现代计算机体系结构教程

内容简介

　　这是一部关于现代计算机的体系结构的实用教科书。内容新颖全面，讲解深入细致，编写时，特别注重根据不同的教学对象定位不同的培养目标，各章、节的重难点，主次内容都做了恰当合理的安排。全书由8章构成，其主要内容包括：现代计算机体系结构的发展、流水线与超标量处理机、向量处理机的概念和性能、存储系统的概念和性能、总线的作用和特性、互连网络、SIMD计算机、多处理机与多计算机系统。全书用了几章的篇幅深入地探讨了各基础部件中采用的新技术及其对提高性能的作用，为构建个人计算机、工作站、服务器等高性能计算机系统打下了理论基础。此外，本书各章均配有丰富的习题供读者练习，巩固所学知识。作者从事一线的教学数十年，积累了丰富的教学经验，本书在整体结构安排、内容取舍以及整书的编写过程中，都充分考虑了教与学的特点，以及所面对的特定读者的具体需要。在内容上既注重了理论体系的完整性，又兼具系统性和先进性。结构清晰，概念准确，文字叙述简洁明了、可读性强，既便于教师课堂讲授，又便于自学者阅读。通过阅读本书，可对现代计算机体系结构有全面的了解，并为进一步深入学习和研究计算机科学技术奠定基础。本书可作为普通高校、职业学校计算机科学与技术专业，或非计算机专业的本、专科学生的教材和教学参考书，也可以作为工程技术人员的自学教材或指导书。

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图书目录

第1章  现代计算机体系结构概述 1
1.1  现代计算机体系结构的演化 1
1.1.1  微处理机的发展 2
1.1.2  微型计算机硬件结构的演化 3
1.1.3  微型计算机软件的演化 4
1.2  计算机性能评价 5
1.2.1  CPU性能 6
1.2.2  系统运行速度 9
1.2.3  加速比 12
1.2.4  性能/价格比 14
1.3  计算机系统的层次结构 15
1.3.1  层次结构 15
1.3.2  冯·诺依曼结构 16
1.3.3  现代计算机体系结构的研究对象 18
1.3.4  计算机体系结构的分类 19
1.3.5  影响现代计算机体系结构的主要因素 22
习题1 25
第2章  流水线与超标量处理机 27
2.1  先行控制技术 27
2.1.1  指令的重叠执行 27
2.1.2  先行控制原理 28
2.1.3  数据相关 31
2.1.4  转移及转移预测 33
2.2  流水线技术 36
2.2.1  流水线工作原理 37
2.2.2  线性流水线的性能分析 40
2.2.3  流水线中的相关及其处理 44
2.2.4  非线性流水线的调度问题 47
2.3  超标量与超流水线技术 50
2.3.1  超标量处理机的基本结构 50
2.3.2  指令的单发射与多发射 51
2.3.3  超标量处理机的性能 55
2.4  超流水线技术 56
2.4.1  超流水线的一般概念 56
2.4.2  MIPS R4000超流水线处理机 57
2.4.3  超流水线的性能 57
2.4.4  超标量超流水线处理机 58
2.5  RISC处理机 60
2.5.1  计算机体系结构设计思想的转变 60
2.5.2  RISC处理机的定义和特点 62
2.5.3  实现RISC思想的几个关键技术 64
2.5.4  几个常见的RISC处理机 68
2.6  超标量处理机Pentium Ⅱ 77
2.6.1  Pentium Ⅱ的超标量流水线结构 77
2.6.2  静态与动态转移预测 80
习题2 81
第3章  向量处理机 84
3.1  向量处理的基本概念 84
3.1.1  向量与向量处理 84
3.1.2  向量指令 86
3.2  向量处理机的结构 89
3.2.1  向量处理机结构概述 89
3.2.2  存储器-存储器结构 90
3.2.3  寄存器-寄存器结构 93
3.3  向量处理机与向量协处理机 93
3.3.1  向量处理机 94
3.3.2  向量协处理机 96
3.4  向量处理机性能分析 100
习题3 105
第4章  存储系统 107
4.1  存储系统的基本概念 107
4.1.1  存储系统的性能指标 107
4.1.2  层次式存储系统 109
4.1.3  存储器带宽及其对系统性能的影响 110
4.2  并行存储器 113
4.2.1  并行访问存储器 113
4.2.2  交叉访问存储器 114
4.2.3  无冲突访问存储器 116
4.3  高速缓冲存储器（Cache） 119
4.3.1  基本工作原理 120
4.3.2  地址映象与地址变换 121
4.3.3  Cache替换算法 126
4.3.4  Cache性能分析 128
4.3.5  Pentium处理机中的双独立总线体系结构 131
4.4  虚拟存储器 132
4.4.1  基本工作原理 133
4.4.2  虚拟存储器的地址映象和地址变换 135
4.4.3  目录表与二级分页 141
4.4.4  页面替换算法及其实现 145
4.5  三级存储系统 148
4.5.1  物理地址Cache结构 148
4.5.2  虚拟地址Cache结构 149
4.5.3  全Cache技术 150
习题4 150
第5章  总线 153
5.1  概述 153
5.1.1  总线在计算机中的地位 153
5.1.2  总线的基本特性 155
5.1.3  同步总线与异步总线 158
5.2  总线仲裁 159
5.2.1  总线竞争及其仲裁 159
5.2.2  其他仲裁方式 160
5.3  PCI总线及其在现代计算机体系结构中地位 166
5.3.1  PCI总线的主要特性 166
5.3.2  PCI总线中的仲裁 168
5.3.3  采用PCI总线的服务器结构 169
5.4  新一代总线——InfiniBand 171
5.4.1  PCI总线的局限性 171
5.4.2  InfiniBand的基本特性 172
5.4.3  InfiniBand的基本体系结构 173
习题5 175
第6章  互连网络 177
6.1  互连网络的基本概念 177
6.1.1  互连网络在计算机系统中的地位 177
6.1.2  互连网络的主要特性和性能参数 178
6.1.3  互连网络的种类 180
6.1.4  互连函数 188
6.2  多级互连网络 193
6.2.1  几种阻塞互连网络 194
6.2.2  可重排非阻塞网络——Benes二进制置换网络 200
6.2.3  非阻塞网络——多级Clos网络 202
6.3  消息传递机制 202
6.3.1  消息的寻径 203
6.3.2  死锁及其规避 205
6.3.3  单播方式的寻径 208
6.3.4  广播通信方式下的寻径 211
习题6 212
第7章  SIMD计算机 214
7.1  概述 214
7.1.1  SISD计算机对大数组的处理 214
7.1.2  SIMD计算机的基本结构 214
7.1.3  SIMD计算机与向量计算机 217
7.2  典型SIMD计算机介绍 219
7.2.1  Illiac Ⅳ阵列计算机 219
7.2.2  BSP计算机 223
7.2.3  CM-2计算机 226
7.2.4  MasPar MP-2计算机 230
7.3  SIMD在数值计算中的应用 232
7.3.1  SIMD与连续模型计算 232
7.3.2  SIMD计算机的几种基本算法 235
习题7 239
第8章  多处理机与多计算机系统 241
8.1  概述 241
8.1.1  SIMD与MIMD 241
8.1.2  共享存储器多处理机的几种结构形式 242
8.1.3  多处理机系统的特点 243
8.2  多处理机系统中的Cache一致性问题 244
8.2.1  产生一致性问题的原因 244
8.2.2  监听协议 246
8.2.3  基于目录的协议 250
8.3  基于集中共享存储器的多处理机系统 254
8.3.1  适合多处理机系统使用的微处理机 254
8.3.2  SGI Challenge多处理机系统 257
8.3.3  SUN Enterprise多处理机系统 258
8.4  基于分布式共享存储器的多处理机系统 259
8.4.1  CM-5计算机 259
8.4.2  SGI Origin2000系列服务器 263
8.5  机群系统 268
8.5.1  机群系统的结构特点 268
8.5.2  机群系统中的通信问题 272
8.5.3  并行程序设计环境 276
8.5.4  机群系统中的负载平衡问题 277
8.6  多处理机系统的性能分析 280
8.6.1  性能指标 280
8.6.2  几种多处理机系统的性能模型 285
习题8 289
参考文献 291