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第1章 计算机系统结构的相关概念1

1.1 系统结构的有关术语1

1.1.1 计算机系统的层次结构1

1.1.2 计算机系统结构3

1.1.3 计算机组织和计算机实现3

1.1.4 计算机系统结构的分类4

1.2 系统结构发展的因素6

1.2.1 存储程序计算机系统结构及其发展6

1.2.2 软件对系统结构的影响7

1.2.3 应用对系统结构的影响9

1.2.4 器件对系统结构的影响9

1.2.5 系统结构的生命周期10

1.3 定量分析技术11

1.3.1 系统设计的定量原理11

1.3.2 性能评价标准14

1.3.3 成本与价格18

1.4 系统结构中并行性的发展20

1.4.1 并行性的概念20

1.4.2 提高并行性的技术途径20

1.4.3 单处理机系统中并行性的发展21

1.4.4 多处理机系统中并行性的发展21

1.4.5 并行处理机的系统结构类型23

1.4.6 图形处理器24

小结28

习题29

第2章 时间并行技术31

2.1 流水线技术31

2.1.1 流水线的基本概念31

2.1.2 流水线的表示方法33

2.1.3 流水线的特点35

2.2 流水线的性能指标35

2.2.1 流水线的吞吐率36

2.2.2 流水线的加速比39

2.2.3 流水线的效率39

2.2.4 流水线的最佳段数40

2.3 流水线的结构相关和数据相关44

2.3.1 流水线的结构相关44

2.3.2 流水线的数据相关46

2.4 流水线的控制相关49

2.4.1 控制相关的概念49

2.4.2 条件分支对流水线的影响50

2.4.3 静态分支技术51

2.4.4 动态分支预测技术55

2.4.5 流水线处理机的中断处理58

小结59

习题59

第3章 指令级并行技术62

3.1 指令级并行的概念62

3.1.1 并行性的有关术语62

3.1.2 多指令流出：指令级并行度63

3.2 数据相关及其处理技术64

3.2.1 数据相关类型65

3.2.2 寄存器重命名66

3.2.3 静态指令调度66

3.2.4 动态指令调度68

3.3 超标量流水处理机69

3.3.1 超标量流水线的发射策略70

3.3.2 典型处理机结构74

3.3.3 超标量流水处理机性能78

3.4 超流水线处理机78

3.4.1 超流水线处理机时空图78

3.4.2 典型处理机结构79

3.4.3 超流水线处理机性能81

3.5 超标量超流水线处理机82

3.5.1 指令执行时空图82

3.5.2 典型处理机结构83

3.5.3 超标量超流水线处理机性能86

3.6 超长指令字处理机86

3.6.1 超长指令字处理机的特点86

3.6.2 VLIW处理机的结构模型87

3.6.3 典型处理机结构88

3.7 多线程与超线程处理机90

3.7.1 指令级并行与线程级并行90

3.7.2 同时多线程结构92

3.7.3 超线程处理机结构93

小结94

习题95

第4章 多处理机98

4.1 互连网络的相关概念98

4.1.1 互连网络的功能和特征98

4.1.2 互连网络的描述工具99

4.1.3 互连网络的特性参数103

4.2 互连网络的结构103

4.2.1 静态互连网络103

4.2.2 动态互连网络106

4.3 多处理机的特点和分类112

4.3.1 多处理机的特点112

4.3.2 多处理机的分类113

4.4 SMP的系统结构和实例114

4.4.1 SMP的基本概念114

4.4.2 SMP的一般结构115

4.4.3 Origin 2000系统116

4.4.4 IBM大型机SMP118

4.4.5 容错计算机系统Stratus120

4.5 多处理机的Cache一致性123

4.6 多处理机操作系统125

4.7 多处理机中程序并行性的开发126

4.7.1 程序并行性的分析126

4.7.2 并行程序设计128

小结131

习题132

第5章 超级计算机134

5.1 超级计算机的相关概念134

5.1.1 超级计算机的定义134

5.1.2 超级计算机的评价指标134

5.1.3 超级计算机相关技术——机群136

5.2 超级计算机的发展137

5.2.1 超级计算机系统结构的发展137

5.2.2 超级计算机运算速度的变化138

5.2.3 超级计算机操作系统的变化139

5.2.4 超级计算机使用的互连技术139

5.2.5 中国超级计算机的发展140

5.3 世界超级计算机前三强介绍141

5.3.1 天河二号（Tianhe-2）141

5.3.2 泰坦（Titan）143

5.3.3 红杉（Sequoia）144

5.4 超级计算机的未来发展趋势145

小结145

习题146

第6章 仓库级计算机147

6.1 仓库级计算机的相关概念147

6.1.1 仓库级计算机的定义147

6.1.2 仓库级计算机与超级计算机、数据中心的区别148

6.2 仓库级计算机的设计原则149

6.3 仓库级计算机的体系结构149

6.3.1 层次化的存储体系150

6.3.2 可伸缩的网络组织152

6.4 仓库级计算机的可靠性和可用性152

6.4.1 可用性的重新定义152

6.4.2 可靠性对可用性的影响153

6.4.3 故障与容错153

6.5 仓库级计算机的能耗与散热154

6.5.1 能耗与能量效率154

6.5.2 散热方案设计155

6.6 仓库级计算机的建设与维护157

6.6.1 CAPEX成本157

6.6.2 OPEX成本158

小结159

习题159

第7章 云计算构架160

7.1 云计算的相关概念160

7.2 云计算与机群、网格计算的区别161

7.3 云计算的服务模式162

7.3.1 基础设施即服务（IaaS）162

7.3.2 平台即服务（PaaS）163

7.3.3 软件即服务（SaaS）164

7.4 云计算应用实例164

7.4.1 IaaS实例AWS164

7.4.2 PaaS实例GAE165

7.4.3 SaaS实例Salesforce166

7.5 云计算数据中心网络的设计166

7.5.1 数据中心互连网络的特征166

7.5.2 基于Fat-Tree（胖树）互连网络的数据中心167

7.5.3 基于BCube的互连网络的数据中心167

7.6 云计算中的并行处理框架168

7.6.1 并行编程模型MapReduce168

7.6.2 数据分布存储GFS170

7.6.3 分布式数据的管理BigTable171

7.7 开放式的分布式架构Hadoop172

7.7.1 Hadoop简介172

7.7.2 并行编程模型MapReduce173

7.7.3 分布式文件系统HDFS174

7.7.4 分布式数据管理工具HBase176

7.7.5 数据仓库工具Hive180

7.7.6 分布式锁设施Zookeeper180

小结182

习题183

术语索引184

参考文献186