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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2

1.1.2 计算机体系结构、组成和实现4

1.1.3 计算机系统中的层次概念6

1.1.4 系列机和兼容9

1.2 计算机体系结构的发展11

1.2.1 计算机分代、分型与分类11

1.2.2 软件的发展13

1.2.3 应用的发展14

1.2.4 相关核心技术产品的发展16

1.2.5 计算机体系结构的发展18

1.2.6 并行处理技术的发展21

1.2.7 体系结构技术的挑战26

1.3 计算机系统设计和分析28

1.3.1 成本与价格28

1.3.2 基准测试程序31

1.3.3 量化设计的基本原则34

1.4 基本的可靠性模型38

1.4.1 可靠性的基本概念38

1.4.2 多部件系统的可靠性39

1.5 小结40

习题141

第2章 指令系统43

2.1 指令系统结构的分类43

2.2 寻址方式45

2.3 指令系统的设计和优化48

2.3.1 指令系统设计的基本原则48

2.3.2 控制指令49

2.3.3 指令操作码的优化50

2.4 指令系统的发展和改进51

2.4.1 沿CISC方向发展和改进指令系统51

2.4.2 沿RISC方向发展和改进指令系统53

2.5 操作数的类型和大小55

2.6 MIPS指令系统结构57

2.6.1 MIPS的寄存器57

2.6.2 MIPS的数据表示57

2.6.3 MIPS的数据寻址方式57

2.6.4 MIPS的指令格式58

2.6.5 MIPS的操作59

2.6.6 MIPS的控制指令60

2.6.7 MIPS的浮点操作61

2.7 小结62

习题262

第3章 流水线技术64

3.1 流水线概述64

3.1.1 流水线的基本概念64

3.1.2 流水线的分类66

3.2 MIPS的基本流水线69

3.2.1 MIPS的一种简单实现69

3.2.2 基本的MIPS流水线72

3.2.3 流水线性能分析76

3.3 流水线中的相关82

3.3.1 流水线的结构相关82

3.3.2 流水线的数据相关85

3.3.3 流水线的控制相关94

3.4 流水线计算机实例分析（MIPS R4000）101

3.4.1 MIPS R4000整型流水线101

3.4.2 MIPS R4000浮点流水线103

3.4.3 MIPS R4000流水线的性能分析104

3.5 向量处理机105

3.5.1 向量处理方式和向量处理机105

3.5.2 向量处理机实例分析107

3.6 小结110

习题3111

第4章 指令级并行112

4.1 指令级并行的概念112

4.1.1 循环展开调度的基本方法113

4.1.2 相关性117

4.2 指令的动态调度121

4.2.1 动态调度的原理121

4.2.2 动态调度算法之一：记分牌122

4.2.3 动态调度算法之二：Tomasulo算法130

4.3 控制相关的动态解决技术140

4.3.1 分支预测缓冲141

4.3.2 分支目标缓冲143

4.3.3 基于硬件的前瞻执行146

4.4 多指令流出技术150

4.4.1 静态超标量技术150

4.4.2 动态多指令流出技术153

4.4.3 超长指令字技术155

4.4.4 多流出处理器受到的限制156

4.5 小结158

习题4158

第5章 存储层次161

5.1 存储器的层次结构161

5.1.1 多级存储层次161

5.1.2 存储层次的性能参数162

5.1.3 两种存储层次关系163

5.1.4 存储层次的4个问题164

5.2 Cache基本知识164

5.2.1 映像规则165

5.2.2 查找方法167

5.2.3 替换算法168

5.2.4 写策略169

5.2.5 Cache结构171

5.2.6 Cache性能分析173

5.2.7 改进Cache性能177

5.3 降低Cache失效率的方法177

5.3.1 调节Cache块大小180

5.3.2 提高相联度181

5.3.3 Victim Cache183

5.3.4 硬件预取184

5.3.5 编译器控制的预取185

5.3.6 编译器优化187

5.4 减少Cache失效开销191

5.4.1 写缓冲及写合并191

5.4.2 让读失效优先于写192

5.4.3 请求字处理193

5.4.4 多级Cache193

5.4.5 非阻塞Cache196

5.5 减少命中时间198

5.5.1 容量小、结构简单的Cache198

5.5.2 虚拟Cache199

5.5.3 访问流水化201

5.5.4 多体Cache201

5.5.5 路预测202

5.5.6 Trace Cache202

5.5.7 Cache优化技术总结203

5.6 主存204

5.6.1 存储器组织技术204

5.6.2 存储器芯片技术208

5.7 虚拟存储器211

5.7.1 虚拟存储器基本原理211

5.7.2 快表214

5.7.3 虚存和Cache关系的例子215

5.8 虚存保护和虚存实例216

5.8.1 进程保护技术216

5.8.2 页式虚存举例：64位Opteron217

5.8.3 虚拟机保护219

5.9 综合实例：AMD Opteron存储层次223

5.10 小结226

习题5227

第6章 输入输出系统229

6.1 引言229

6.1.1 I/O处理对计算机总体性能的影响229

6.1.2 I/O系统的可靠性230

6.2 外部存储设备230

6.2.1 磁盘设备231

6.2.2 Flash存储器与固态硬盘SSD235

6.2.3 磁带设备236

6.2.4 光盘设备239

6.3 I/O系统性能分析与评测240

6.3.1 I/O性能与系统响应时间241

6.3.2 Little定律242

6.3.3 M/M/1排队系统243

6.3.4 M/M/m排队系统245

6.3.5 I/O基准测试程序246

6.4 I/O系统的可靠性、可用性和可信性248

6.5 廉价磁盘冗余阵列250

6.5.1 RAID0252

6.5.2 RAID1253

6.5.3 RAID2255

6.5.4 RAID3255

6.5.5 RAID4257

6.5.6 RAID5258

6.5.7 RAID6259

6.5.8 RAID的实现与发展260

6.6 I/O设备与CPU／存储器的连接——总线261

6.6.1 总线设计应考虑的因素261

6.6.2 总线标准和实例262

6.6.3 设备的总线连接264

6.7 通道265

6.7.1 通道的功能265

6.7.2 通道的工作过程266

6.7.3 通道的种类268

6.8 I/O与操作系统268

6.8.1 DMA和虚拟存储器269

6.8.2 I/O和Cache的数据一致性269

6.8.3 异步I/O271

6.8.4 文件信息的维护271

6.9 小结272

习题6273

第7章 多处理机274

7.1 引言274

7.1.1 并行计算机体系结构的分类274

7.1.2 通信模型和存储器的结构模型276

7.1.3 并行处理面临的挑战278

7.2 对称式共享存储器体系结构280

7.2.1 多处理机Cache一致性280

7.2.2 实现一致性的基本方案281

7.2.3 监听协议及其实现283

7.3 分布式共享存储器体系结构284

7.3.1 基于目录的Cache一致性285

7.3.2 目录协议及其实现287

7.4 互联网络288

7.4.1 互联网络的性能参数288

7.4.2 静态连接网络291

7.4.3 动态连接网络295

7.4.4 片上网络299

7.5 同步302

7.5.1 基本硬件原语302

7.5.2 用一致性实现锁304

7.5.3 同步性能问题305

7.5.4 大规模机器的同步308

7.6 同时多线程311

7.6.1 将线程级并行转换为指令级并行312

7.6.2 同时多线程处理器的设计313

7.6.3 同时多线程的性能314

7.7 并行处理器的性能评测316

7.8 多处理机实例317

7.8.1 实例1：T1处理器317

7.8.2 实例2：Origin 2000320

7.9 小结321

习题7322

第8章 集群计算机324

8.1 集群的基本概念和结构324

8.1.1 集群的基本结构324

8.1.2 集群的软件模型326

8.2 集群的特点327

8.3 集群的分类328

8.4 典型集群系统简介329

8.4.1 Berkeley NOW329

8.4.2 Beowulf330

8.4.3 LAMP330

8.4.4 IBM SP2331

8.5 小结333

习题8333

参考文献334