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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

1.1.2按功能划分层次的好处3

1.2计算机系统结构3

1.3计算机组成4

1.4计算机实现5

1.5计算机性能7

1.5.1性能因子CPI7

1.5.2计算机性能常用指标MIPS和MFLOPS7

1.5.3计算机系统结构的性能评价标准12

1.5.4计算机系统设计的定量原理14

1.6计算机系统结构的分类16

1.6.1 Flynn分类法16

1.6.2冯氏分类法17

习题118

第2章 指令系统20

2.1指令格式的优化20

2.1.1操作码的优化表示20

2.1.2指令字格式的优化23

2.2 CISC25

2.2.1 CISC的发展26

2.2.2 CISC的特点26

2.3 RISC27

2.3.1 RISC结构采用的基本技术27

2.3.2经典CISC和纯RISC处理器体系结构的比较30

2.3.3退耦CISC/RISC体系结构31

2.4后RISC35

2.4.1后RISC特征36

2.4.2几种后RISC机器的比较36

习题237

第3章 存储系统设计39

3.1存储系统原理39

3.1.1基本概念39

3.1.2多级存储层次39

3.1.3存储系统的性能参数40

3.2交叉访问存储器42

3.2.1主存系统的类型42

3.2.2高位交叉访问存储器43

3.2.3低位交叉访问存储器43

3.2.4拓宽存储器频宽的方法44

3.3页式虚拟存储器45

3.3.1虚拟存储器的工作原理45

3.3.2虚拟存储器的地址映像与变换46

3.3.3页面替换算法及其实现49

3.3.4提高虚拟存储器等效访问速度的措施52

3.3.5影响主存命中率的某些因素56

3.4 Cache存储器58

3.4.1 Cache存储器的工作原理58

3.4.2 Cache存储器的地址映像与变换59

3.4.3 Cache替换算法及其实现65

3.4.4 Cache的透明性分析67

3.4.5 Cache的取算法68

3.4.6影响Cache存储器性能的因素69

3.4.7物理Cache与虚拟Cache71

习题372

第4章 流水线计算机设计技术76

4.1流水线的工作原理、特点及分类76

4.1.1流水线的工作原理76

4.1.2流水线的特点77

4.1.3流水线的分类78

4.2相关问题及解决方法80

4.2.1资源相关81

4.2.2数据相关81

4.2.3控制相关83

4.3线性流水线性能分析83

4.3.1吞吐率和加速比83

4.3.2效率86

4.4线性流水线性能分析举例87

4.5非线性流水线的调度技术89

4.5.1非线性流水线的基本概念89

4.5.2无冲突调度方法90

4.5.3优化调度方法92

4.6先进的流水技术：动态调度94

4.6.1流水的集中式动态调度：记分板机制95

4.6.2流水的分布式动态调度：Tomasulo方法96

4.7转移预测技术98

4.7.1转移的影响98

4.7.2转移预测技术98

4.7.3转移目标缓冲器99

4.8超标量处理机和VLIW体系结构100

4.8.1超标量处理机100

4.8.2 VLIW体系结构104

4.9超流水线处理机106

4.10超标量超流水线处理机106

习题4110

第5章 并行处理技术113

5.1计算机系统结构中并行性的发展113

5.1.1并行性的基本概念113

5.1.2实现并行性技术的途径114

5.1.3计算机系统结构中并行性的发展114

5.2 SIMD并行处理机115

5.2.1 SIMD并行处理机的基本结构与特点115

5.2.2阵列处理机ILLIAC Ⅳ的处理单元阵列结构117

5.2.3阵列处理机的并行算法118

5.3 SIMD计算机的互连网络122

5.3.1互连网络的设计准则122

5.3.2互连函数的表示122

5.3.3单级互连网络123

5.4网络特性125

5.4.1结点度和网络直径125

5.4.2聚集带宽和等分带宽125

5.4.3数据寻径功能125

5.5静态网络126

5.5.1线性阵列127

5.5.2环和带弦环127

5.5.3循环移数网络和全连接128

5.5.4树形和星形128

5.5.5胖树形128

5.5.6网格形和环网形128

5.5.7超立方体129

5.5.8带环立方体129

5.5.9 k元n-立方体网络129

5.6动态网络132

5.6.1总线互连方式132

5.6.2交叉开关互连方式134

5.6.3多级网络互连方式135

5.6.4蝶式网络142

5.6.5组合网络142

习题5144

第6章 向量处理机148

6.1向量处理的基本概念148

6.1.1向量流水处理的主要特点148

6.1.2向量处理机的基本系统结构148

6.1.3向量的处理方式149

6.2一般的向量处理机151

6.2.1寄存器组151

6.2.2多个单功能流水部件153

6.2.3运算流水线153

6.3提高向量处理性能的常用技术154

6.3.1多功能部件的并行操作154

6.3.2链接技术155

6.3.3条件语句和稀疏矩阵的加速处理方法157

6.3.4向量归约操作的加速方法158

6.4向量处理的性能评价159

6.4.1向量流水处理的时间159

6.4.2与向量长度有关的向量流水处理机性能参数160

6.5多向量多处理机162

6.5.1 Cray Y-MP162

6.5.2 C-90和机群163

6.5.3 VP2000164

6.5.4 VPP500164

习题6165

第7章 多处理机168

7.1多处理机结构168

7.1.1多处理机的特点168

7.1.2多处理机的硬件结构169

7.1.3 UMA、NUMA和NORMA模型173

7.2多处理机的Cache一致性174

7.2.1 Cache一致性问题的原因174

7.2.2监听一致性协议176

7.2.3 MESI监听协议177

7.2.4基于目录的协议180

7.3程序的划分和调度183

7.3.1粒度的组合和调度183

7.3.2静态多处理机调度184

7.4多处理机性能模型187

7.4.1基本模型187

7.4.2 N台处理机系统的基本模型188

7.4.3随机模型189

7.4.4通信开销为线性函数的模型191

7.4.5一个完全重叠通信的理想模型191

7.4.6一个具有多条通信链的模型193

7.5并行计算机模型194

7.5.1语义属性194

7.5.2抽象机器模型195

7.5.3物理机器模型198

习题7201

第8章 并行算法与并行编程基础203

8.1并行算法的基础知识203

8.1.1并行算法的定义和分类203

8.1.2进程中的同构性204

8.1.3并行算法的表达204

8.1.4并行算法中的同步与通信205

8.2同步技术206

8.2.1原子性207

8.2.2控制同步207

8.2.3数据同步208

8.2.4高级同步结构209

8.2.5低级同步原语211

8.3并行性条件216

8.3.1程序的并行性分析216

8.3.2硬件并行性与软件并行性219

8.4并行编程220

8.4.1并行编程概述221

8.4.2并行编程方法221

8.4.3并行算法范例223

8.5并行编程模型225

8.5.1隐式并行性225

8.5.2显式并行模型225

习题8230

第9章 并行计算机系统结构新发展概述232

9.1多线程技术232

9.1.1多线程处理器232

9.1.2同时多线程处理器233

9.1.3多线程处理器芯片实例235

9.2单芯片多处理器技术237

9.2.1单芯片多处理器237

9.2.2单芯片多处理器芯片实例240

9.3机群系统243

9.3.1机群体系结构244

9.3.2机群的分类245

9.3.3机群设计要考虑的问题245

9.3.4对机群可用性的支持246

9.4网格计算248

9.4.1网格计算的定义248

9.4.2网格计算的特点249

9.4.3网格计算的体系结构249

9.4.4 Globus Toolkit251

9.4.5网格计算系统的功能252

9.4.6网格计算的关键技术253

9.5云计算253

9.5.1云计算的定义253

9.5.2云计算与网格计算的比较254

9.5.3 Google的云计算平台255

习题9257

附录A习题参考答案258

参考文献286