

5.3.6编译器优化199

5.4减少Cache失效开销的方法203

5.4.1写缓冲及写合并203

5.4.2让读失效优先于写204

5.4.3请求字处理204

5.4.4多级Cache205

5.4.5非阻塞Cache208

5.5减少Cache命中时间的方法210

5.5.1容量小、结构简单的Cache210

5.5.2虚拟Cache211

5.5.3访问流水化213

5.5.4多体Cache213

5.5.5路预测213

5.5.6踪迹Cache214

5.5.7Cache优化技术总结214

5.6主存215

5.6.1存储器组织技术215

5.6.2存储器芯片技术219

5.7虚拟存储器227

5.7.1虚拟存储器基本原理227

5.7.2快表229

5.7.3虚存和Cache关系的例子230

5.8虚存保护和虚存实例231

5.8.1进程保护技术231

5.8.2页式虚存举例: 64位Opteron232

5.8.3虚拟机保护234

5.9综合例子239

5.9.1AMD Opteron存储层次239

5.9.2Intel Core i7 6700存储层次241

5.10小结245

习题5246

第6章输入输出系统249

6.1引言249

6.1.1I/O处理对计算机总体性能的影响249

6.1.2I/O系统的可靠性250

6.2外部存储设备251

6.2.1磁盘设备251

6.2.2Flash存储器与固态硬盘255

6.2.3磁带设备256

6.2.4光盘设备258

6.3I/O系统性能分析与评测260

6.3.1I/O性能与系统响应时间260

6.3.2Little定律262

6.3.3M/M/1排队系统263

6.3.4M/M/m排队系统264

6.3.5I/O基准测试程序265

6.4I/O系统的可靠性、可用性和可信性267

6.5廉价磁盘冗余阵列269

6.5.1RAID0271

6.5.2RAID1272

6.5.3RAID2273

6.5.4RAID3274

6.5.5RAID4275

6.5.6RAID5276

6.5.7RAID6277

6.5.8RAID的实现与发展278

6.6I/O设备与CPU、存储器的连接——总线279

6.6.1总线设计应考虑的因素279

6.6.2总线标准和实例281

6.6.3设备的总线连接282

6.7通道283

6.7.1通道的功能284

6.7.2通道的工作过程284

6.7.3通道的种类286

6.8I/O与操作系统286

6.8.1DMA和虚拟存储器287

6.8.2I/O和Cache数据一致性287

6.8.3异步I/O289

6.8.4文件信息的维护289

6.9小结289

习题6290

第7章多处理机293

7.1引言293

7.1.1并行计算机体系结构的分类293

7.1.2通信模型和存储器的结构模型295

7.1.3并行处理面临的挑战297

7.2集中式共享存储器体系结构299

7.2.1多处理机Cache一致性299

7.2.2实现一致性的基本方案300

7.2.3监听协议及其实现302

7.3分布式共享存储器体系结构303

7.3.1基于的Cache一致性304

7.3.2协议及其实现306

7.4互连网络307

7.4.1互连网络的性能参数307

7.4.2静态互连网络310

7.4.3动态连接网络313

7.4.4片上网络317

7.5同步320

7.5.1基本硬件原语320

7.5.2用一致性实现锁321

7.5.3同步性能问题323

7.5.4大规模计算机的同步325

7.6同时多线程328

7.6.1将线程级并行转换为指令级并行329

7.6.2同时多线程处理器的设计330

7.6.3同时多线程的性能331

7.7并行处理器的性能评测333

7.8多处理机实例334

7.8.1多核处理器及性能对比334

7.8.2实例: Origin 2000339

7.9小结340

习题7341

第8章集群计算机343

8.1集群的基本概念和结构343

8.1.1集群的基本结构343

8.1.2集群的软件模型344

8.2集群的特点346

8.3集群的分类346

8.4典型集群系统简介348

8.4.1Berkeley NOW348

8.4.2Beowulf348

8.4.3LAMP349

8.4.4IBM SP2349

8.4.5“天河二号”351

8.5小结355

习题8355

参考文献356

本书论述比较成熟的现代计算机体系结构的基本概念、基本原理和基本分析方法，并特别强调采用量化评测的分析技术和方法。本书共8章，主要内容包括计算机体系结构的基本概念、指令系统、流水线技术、指令级并行、存储层次、输入输出系统、多处理机、集群计算机。

本书语言简练，深入浅出，通俗易懂，适合作为高等学校计算机科学与技术学科各专业以及自动化、电子工程等相关专业本科生、研究生的教材，也可作为计算机领域工程技术人员的参考书。

张春元，国防科技大学计算机学院教授、博导，国家计算机类专业工程教育专业认证专家组副秘书长，军队计算机专业教学联席会主任委员。享有国务院颁发的政府特殊津贴。长期从事计算机体系结构、计算机应用等科研和教学工作。主持国家重点研发几乎按项目、国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家863高技术研究项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目及企业合作等20多项，发表科研论文100余篇，出版学术专著2部，已获授权专列10项。主讲过10多门本科生和研究生课程，是国家精品课程“计算机体系结构”主讲人之一、军队优质课程和湖南省一流线下课程“计算机体系结构”负责人。撰写教材3种，其中《计算机体系结构》获得2021年全国首届优秀教材奖一等奖、2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖，发表教学论文10余篇，主编出版有《学位与研究生教育信息管理实践与探索》。获得国家科技进步二等奖1次，省部级科技进步奖多次，国家教学成果二等奖2次，省部级教学成果奖多次。