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第1章 计算机系统结构的基础知识1

1.1 计算机系统结构的基本概念1

1.1.1 计算机系统的层次结构2

1.1.2 计算机系统结构的定义3

1.1.3 计算机组成和计算机实现3

1.1.4 计算机系统结构的分类4

1.2 计算机系统的设计7

1.2.1 计算机系统设计的定量原理7

1.2.2 计算机系统设计者的主要任务10

1.2.3 计算机系统设计的主要方法12

1.3 计算机系统的性能评测13

1.4 计算机系统结构的发展17

1.4.1 冯·诺依曼结构及其改进17

1.4.2 软件对系统结构的影响19

1.4.3 器件发展对系统结构的影响21

1.4.4 应用对系统结构的影响22

1.5 计算机系统结构中并行性的发展23

1.5.1 并行性的概念23

1.5.2 提高并行性的技术途径25

1.5.3 单机系统中并行性的发展25

1.5.4 多机系统中并行性的发展25

1.5.5 并行机的发展变化26

习题128

第2章 指令系统的设计30

2.1 指令系统结构的分类30

2.2 寻址方式32

2.3 指令系统的设计和优化35

2.3.1 指令系统设计的基本原则35

2.3.2 控制指令36

2.3.3 指令操作码的优化37

2.3.4 指令字格式的优化40

2.4 指令系统的发展和改进42

2.4.1 沿CISC方向发展和改进指令系统42

2.4.2 沿RISC方向发展和改进指令系统44

2.5 操作数的类型和大小45

2.6 MIPS指令系统结构47

2.6.1 MIPS的寄存器47

2.6.2 MIPS的数据表示47

2.6.3 MIPS的数据寻址方式47

2.6.4 MIPS的指令格式48

2.6.5 MIPS的操作49

2.6.6 MIPS的控制指令50

2.6.7 MIPS的浮点操作51

习题251

第3章 流水线技术53

3.1 流水线的基本概念53

3.1.1 什么是流水线53

3.1.2 流水线的分类55

3.2 流水线的性能指标58

3.2.1 流水线的吞吐率58

3.2.2 流水线的加速比60

3.2.3 流水线的效率61

3.2.4 流水线的性能分析举例62

3.2.5 流水线设计中的若干问题64

3.3 非线性流水线的调度64

3.3.1 单功能非线性流水线的最优调度65

3.3.2 多功能非线性流水线的调度67

3.4 流水线的相关与冲突70

3.4.1 一条经典的5段流水线70

3.4.2 相关与流水线冲突72

3.5 流水线的实现83

3.5.1 MIPS的一种简单实现83

3.5.2 基本的MIPS流水线86

习题390

第4章 向量处理机94

4.1 向量的处理方式94

4.2 向量处理机的结构96

4.2.1 “存储器－存储器”结构96

4.2.2 “寄存器－寄存器”结构96

4.3 提高向量处理机性能的常用技术98

4.3.1 设置多个功能部件99

4.3.2 链接技术99

4.3.3 分段开采技术102

4.3.4 采用多处理机系统102

4.4 向量处理机的性能评价103

4.4.1 向量指令的处理时间Tvp103

4.4.2 最大性能R∞和半性能向量长度n1/2106

4.4.3 向量长度临界值nv106

4.5 向量处理机实例107

4.5.1 具有代表性的向量处理机107

4.5.2 Cray Y-MP和C-90107

4.5.3 NEC SX-X44109

习题4110

第5章 指令级并行及其开发——硬件方法112

5.1 指令级并行的概念112

5.2 相关与指令级并行113

5.3 指令的动态调度114

5.3.1 动态调度的基本思想114

5.3.2 记分牌动态调度方法116

5.3.3 Tomasulo算法123

5.4 动态分支预测技术133

5.4.1 采用分支历史表134

5.4.2 采用分支目标缓冲器135

5.4.3 基于硬件的前瞻执行137

5.5 多指令流出技术142

5.5.1 基于静态调度的多流出技术143

5.5.2 基于动态调度的多流出技术144

5.5.3 超长指令字技术147

5.5.4 多流出处理器受到的限制148

5.5.5 超流水线处理机149

习题5152

第6章 指令级并行的开发——软件方法154

6.1 基本指令调度和循环展开154

6.1.1 指令调度的基本方法154

6.1.2 循环展开156

6.2 跨越基本块的静态指令调度158

6.2.1 全局指令调度158

6.2.2 踪迹调度161

6.2.3 超块调度163

6.3 静态多指令流出：VLIW技术165

6.4 显式并行指令计算167

6.4.1 非绑定分支167

6.4.2 谓词执行168

6.4.3 前瞻执行171

6.5 开发更多的指令级并行173

6.5.1 挖掘更多的循环级并行174

6.5.2 软流水179

6.6 实例：IA-64体系结构182

6.6.1 IA-64的指令格式183

6.6.2 IA-64的谓词执行机制185

6.6.3 IA-64的前瞻执行机制186

习题6187

第7章 存储系统189

7.1 存储系统的层次结构189

7.1.1 存储系统的层次结构概述189

7.1.2 存储系统的性能参数190

7.1.3 三级存储系统191

7.1.4 存储层次的4个问题193

7.2 Cache的基本知识193

7.2.1 基本结构和原理193

7.2.2 映像规则194

7.2.3 查找方法196

7.2.4 Cache的工作过程198

7.2.5 替换算法200

7.2.6 写策略203

7.2.7 Cache性能分析204

7.2.8 改进Cache性能206

7.3 降低Cache的不命中率207

7.3.1 三种类型的不命中207

7.3.2 增加Cache块大小209

7.3.3 增加Cache的容量210

7.3.4 提高相联度210

7.3.5 伪相联Cache211

7.3.6 硬件预取212

7.3.7 编译器控制的预取212

7.3.8 编译优化213

7.3.9 “牺牲”Cache215

7.4 减少Cache不命中开销216

7.4.1 采用两级Cache216

7.4.2 让读不命中优先于写219

7.4.3 写缓冲合并219

7.4.4 请求字处理技术220

7.4.5 非阻塞Cache技术220

7.5 减少命中时间221

7.5.1 容量小、结构简单的Cache221

7.5.2 虚拟Cache221

7.5.3 Cache访问流水化224

7.5.4 踪迹Cache224

7.5.5 Cache优化技术总结224

7.6 并行主存系统225

7.6.1 单体多字存储器226

7.6.2 多体交叉存储器227

7.6.3 避免存储体冲突231

7.7 虚拟存储器232

7.7.1 基本概念232

7.7.2 快速地址转换技术233

7.7.3 页式虚拟存储器实例：64位Opteron的存储管理234

7.8 实例：AMDOpteron的存储器层次结构236

习题7240

第8章 输入输出系统243

8.1 I/O系统的性能243

8.2 I/O系统的可靠性、可用性和可信性244

8.3 廉价磁盘冗余阵列245

8.3.1 RAID0247

8.3.2 RAID1247

8.3.3 RAID2248

8.3.4 RAID3249

8.3.5 RAID4249

8.3.6 RAID5250

8.3.7 RAID6250

8.3.8 RAID10与RAID01251

8.3.9 RAID的实现与发展251

8.4 总线252

8.4.1 总线的设计253

8.4.2 总线标准和实例254

8.4.3 与CPU的连接255

8.5 通道处理机257

8.5.1 通道的作用和功能257

8.5.2 通道的工作过程258

8.5.3 通道种类259

8.5.4 通道流量分析261

8.6 I/O与操作系统263

8.6.1 DMA和虚拟存储器263

8.6.2 I/O和Cache数据一致性264

习题8266

第9章 互连网络268

9.1 互连函数268

9.1.1 互连函数的表示方法268

9.1.2 几种基本的互连函数269

9.2 互连网络的结构参数与性能指标273

9.2.1 互连网络的结构参数273

9.2.2 互连网络的性能指标274

9.3 静态互连网络275

9.4 动态互连网络281

9.4.1 总线网络281

9.4.2 交叉开关网络282

9.4.3 多级互连网络283

9.4.4 动态互连网络的比较286

9.5 消息传递机制287

9.5.1 消息寻径方案287

9.5.2 死锁与虚拟通道290

9.5.3 流控制策略291

9.5.4 选播和广播寻径算法294

习题9296

第10章 多处理机298

10.1 引言298

10.1.1 并行计算机系统结构的分类298

10.1.2 存储器系统结构和通信机制300

10.1.3 并行处理面临的挑战302

10.2 对称式共享存储器的系统结构304

10.2.1 多处理机Cache一致性304

10.2.2 实现一致性的基本方案305

10.2.3 监听协议的实现308

10.3 分布式共享存储器的系统结构312

10.3.1 目录协议的基本思想312

10.3.2 目录协议实例315

10.3.3 目录的三种结构318

10.4 同步320

10.4.1 基本硬件原语320

10.4.2 用一致性实现锁322

10.4.3 同步性能问题324

10.5 同时多线程326

10.5.1 将线程级并行转换为指令级并行327

10.5.2 同时多线程处理器的设计328

10.5.3 同时多线程的性能329

10.6 大规模并行处理机331

10.6.1 并行计算机系统结构331

10.6.2 大规模并行处理机333

10.7 多处理机实例1——T1335

10.8 多处理机实例2——Origin 2000339

习题10346

第11章 多核架构与编程347

11.1 多核架构的需求347

11.1.1 功耗与散热问题347

11.1.2 并行度问题348

11.1.3 应用软件问题349

11.2 多核架构349

11.2.1 多核的组织架构350

11.2.2 多核架构实例351

11.3 基于多核的并行程序设计354

11.3.1 并行编程模型354

11.3.2 并行语言355

11.3.3 并行算法356

11.4 多核编程实例357

习题11359

第12章 机群系统360

12.1 机群的基本结构361

12.1.1 机群的硬件组成361

12.1.2 机群的软件362

12.2 机群的特点363

12.3 机群的分类364

12.4 典型机群系统简介365

12.4.1 Berkeley NOW365

12.4.2 Beowulf366

12.4.3 LAMP366

12.4.4 IBM SP2367

习题12368

第13章 阵列处理机370

13.1 阵列处理机的操作模型和特点370

13.2 阵列处理机的基本结构371

13.2.1 分布式存储器的阵列机371

13.2.2 共享存储器的阵列机372

13.3 阵列处理机实例373

13.3.1 实例1：IlliacⅣ阵列处理机373

13.3.2 实例2：BSP计算机376

13.4 阵列处理机的并行算法举例380

习题13384

第14章 数据流计算机385

14.1 数据流计算机的基本原理385

14.1.1 数据驱动原理385

14.1.2 数据流计算机中指令的执行过程386

14.1.3 数据流计算机的指令结构387

14.2 数据流程序图和数据流语言387

14.2.1 数据流程序图387

14.2.2 数据流语言及其性质391

14.3 数据流计算机结构392

14.3.1 静态数据流计算机392

14.3.2 动态数据流计算机394

14.4 数据流计算机的评价397

14.4.1 数据流计算机的优点397

14.4.2 数据流计算机的缺点398

14.4.3 数据流计算机设计中需解决的问题399

习题14399

主要参考文献400