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第1章 计算机体系结构的基本概念1

1.1 引言1

1.2 计算机体系结构的概念2

1.2.1 计算机系统中的层次概念3

1.2.2 计算机体系结构5

1.2.3 计算机组织和计算机实现技术6

1.3 计算机体系结构的发展9

1.3.1 存储程序计算机体系结构及其发展9

1.3.2 计算机的分代和分型13

1.3.3 应用需求的发展14

1.3.4 计算机实现技术的发展15

1.3.5 技术的挑战和体系结构的生命周期17

1.4 影响计算机体系结构的成本和价格因素20

1.4.1 计算机系统的成本和价格20

1.4.2 时间因素23

1.4.3 集成电路的成本24

1.5 定量分析技术基础27

1.5.1 计算机性能的评测27

1.5.2 测试程序28

1.5.3 性能设计和评测的基本原则32

1.5.4 CPU的性能34

1.6 计算机体系结构中并行性的发展36

1.6.1 并行性概念36

1.6.2 提高并行性的技术途径37

1.6.3 并行计算的应用需求40

1.7 小结40

习题141

第2章 计算机指令集结构设计43

2.1 指令集结构的分类43

2.1.1 指令集结构的分类43

2.1.2 通用寄存器型指令集结构分类44

2.2 寻址技术46

2.3 指令集结构的功能设计49

2.3.1 CISC指令集结构的功能设计50

2.3.2 RISC指令集结构的功能设计52

2.3.3 控制指令53

2.4 操作数的类型、表示和大小55

2.5 指令集格式的设计57

2.5.1 寻址方式的表示方法57

2.5.2 指令集格式的选择58

2.6 DLX指令集结构59

2.6.1 DLX指令集结构59

2.6.2 DLX指令集结构效能分析64

2.7 小结65

习题266

第3章 流水线技术68

3.1 流水线的基本概念68

3.1.1 流水线的基本概念68

3.1.2 流水线的分类70

3.2 DLX的基本流水线73

3.2.1 DLX的一种简单实现73

3.2.2 基本的DLX流水线77

3.2.3 流水线性能分析80

3.3 流水线中的相关86

3.3.1 流水线的结构相关86

3.3.2 流水线的数据相关89

3.3.3 流水线的控制相关97

3.4 MIPS R4000流水线计算机简介104

3.4.1 MIPS R4000整型流水线104

3.4.2 MIPS R4000浮点流水线107

3.5 向量处理机108

3.5.1 向量处理方式和向量处理机108

3.5.2 提高向量处理机性能的主要技术111

3.5.3 向量处理机的性能评价115

3.6 小结119

习题3120

第4章 指令级并行123

4.1 指令级并行的概念123

4.1.1 循环展开调度的基本方法124

4.1.2 相关性128

4.2 指令的动态调度133

4.2.1 动态调度的原理133

4.2.2 动态调度算法之一：记分牌134

4.2.3 动态调度算法之二：Tomasulo算法142

4.3 控制相关的动态解决技术152

4.3.1 分支预测缓冲152

4.3.2 分支目标缓冲155

4.3.3 基于硬件的前瞻执行157

4.4 多指令流出技术161

4.4.1 静态超标量技术162

4.4.2 动态多指令流出技术164

4.4.3 超长指令字技术167

4.4.4 多流出处理器受到的限制168

4.5 小结170

习题4170

第5章 存储层次173

5.1 存储器的层次结构173

5.1.1 从单级存储器到多级存储器173

5.1.2 存储层次的性能参数174

5.1.3 “Cache-主存”和“主存-辅存”层次175

5.1.4 存储层次的4个问题177

5.2 Cache基本知识177

5.2.1 映象规则177

5.2.2 查找方法180

5.2.3 替换算法181

5.2.4 写策略182

5.2.5 Cache的结构184

5.2.6 Cache性能分析186

5.2.7 改进Cache性能190

5.3 降低Cache失效率的方法191

5.3.1 增加Cache块大小193

5.3.2 提高相联度195

5.3.3 Victim Cache197

5.3.4 伪相联Cache197

5.3.5 硬件预取技术199

5.3.6 由编译器控制的预取200

5.3.7 编译器优化202

5.4 减少Cache失效开销206

5.4.1 让读失效优先于写207

5.4.2 子块放置技术207

5.4.3 请求字处理技术208

5.4.4 非阻塞Cache技术209

5.4.5 采用两级Cache210

5.5 减少命中时间213

5.5.1 容量小、结构简单的Cache214

5.5.2 虚拟Cache214

5.5.3 写操作流水化216

5.5.4 Cache优化技术总结217

5.6 主存218

5.7 虚拟存储器225

5.7.1 虚拟存储器基本原理225

5.7.2 快表226

5.8 进程保护和虚存实例228

5.8.1 进程保护229

5.8.2 页式虚存举例：Alpha AXP的存储管理和21064的TLB230

5.9 Alpha AXP 21064存储层次232

5.10 小结236

习题5237

第6章 输入／输出系统239

6.1 引言239

6.1.1 I/O系统性能与CPU性能239

6.1.2 I/O系统的可靠性240

6.2 外部存储设备241

6.2.1 磁盘设备241

6.2.2 Flash存储器244

6.2.3 磁带设备245

6.2.4 光盘设备246

6.3 可靠性、可用性和可信性247

6.4 廉价磁盘冗余阵列RAID249

6.4.1 RAID0251

6.4.2 RAID1252

6.4.3 RAID2254

6.4.4 RAID3255

6.4.5 RAID4256

6.4.6 RAID5257

6.4.7 RAID6258

6.4.8 RAID7259

6.4.9 RAID的实现与发展259

6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接260

6.5.1 总线260

6.5.2 设备的连接263

6.5.3 通道265

6.6 I/O系统性能分析271

6.6.1 I/O性能与系统响应时间271

6.6.2 Little定律273

6.6.3 M/M/1排队系统274

6.6.4 M/M/m排队系统276

6.7 I/O与操作系统277

6.7.1 DMA和虚拟存储器277

6.7.2 I/O和Cache数据一致性278

6.7.3 异步I/O279

6.7.4 块服务器和文件服务器280

6.8 小结280

习题6281

第7章 多处理机283

7.1 引言283

7.1.1 并行计算机体系结构的分类283

7.1.2 通信模型和存储器的结构模型285

7.1.3 并行处理面临的挑战287

7.2 对称式共享存储器体系结构289

7.2.1 多处理机Cache一致性289

7.2.2 实现一致性的基本方案290

7.2.3 监听协议及其实现292

7.3 分布式共享存储器体系结构293

7.3.1 基于目录的Cache一致性294

7.3.2 目录协议及其实现296

7.4 互连网络298

7.4.1 互连网络的性能参数298

7.4.2 静态连接网络301

7.4.3 动态连接网络305

7.5 同步309

7.5.1 基本硬件原语310

7.5.2 用一致性实现锁311

7.5.3 同步性能问题313

7.5.4 大规模机器的同步316

7.6 同时多线程319

7.6.1 将线程级并行转换为指令级并行320

7.6.2 同时多线程处理器的设计321

7.6.3 同时多线程的性能322

7.7 多处理机实例323

7.8 小结327

习题7327

主要参考文献329