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第1章基础知识1

1.1计算机系统层次结构1

1.1.1按功能划分的多级层次结构1

目录1

1.1.2按功能划分层次的好处4

1.2计算机系统结构5

1.2.1计算机系统结构的定义5

1.2.2计算机系统结构研究的内容5

1.3计算机组成6

1.3.1计算机组成的定义6

1.3.2计算机组成设计6

1.4.1计算机实现的定义7

1.4.2器件技术研究的内容7

1.4计算机实现7

1.4.3系统结构、组成、实现三者的关系和相互影响8

1.5计算机性能9

1.5.1 性能因子CPI9

1.5.2计算机性能常用指标MIPS和MFLOPS10

1.5.3计算机系统结构的性能评价标准16

1.5.4计算机系统设计的定量原理18

1.6计算机系统的分类20

1.6.1 Flynn分类法20

1.6.2冯氏分类法22

习题123

第2章指令系统26

2.1指令格式的优化26

2.1.1操作码的优化表示26

2.1.2指令字格式的优化30

2.2 CISC32

2.2.1 CISC的发展32

2.2.2 CISC的特点33

2.3 RISC34

2.3.1 RISC结构采用的基本技术34

2.3.2经典CISC和纯RISC体系结构的比较37

2.3.3退耦CISC/RISC38

2.4后RISC42

2.4.1后RISC特征43

2.4.2几种后RISC机器的比较44

习题245

3.1.2多级存储层次48

3.1.1 基本概念48

3.1存储系统原理48

第3章存储系统设计48

3.1.3存储系统的性能参数49

3.2交叉访问存储器51

3.2.1主存系统的类型51

3.2.2高位交叉访问存储器52

3.2.3低位交叉访问存储器53

3.2.4拓宽存储器带宽的方法54

3.3页式虚拟存储器55

3.3.1虚拟存储器的工作原理55

3.3.2虚拟存储器的地址映像与变换56

3.3.3页面替换算法及其实现59

3.3.4提高虚拟存储器等效访问速度的措施65

3.3.5影响主存命中率的某些因素69

3.4.1 Cache存储器的工作原理71

3.4 Cache存储器71

3.4.2 Cache存储器的地址映像与变换72

3.4.3 Cache替换算法及其实现79

3.4.4 Cache的透明性分析82

3.4.5 Cache的取算法84

3.4.6影响Cache存储器性能的因素85

习题387

第4章 流水线计算机设计技术92

4.1 重叠解释方式和相关处理92

4.1.1 重叠解释方式的提出92

4.1.2一次重叠工作方式93

4.1.3相关处理94

4.2流水线的工作原理99

4.3流水线的特点101

4.4.1根据向下扩展和向上扩展的思想分类102

4.4流水线的分类102

4.4.2按流水线功能的多少分类103

4.4.3按流水线的工作方式分类104

4.4.4按流水线的连接方式分类105

4.5线性流水线性能分析106

4.5.1吞吐率和加速比106

4.5.2效率109

4.6线性流水线性能分析举例110

4.7非线性流水线的基本概念112

4.8相关处理和控制机构115

4.8.1 局部相关的处理116

4.8.2全局相关的处理117

4.8.3流水机器的中断处理119

4.9.1 流水的集中式动态调度——记分板机制120

4.9先进的流水技术——动态调度120

4.9.2 流水的分布式动态调度——Tomasulo方法121

4.9.3动态硬件预测转移方法124

4.10超标量处理机和VLIW体系结构125

4.10.1超标量处理机125

4.10.2 VLIW体系结构126

4.11超流水处理机128

4.12超标量超流水处理机129

习题4133

第5章并行处理技术138

5.1 计算机系统结构中并行性的发展138

5.1.1并行性的基本概念138

5.1.2实现并行性技术的途径139

5.1.3计算机系统结构中并行性的发展139

5.2.1 SIMD并行处理机的基本结构与特点141

5.2 SIMD并行处理机141

5.2.2 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构143

5.2.3阵列处理机的并行算法144

5.3 SIMD计算机的互连网络148

5.3.1互连网络的设计准则148

5.3.2互连函数的表示149

5.3.3单级互连网络149

5.4 网络特性152

5.4.1结点度和网络直径152

5.4.2聚集带宽和等分带宽152

5.4.3数据寻径功能152

5.5静态连接网络153

5.5.1线性阵列154

5.5.4树形和星型155

5.5.3循环移数网络和全连接155

5.5.2环和带弦环155

5.5.5胖树型156

5.5.6网格型和环网型156

5.5.7超立方体156

5.5.8带环立方体157

5.5.9K元n－立方体网络157

5.6动态连接网络160

5.6.1总线互连方式161

5.6.2交叉开关互连方式162

5.6.3多级网络互连方式164

5.6.4蝶式网络173

5.6.5组合网络174

习题5175

6.1.1 向量流水处理的主要特点180

6.1.2 向量处理机的基本系统结构180

第6章 向量处理机180

6.1 向量处理的基本概念180

6.1.3向量的处理方式182

6.2一般的向量处理机183

6.2.1 寄存器组184

6.2.2多个单功能流水部件185

6.2.3运算流水线186

6.3提高向量处理性能的常用技术186

6.3.1多功能部件的并行操作187

6.3.2链接技术188

6.3.3条件语句和稀疏矩阵的加速处理方法190

6.3.4 向量归约操作的加速方法191

6.4.1 向量流水处理的时间192

6.4向量处理的性能评价192

6.4.2与向量长度有关的向量流水处理机性能参数194

6.5多向量多处理机196

6.5.1 Cray Y-MP196

6.5.2 C-90和机群197

6.5.3 Fujitsu VP2000198

6.5.4 VPP500199

习题6200

第7章多处理机204

7.1多处理机结构204

7.1.1多处理机的特点204

7.1.2多处理机的硬件结构205

7.2多处理机的Cache一致性209

7.2.1 Cache一致性问题的原因209

7.2.2监听一致性协议211

7.2.3 MESI监听协议213

7.2.4基于目录的协议215

7.3程序的划分和调度219

7.3.1粒度的组合和调度219

7.3.2静态多处理机调度220

7.4多处理机性能模型224

7.4.1基本模型224

7.4.2 N台处理机系统的基本模型226

7.4.3随机模型227

7.4.4通信开销为线性函数的模型228

7.4.5一个完全重叠通信的理想模型229

7.4.6一个具有多条通信链的模型231

7.5并行机的发展趋势232

7.5.2对称多处理机233

7.5.1并行向量处理机233

7.5.3大规模并行处理机234

7.5.4分布共享存储器多处理机234

7.5.5机群235

习题7237

第8章并行算法240

8.1并行算法的基础知识240

8.1.1并行算法的定义和分类240

8.1.2进程中的同构性241

8.1.3并行算法的表达241

8.1.4并行算法中的同步与通信242

8.2同步技术244

8.2.1 原子性244

8.2.2控制同步245

8.2.4 高级同步结构246

8.2.3数据同步246

8.2.5低级同步原语249

8.3程序并行性的分析255

8.3.1数据相关255

8.3.2控制相关257

8.4并行编程概述258

8.4.1并行编程概况258

8.4.2并行编程方法259

8.4.3并行算法范例261

8.5并行编程模型263

8.5.1蕴式并行性263

8.5.2显式并行模型264

习题8269

9.1.2数据流驱动的基本原理272

9.1.1控制流和数据流272

第9章 数据流计算机系统结构272

9.1程序流机制272

9.1.3需求驱动方式275

9.1.4归约机模型275

9.2计算模型分类276

9.2.1控制驱动、共享存储器模型277

9.2.2并行控制驱动、共享存储器模型277

9.2.3数据驱动模型277

9.2.4需求驱动模型277

9.3数据流程序图和数据流语言278

9.3.1数据流程序图278

9.3.2数据流语言281

9.4数据流机的基本结构281

9.4.1静态数据流机281

9.4.2动态数据流机283

习题9286

附录一各章习题参考答案287

习题1参考答案287

习题2参考答案288

习题3参考答案291

习题4参考答案296

习题5参考答案299

习题6参考答案304

习题7参考答案307

习题8参考答案310

习题9参考答案314

附录二专业术语中英文对照表317

参考文献324