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第1章　计算机体系结构的基本概念1

1.1　计算机体系结构的概念1

1.1.1　存储程序计算机1

1.1.2　计算机体系结构、组成和实现3

1.1.3　计算机系统中的层次概念5

1.1.4　系列机和兼容7

1.2　计算机体系结构的发展10

1.2.1　计算机分代、分型与分类10

1.2.2　软件的发展11

1.2.3　应用的发展13

1.2.4　集成电路的发展13

1.2.5　计算机体系结构的发展15

1.2.6　并行处理技术的发展18

1.3　计算机系统设计和分析23

1.3.1　成本与价格23

1.3.2　基准测试程序26

1.3.3 量化设计的基本原则28

1.4　小结32

习题132

第2章　指令系统35

2.1　指令系统结构的分类35

2.2　寻址方式37

2.3　指令系统的设计和优化40

2.3.1 指令系统设计的基本原则40

2.3.2　控制指令41

2.3.3　指令操作码的优化42

2.4　指令系统的发展和改进43

2.4.1　沿CISC方向发展和改进指令系统43

2.4.2　沿RISC方向发展和改进指令系统45

2.5　操作数的类型和大小47

2.6 MIPS指令系统结构49

2.6.1　MIPS的寄存器49

2.6.2 MIPS的数据表示49

2.6.3 MIPS的数据寻址方式49

2.6.4 MIPS的指令格式50

2.6.5 MIPS的操作51

2.6.6 MIPS的控制指令52

2.6.7 MIPS的浮点操作53

2.7　小结54

习题254

第3章　流水线技术56

3.1　流水线概述56

3.1.1　流水线的基本概念56

3.1.2　流水线的分类58

3.2 MIPS的基本流水线61

3.2.1 MIPS的一种简单实现61

3.2.2　基本的MIPS流水线64

3.2.3　流水线性能分析68

3.3　流水线中的相关74

3.3.1　流水线的结构相关74

3.3.2　流水线的数据相关77

3.3.3 流水线的控制相关86

3.4　流水线计算机实例分析（MIPS R4000）93

3.4.1 MIPS R4000整型流水线93

3.4.2 MIPS R4000浮点流水线95

3.4.3 MIPS R4000流水线的性能分析96

3.5　向量处理机97

3.5.1 向量处理方式和向量处理机97

3.5.2　向量处理机实例分析99

3.6　小结102

习题3103

第4章　指令级并行104

4.1　指令级并行的概念104

4.1.1　循环展开调度的基本方法105

4.1.2　相关性109

4.2　指令的动态调度113

4.2.1　动态调度的原理113

4.2.2　动态调度算法之一：记分牌114

4.2.3　动态调度算法之二：Tomasulo算法122

4.3　控制相关的动态解决技术132

4.3.1 分支预测缓冲132

4.3.2　分支目标缓冲135

4.3.3　基于硬件的前瞻执行137

4.4　多指令流出技术141

4.4.1　静态超标量技术142

4.4.2　动态多指令流出技术144

4.4.3 超长指令字技术146

4.4.4　多流出处理器受到的限制148

4.5　小结149

习题4150

第5章　存储层次153

5.1　存储器的层次结构153

5.1.1　多级存储层次153

5.1.2　存储层次的性能参数154

5.1.3　两种存储层次关系155

5.1.4　存储层次的4个问题156

5.2 Cache基本知识156

5.2.1　映像规则157

5.2.2　查找方法159

5.2.3　替换算法160

5.2.4　写策略161

5.2.5 Cache结构163

5.2.6 Cache性能分析165

5.2.7　改进Cache性能169

5.3　降低Cache失效率的方法169

5.3.1　调节Cache块大小171

5.3.2　提高相联度173

5.3.3 Victim Cache175

5.3.4　硬件预取176

5.3.5　编译器控制的预取177

5.3.6　编译器优化179

5.4　减少Cache失效开销182

5.4.1　写缓冲及写合并182

5.4.2　让读失效优先于写184

5.4.3　请求字处理184

5.4.4　多级Cache185

5.4.5　非阻塞Cache188

5.5　减少命中时间190

5.5.1　容量小、结构简单的Cache190

5.5.2　虚拟Cache190

5.5.3　访问流水化193

5.5.4　多体Cache193

5.5.5　路预测194

5.5.6 Trace Cache194

5.5.7 Cache优化技术总结194

5.6　主存195

5.6.1　存储器组织技术196

5.6.2　存储器芯片技术200

5.7　虚拟存储器203

5.7.1　虚拟存储器基本原理203

5.7.2　快表205

5.7.3　虚存和Cache关系的例子206

5.8　虚存保护和虚存实例207

5.8.1　进程保护技术207

5.8.2　页式虚存举例：64位Opteron208

5.8.3　虚拟机保护210

5.9　综合实例：AMD Opteron存储层次215

5.10　小结217

习题5219

第6章　输入输出系统221

6.1 引言221

6.1.1 I/O处理对计算机总体性能的影响221

6.1.2 I/O系统的可靠性222

6.2　外部存储设备222

6.2.1　磁盘设备223

6.2.2 Flash存储器与固态硬盘SSD227

6.2.3　磁带设备228

6.2.4　光盘设备231

6.3 I/O系统性能分析与评测232

6.3.1 I/O性能与系统响应时间233

6.3.2 Little定律234

6.3.3 M/M/1排队系统235

6.3.4 M/M/m排队系统237

6.3.5 I/O基准测试程序238

6.4 I/O系统的可靠性、可用性和可信性240

6.5　廉价磁盘冗余阵列RAID242

6.5.1 RAID0244

6.5.2 RAID1245

6.5.3 RAID2246

6.5.4 RAID3247

6.5.5 RAID4248

6.5.6 RAID5249

6.5.7 RAID6251

6.5.8 RAID的实现与发展252

6.6 I/O设备与CPU／存储器的连接——总线252

6.6.1 总线设计应考虑的因素253

6.6.2　总线标准和实例254

6.6.3　设备的总线连接256

6.7　通道257

6.7.1　通道的功能257

6.7.2　通道的工作过程258

6.7.3　通道的种类260

6.8 I/O与操作系统260

6.8.1 DMA和虚拟存储器260

6.8.2 I/O和Cache数据一致性261

6.8.3 异步I/O262

6.8.4　文件信息的维护263

6.9　小结263

习题6264

第7章　多处理机266

7.1 引言266

7.1.1　并行计算机体系结构的分类266

7.1.2　通信模型和存储器的结构模型268

7.1.3　并行处理面临的挑战270

7.2　对称式共享存储器体系结构272

7.2.1　多处理机Cache一致性272

7.2.2　实现一致性的基本方案273

7.2.3 监听协议及其实现275

7.3 分布式共享存储器体系结构277

7.3.1　基于目录的Cache一致性277

7.3.2 目录协议及其实现279

7.4　互连网络281

7.4.1　互连网络的性能参数281

7.4.2　静态连接网络284

7.4.3　动态连接网络288

7.5　同步292

7.5.1　基本硬件原语293

7.5.2　用一致性实现锁294

7.5.3　同步性能问题296

7.5.4　大规模机器的同步298

7.6　同时多线程301

7.6.1 将线程级并行转换为指令级并行302

7.6.2　同时多线程处理器的设计304

7.6.3 同时多线程的性能305

7.7　并行处理器的性能评测306

7.8　多处理机实例307

7.8.1　实例1：T1处理器307

7.8.2　实例2：Origin 2000311

7.9　小结314

习题7314

第8章　机群计算机316

8.1　机群的基本概念和结构316

8.1.1　机群的基本结构316

8.1.2　机群的软件模型317

8.2　机群的特点319

8.3　机群的分类319

8.4　典型机群系统简介321

8.4.1 Berkeley NOW321

8.4.2 Beowulf321

8.4.3 LAMP322

8.4.4 IBM SP2322

8.5　小结324

习题8324

参考文献325