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第一章　计算机设计基础1

1.1 计算机设计者的任务1

1.1.1　计算机需求的功能1

1.1.2　功能实现时软件和硬件的选择2

1.1.3　计算机设计的几个原则6

1.1.4　计算机的设计过程10

1.2　计算机性能评价12

1.2.1 衡量计算机性能的参数12

1.2.2　CPU性能13

1.2.3　计算机性能常用指标16

1.2.4　如何正确评价计算机性能19

1.3　构成计算机的成本组合33

1.3.1　器件成本33

1.3.2 直接成本34

1.3.3 间接成本35

1.3.4　报价单价格35

1.4　用系统结构知识选购计算机36

习题37

2.1　指令集的设计原则42

2.1.1　指令的分类42

第二章　指令集的设计42

2.1.2　指令设计的原则45

2.1.3　操作数的确定55

2.1.4 寻址方式和指令长度的确定60

2.2　操作系统、编译方法和系统结构的相互影响74

2.2.1　现代编译器的结构75

2.2.2　编译对系统结构的影响和要求77

2.2.3　操作系统和系统结构的关系83

2.3　指令系统的测量方法86

2.3.1 测量的作用86

2.3.2 测量项目87

2.3.3 测量方法88

2.3.4　测量举例88

2.4　RISC设计思想90

2.4.1　RISC设计的起源90

2.4.2　RISC设计的原则94

习题95

第三章　CPU的设计99

3.1 引言99

3.2　数据通路99

3.3　指令执行原理101

3.4　控制器103

3.4.1　硬连线控制104

3.4.2　微程序控制105

3.5 中断109

3.6　综合应用：一种控制器的设计114

3.6.1　硬连线控制设计114

3.6.2　微程序控制的实现方法119

3.6.3　微程序控制的改进124

3.6.4　总结127

习题127

4.1.1　流水线的基本概念130

4.1 流水线处理的基本原理130

第四章　流水线技术130

4.1.2　基本处理器流水线136

4.2　流水线工作的主要障碍——流水线竞争141

4.2.1　流水线竞争时的性能141

4.2.2　结构竞争及防止措施143

4.2.3　数据竞争及防止措施145

4.2.4　控制竞争及防止措施155

4.2.5　实现流水线的困难166

4.3　多周期操作的流水线策略171

4.3.1　基本流水线的扩展171

4.3.2　长延时流水线的竞争及其消除173

4.4　流水线的动态调度178

4.4.1 数据竞争的动态调度178

4.4.2　控制冲突的硬件预测193

4.5　高级流水线——进一步开发指令级的并行处理203

4.5.1　循环体并行处理203

4.5.2　多发射处理器208

4.5.3　编译支持指令级并行性开发215

4.5.4 在硬件支持下进一步开发并行性221

4.5.5　超级流水线234

4.6　非线性流水线235

习题237

第五章　存储器层次结构247

5.1　存储器层次结构的基本概念247

5.1.1　存储器的基本性能参数247

5.1.2　存储器层次结构的基本原理247

5.1.3　存储器层次结构的性能250

5.1.4　存储器层次结构对CPU设计的影响251

5.1.5　存储器层次结构设计的基本问题251

5.2　Cache／主存存储器层次结构252

5.2.1　Cache／主存的映象方式252

5.2.2　Cache／主存的映象机构252

5.2.3　Cache／主存的替换策略255

5.2.4　Cache／主存的写策略256

5.2.5　Cache／主存存储器层次结构实例257

5.2.6　Cache／主存的性能分析259

5.3　改进Cache／主存性能的技术266

5.3.1　降低失配率266

5.3.2　缩短命中时间275

5.3.3　减少失配损失277

5.3.4　Cache的一致性问题283

5.4　主存的组织方式284

5.4.1　单体单字主存结构285

5.4.3　多体交叉主存结构286

5.4.2　单体多字主存结构286

5.4.4　无冲突模块访问288

5.5　虚拟存储器289

5.5.1 虚拟存储器与Cache／主存存储层次的差别291

5.5.2　虚拟存储器设计的基本问题291

5.5.3　存储共享和保护295

5.5.4　虚拟存储器实例296

5.6　基于程序行为特性的优化技术298

5.6.1　指令预取缓冲器298

5.6.2　寄存器和寄存器窗口300

5.7　Alpha机的存储器层次结构302

习题306

第六章　计算机输入／输出系统313

6.1　引言313

6.2　输入／输出设备类型314

6.2.1　数据表示设备314

6.2.2 网络通讯设备315

6.2.3　存储设备315

6.2.4　廉价磁盘冗余阵列317

6.3　I/O子系统的控制方式319

6.3.1　程序控制319

6.3.2　I/O处理器320

6.4　总线323

6.4.1 总线分类与选择323

6.4.2　总线标准326

6.5　I/O子系统性能测量331

6.5.1 引言331

6.5.2　I/O性能预测333

6.5.3　I/O系统性能测量337

6.6　总结339

习题342

7.1　引言345

第七章　网络并行计算系统345

7.2　通用互连网络347

7.2.1 引言347

7.2.2　网络原理348

7.2.3　多机互连网络353

7.3　工作站并行计算系统（NOW计划）介绍368

7.4　总结：虚拟并行机PVM372

7.4.1　引言372

7.4.2　PVM结构简介373

7.4.3　PVM内部结构分析374

7.4.4 结论382

习题383

第八章　多处理器计算机结构384

8.1 引言384

8.1.1 并行体系结构的分类384

8.1.2　通信模型和存储器体系结构386

8.1.3　通信机制的性能度量387

8.1.4 不同通信机制的优点388

8.1.5　并行处理带来的挑战389

8.2　集中共享存储器式多处理器体系结构391

8.2.2　两种监听协议393

8.2.1 实施一致性的基本机制393

8.2.3　基本实现技术395

8.2.4 协议实例396

8.3　分布共享存储器式多处理器体系结构399

8.3.1　基本目录的Cache一致性协议基础401

8.3.2 目录协议示例403

8.3.3　基于目录的一致性协议性能405

8.4 同步407

8.4.1　基于硬件原语407

8.4.2　利用一致性机制实现锁功能409

8.4.3 同步性能要求411

8.4.4　栅栏同步412

8.4.5 大规模机器的同步机制414

8.5　存储器连贯性模型418

8.5.1　程序员的观点419

8.5.2　存储器连贯性的松驰模型422

8.5.3　松弛模型的实现425

8.5.4　松弛模型的性能425

8.5.5　对连贯性模型的最后评论426

习题427

索引429