计算机系统结构（第二版）

第一章 计算机系统结构的基本概念

1. 1 计算机系统结构

1. 1. 1 计算机系统层次结构

1. 1. 2 计算机系统结构定义

1. 1. 3 计算机组成与实现

1. 1. 4 计算机系统结构的分类

1. 2 计算机系统设计技术

1. 2. 1 计算机系统设计的定量原理

1. 2. 2 计算机系统设计者的主要任务

1. 2. 3 计算机系统设计的主要方法

1. 3 系统结构的评价标准

1. 3. 1 性能

1. 3. 2 成本

1. 4 计算机系统结构的发展

1. 4. 1 冯·诺依曼结构

1. 4. 2 软件对系统结构的影响

1. 4. 3 价格对系统结构的影响

1. 4. 4 应用对系统结构的影响

1. 4. 5 VLSI对系统结构的影响

1. 4. 6 技术的发展对价格的影响

1. 4. 7 算法和系统结构

习题一

第二章 指令系统

2. 1 数据表示

2. 1. 1 数据表示与数据类型

2. 1. 2 浮点数据表示

2. 1. 2. l 俘点数的表数范围

2. 1. 2. 2 浮点数的表数精度

2. 1. 2. 3 浮点数的表数效率

2. 1. 2. 4 浮点数尾数基值的选择

2. 1. 2. 5 浮点数格式的设计

2. 1. 2. 6 浮点数的舍入处理

2. 1. 2. 7 警戒位的设置方法

2. 1. 3 自定义数据表示

2. 1. 3. 1 带标志符的数据表示法

2. 1. 3. 2 数据描述符表示法

2. 2 寻址技术

2. 2.1 编址方式

2. 2. 1. 1 编址单位

2. 2. 1. 2 零地址空间个数

2. 2. 1. 3 输入输出设备的非线性编址

2. 2. 1. 4 并行存储器的编址技术

2. 2. 2 寻址方式

2. 2. 2. 1 寻址方式的设计思想

2. 2. 2. 2 间接寻址与变址寻址

2. 2. 2. 3 寄存器寻址

2. 2. 2. 4 堆栈寻址方式

2. 2. 3 定位方式

2. 2. 3. 1 逻辑地址与物理地址

2. 2. 3. 2 直接定位方式

2. 2. 3. 3 静态定位方式

2. 2. 3. 4 动态定位方式

2. 3 指令格式的优化设计

2. 3. 1 指令的组成

2. 3. 2 操作码的优化表示

2. 3. 2. 1 固定长操作码

2. 3. 2. 2 Huffman编码法

2. 3. 2. 3 扩展编码法

2. 3. 3 地址码的优化表示

2. 3. 3. 1 地址码个数的选择

2. 3. 3. 2 缩短地址码长度的方法

2. 3. 4 指令格式设计举例

2. 4 指令系统的功能设计

2. 4. 1 基本指令系统

2. 4. 2 复杂指令系统 CISC

2. 4. 2. 1 目标程序的优化

2. 4. 2. 2 对高级语言编译程序的支持

2. 4. 2. 3 操作系统的优化实现

2. 4. 3 精简指令系统 RISC

2. 4. 3. 1

从 CISC到RISC

2. 4. 3. 2 RISC的定义与特点

2. 4. 3. 3 减少指令平均执行周期数是RISC思想的精华

2. 4. 3. 4 RISC的关键技术

2. 4. 3. 5 RISC优化编译技术

习题二

第三章 存储系统

3. 1 存储系统原理

3. 1. 1 存储系统的定义

3. 1. 2 存储器的层次结构

3. 1. 3 频带平衡

3. 1. 4 并行存储器

3. 1. 4. 1 并行访问存储器

3. 1. 4. 2 交叉访问存储器

3. 1. 4. 3 一种无访问冲突存储器

3. 2 虚拟存储器

3. 2. 1 虚拟存储器工作原理

3. 2. 2 地址的映象与变换

3. 2. 2. 1 段式虚拟存储器

3. 2. 2. 2 页式虚拟存储器

3. 2. 2. 3 段页式虚拟存储器

3. 2. 2. 4 外部地址变换

3. 2. 3 加快内部地址变换的方法

3. 2. 3. 1 目录表

3. 2. 3. 2 快慢表

3. 2. 3. 3 散列函数

3. 2. 3. 4 虚拟存储器举例

3. 2. 4 页面替换算法及其实现

3. 2. 4. 1 页面替换算法

3. 2. 4. 2 堆栈型替换算法

3. 2. 4. 3 页面替换算法的实现

3. 2. 5 提高主存命中率的方法

3. 2. 5. 1 页面大小的选择

3. 2. 5. 2 主存容量

3. 2. 5. 3 页而调度方式

3. 3 高速缓冲存储器 Cache

3. 3. 1 基本工作原理

3. 3. 2 地址映象怀变换方法

3. 3. 2. 1 全相联映象及其变换

3. 3. 2. 2 直接映象及其变换

3. 3. 2. 3 组相联映象及其变换

3. 3. 2. 4 位选择组相联映象及其变换

3. 3. 2. 5 段相联映象及其变换

3. 3. 3 Cache替换算法及其实现

3. 3. 3. 1 轮换法及其实现

3. 3. 3. 2 LFU算法及其实现

3. 3. 3. 3 比较对法

3. 3. 3. 4 堆栈法

3. 3. 4 Cache的性能分析

3. 3. 4. 1 Cache系统的加速比

3. 3. 4. 2 Cache的一致性问题

3. 3. 4.3 Cache的预取算法

3. 4 三级存储系统

3. 4. 1 虚拟地址Cache

3. 4. 2 全Cache技术

习题三

第四章

输入输出系统

4. 1 输入输出原理

4. 1. 1 输入输出系统的特点

4. 1. 1. 1 异步性

4. 1. 1. 2 实时性

4. 1. 1. 3 与设备无关性

4. 1.2 输入输出系统的组织方式

4. 1. 2. 1 自治控制

4. 1. 2. 2 层次结构

4. 1. 2. 3 分类组织

4. 1. 3 基本输入输出方式

4. 1. 3. 1 程序控制输入输出方式

4. 1. 3. 2 中断输入输出方式

4. 1. 3. 3 直接存储器访问 DMA 方式

4. 2 中断系统

4. 2. 1 中断源的组织

4. 2. 1. 1 中断源的种类

4. 2. 1. 2 中断源的分类组织

4. 2. 1. 3 中断优先级

4. 2. 2 中断系统的软硬件功能分配

4. 2. 2. 1 中断处理过程

4. 2. 2. 2 中断响应时间

4. 2. 2. 3 识别中断源的查询法

4. 2. 2. 4 识别中断源的串行排队链法和中断向量法

4. 2. 2. 5 识别中断源的独立请求法

4. 2. 2. 6 中断现场的保存和恢复

4. 2. 3 中断屏蔽

4. 3 通道处理机

4. 3. 1 通道的作用和功能

4. 3. 2 通道的工作过程

4. 3. 3 通道种类

4. 3. 3. 1 字节多路通道

4. 3. 3. 2 选择通道

4. 3. 3. 3 数组多路通道

4. 3. 4 通道中的数据传送过程

4. 3. 5 通道的流星分析

4. 4 输入输出处理机

4. 4. 1 输入输出处理机的作用

4. 4. 2 输入输出处理机的种类

4. 4. 3 输入输出处理机的特点

习题四

第五章 标量处理机

5. 1 先行控削技术

5. 1. 1 指令的重叠执行方式

5. 1. 2 先行控制方式的原理和结构

5. 1. 2. 1 处理机结构

5. 1. 2. 2 指令执行时序

5. 1. 2. 3 先行缓冲栈

5. 1. 2. 4 缓冲深度的设计

5. 1. 3 数据相关

5. 1. 3. 1 指令相关

5. 1. 3. 2 主存操作数相关

5. 1. 3. 3 通用寄存器数据相关

5. 1. 3. 4 变址相关

5. 1. 4 控制相关

5. 1. 4. 1 无条件转移

5. 1. 4. 2 一般条件转移

5. 1. 4. 3 复合条件转移

5. 1. 4. 4 转移预测技术

5. 1. 4. 5 短循环程序的处理

5. 2 流水线处理机

5. 2. 1 流水线工作原理

5. 2. 1. 1 从重叠到流水线

5. 2. 1. 2 时空图

5. 2. 1. 3 流水线的特点

5. 2. 2 流水线的分类

5. 2. 2. l 线性流水线与非线性流水线

5. 2. 2. 2 流水线的级别

5. 2. 2. 3 单功能与多功能流水线

5. 2. 2. 4 静态流水线与动态流水线

5. 2. 3 线性流水线的性能分析

5. 2. 3. 1 吞吐率

5. 2. 3. 2 加速比

5. 2. 3. 3 效率

5. 2. 3. 4 流水线最佳段数的选择

5. 2. 3. 5 流水线性能分析举例

5. 2. 4 非线性流水线的调度技术

5. 2. 4. 1 非线性流水线的表示

5. 2. 4. 2 非线性流水线的冲突

5. 2. 4. 3 无冲突调度方法

5. 2. 4. 4 优化调度方法

5. 2. 5 局部相关

5. 2. 5. 1 顺序流动与乱序流动

5. 2. 5. 2 数据相关及其避免方法

5. 2. 5. 3 数据重定向

5. 2. 5. 4 Tomasulo动态指令调度算法

5. 2. 6 全局相关

5. 2. 6. 1 转移的影响

5. 2. 6. 2 动态转移预测技术

5. 2. 6. 3 提前形成条件码

5. 2. 6. 4 精确断点与不精确断点

5. 3 超标量处理机与超流水线处理机

5. 3. 1 超标量处理机

5. 3. 1. 1 基本结构

5. 3. 1. 2 单发射与多发射

5. 3. 1. 3 多流水线调度

5. 3. 1. 4 资源冲突

5. 3. 1. 5 超标量处理机性能

5. 3. 2 超流水线处理机

5. 3. 2. 1 指令执行时序

5. 3. 2. 2 典型处理机结构

5. 3. 2. 3 超流水线处理机性能

5, 3. 3 超标量超流水线处理机

5. 3. 3. 1 指令执行时序

5. 3. 3. 2 典型处理机结构

5. 3. 3. 3 超标量超流水线处理机性能

习题五

第六章 向量处理机

6. 1 向量处理的基本概念

6. 1. 1 什么是向量处理

6. 1. 2 向量处理方式

6. 2 向量处理机的结构

6. 2. 1 存储器—存储器结构

6. 2. 2 寄存器—寄存器结构

6. 3 向量处理机的存取模式和数据结构

6. 3. 1 数值算法的存取模式

6. 3. 2 向量处理机的数据结构

6. 4 提高向虽处理机性能的方法

6. 4. 1 向量处理机系统结构阶设计目标

6. 4. 2 提高向量处理机性能的常用技术

6. 5 向量处理机实例

6. 5. 1 向量处理机的历史与现状

6. 5. 2 Cray Y—MP, C—90

6. 5. 3 Fujitsu VP2000和VPP5OO

6. 5. 4 向量协处理器

G. 6 向量处理机的性能评价

6. 7 关于向量处理机的几点看法

习题六

第七章 互连网络

7. 1 互连网络的基本概念

7. 1. 1 互连网络的作用

7. 1. 2 互连函数

7. 1. 3 互连网络的特性和传输的性能参数

7. 1. 4 互连网络的种类

7. 2 消息传递机制

7. 2. 1 消息寻径方式

7. 2. 2 死锁和虚拟通道

7, 2. 3 流控制策略

7. 2. 4 选播和广播寻径算法

7. 3 互连网络实例

7. 3. 1 总线互连

7. 3. 2 环形互连

7. 3. 3 交叉开关互连

7. 3. 4 混洗交换互连和合并开关

7. 3. 5 Omega网络

7. 3. 6 蝶形操作

7. 3. 7 合并网络和取与加指令

习题七

第八章 SIMD计算机

8. 1 SIMD计算机模型

8. 2 SIMD计算机的基本结构

8. 2. 1 分布式存储器结构

8. 2. 2 共享存储器结构

8. 2. 3 SIMD计算机的特点

8. 3 SIMD计算机实例

8. 3. 1 I11iac IV阵列处理机

3. 3. 2 BSP计算机

3. 3. 3 CM—2计算机

8. 3. 4 MasPar MP-1系统

8. 4 SIMD计算机的应用

8. 4. 1 数值应用问题的特征

8. 4. 2 算法举例

8. 5 连续模型的结构向何处发展

习题八

第九章

多处理机

9. 1

多处理机结构

9. 1. 1 两种多处理机结构

9. 1. 2 多处理机系统的特点

9. 2 多处理机性能模型

9. 2. 1 基本模型

9. 2. 2 N台处理机系统的基本模型

9. 2. 3 随机模型

9. 2. 4 通信开销为线性函数的模型

9. 2. 5 一个完全重叠通信的理想模型

9. 2. 6 一个具有多条通信链的模型

9. 2. 7 多处理机模型

9. 3 多处理机的Cache一致性

9. 3. 1 问题由来

9. 3. 2 监听协议

9. 3. 3 基于目录的协议

9. 4 多处理机实例

9. 4. 1 MPP

9. 4. 2 SMP

9. 4. 3 机群系统

9. 4. 3. 1 机群系统的组成. 特点和关键技术

9, 4. 3. 2 机群系统通信技术

9. 4. 3. 3 并行程序设计环境

9. 4. 3. 4 机群系统负载平衡技术

习题九

第十章

多处理机算法

10. 1 简单并行性

10. 1. 1 d0 par和do seq结构

10. 1. 2 阻塞同步

10. 1. 3 性能分析

10. 1. 4 增大粒度

lo. 1. 5 任务的初始化

10. 2 同步技术

10. 2. l 使用测试与设置指令的同步技术

10. 2. 2 使用增1和减1指令的同步技术

10. 2. 3 使用比较与交换指令的同步技术

10. 2. 4 使用取与加指令的同步技术

10. 3 并行搜索

10. 3. 1 搜索单峰函数的极大值

10. 3. 2 并行分支限界法

10. 4 串行算法到并行算法的转换

lO. 4. 1 相关性分析

10. 4. 2 开发迭代的并行性

lO. 5 同步并行算法和异步并行算法

10. 5. 1 同步并行算法

10. 5. 2 异步并行算法

10. 6 并行程序设计语言及其实现方法

lO. 6. 1 并行程序设计语言的特点

lo. 6. 2 并行程序设计模型

10. 6. 3 并行程序设计语言涉及的关键技术

10. 6. 4 并行程序设计语言的实现途径

l0. 7

小结

习题十

第十一章

计算机系统结构的新发展

11. 1 数据流计算机

11. 1. 1 数据驱动原理

11. 1. 1. 1 串行控制流与并行控制流

11. 1. 1. 2 数据流计算机中指令的执行过程

11. 1. 1. 3 数据流计算机的指令结构

11. 1. 2 数据流计算机模型

11. 1. 2. 1 静态数据流计算机模型

11. 1. 2. 2 动态数据流计算机模型

11. 1. 2. 3 静态与动态两种数据流计算机的比较

11. 1. 2. 4 普遍化的数据流计算机结构

11. 1. 3 数据流计算机的性能分析

11. 1. 3. 1 数据流计算机的优点

11. 1. 3. 2 数据流计算机的缺点

11. 1. 3. 3 数据流计算机设计中需要解决的几个问题

11. 1. 4 数据流程序图和数据流语言

11. 1. 4. 1 数据流程序图

11. 1. 4. 2 数据流语言

11. 1. 4. 3 数据流语言的性质

11. 1. 5 静态数据流计算机结构

11. 1. 5. 1 静态数据流计算机的组成

11. 1. 5. 2 分块结构的静态数据流计算机

11. 1. 5. 3 多处理机结构的静态数据流计算机

11. 1. 5. 4 静态数据流计算机作为后端机

11. 1. 6 动态数据流计算机结构

11. 1. 6. 1 网络结构的动态数据流计算机

11. 1. 6. 2 环形结构的动态数据流计算机

11. 1. 6. 3 网状结构的动态数据流计算机

11. 1. 7 其它类型的数据流计算机

11. 1. 7. 1 利用传统多处理机结构的数据流计算机

11. 1. 7. 2 提高并行级别的数据流计算机

11. 1. 7. 3 采用多级并行的数据流计算机

11. 1. 7. 4 同步与异步相结合的数据流计算机

11. 1. 7. 5 控制流与数据流相结合的数据流计算机

11. 2 数据库机与知识库机

11. 2. 1 数据库机与知识库机模型

11. 2. 1. 1 软件后端机数据库机与知识库机

11. 2. 1. 2 智能控制后端机数据库机与知识库机

11. 2. 1. 3 硬件后端机数据库机与知识库机

11. 2. 2 数据库机和知识库机在智能计算机系统中的作用

11. 2. 2. 1 由数据库机和知识库机构成的智能计算机系统

11. 2. 2. 2 数据库机与知识库机作为网络系统中的结点机

11. 2. 2. 3 分布式数据库机与知识库机系统

11. 2. 3 数据库机与知识库机系统结构

11. 2. 3. l 数据库机与知识库机的逻辑结构

11. 2. 3. 2 数据库机与知识库机的物理结构

11. 2. 3. 3 多级存储器结构

11. 2. 3. 4 操作执行部件的结构

11. 2. 3. 5 智能接口的结构

11. 2. 4 后端机与前端机的接口

11. 2. 4. 1 逻辑接口

11. 2. 4. 2 物理接口

11. 2. 4. 3 后端机与前端机之间的接口选择

11. 2. 5 典型的数据库机与知识库机

11. 2. 5. 1 高速数据处理技术

11. 2. 5. 2 数据库机的分类

11. 2. 5. 3 Relational KBM关系知识库机

11. 2. 5. 4 PSI Delta知识库机结构

11. 2. 5. 5 PUKBM知识库机

11. 3 面向函数程序设计语言的归约机

11. 3. 1 引言

11. 3. 2 函数式语言的归约计算方法

11. 3. 3 图归约的并行实现方法

11. 3. 4 并行图归约机系统结构

习题十一

第十二章 实验：DLX处理器

12. 1 DLX基本结构

l2. 1. 1 寄存器

12. 1. 2 数据类型

12. 1. 3 数据转移寻址模式

12. 1. 4 指令格式

12. 1. 5 操作

12. 1. 6 效率

12. 2 DLX流水线结构

12. 2. 1 一个简单实现

12. 2. 2 基本流水线

12. 2. 3 扩展DLX操作使其能处理多周期操作

12. 2. 3. 1 在长延迟的流水线中的相关和专用通路

12. 2. 3. 2 维持精确的异常处理

12. 2. 3. 3 浮点流水线的性能

12. 3 实验环境与内容

l2. 3. 1 实验环境

12. 3. 2 实验内容

12. 3. 2. 1 使用WINDLX模拟器, 对Fact.s WINDLX附带的例子 作如下分析

12. 3. 2. 2 用DLX汇编语言编写矩阵乘程序, 并对该程序做如下分析

12. 3. 2. 3 用Intel X86汇编语言编写矩阵乘程序

12. 3. 3 实验总结

参考文献