计算机系统结构(第2版)

第1章计算机系统结构的基本概念1

1.1计算机系统结构1

1.1.1计算机系统的层次结构2

1.1.2计算机系统结构概念3

1.1.3计算机系统结构、组成与实现4

1.1.4计算机系统结构分类6

1.2计算机系统设计9

1.2.1计算机系统的设计原理9

1.2.2计算机系统的设计原则11

1.2.3计算机系统的设计思路11

1.3计算机性能评价指标12

1.4计算机系统结构的发展15

1.4.1冯·诺依曼结构15

1.4.2影响计算机系统结构发展的因素17

本章小结21

习题22第2章指令系统25

2.1数据表示25

2.1.1基本数据表示25

2.1.2浮点数据表示26

2.1.3自定义数据表示27

2.1.4向量数据表示31

2.2指令系统设计原则33

2.2.1指令系统的指令编码方法33

2.2.2寻址技术33

2.2.3指令集结构35

2.3指令系统优化37

2.3.1操作码的优化37

2.3.2指令系统的执行和优化40

2.4精简指令集计算机41

2.4.1CISC的设计思想与问题42

2.4.2RISC的设计思想起源42

2.4.3RISC结构设计原则43

2.4.4RISC结构的基本技术43

2.4.5RISC举例46

2.4.6RISC的发展51

本章小结52

习题53第3章存储系统54

3.1存储系统基本原理54

3.1.1存储系统的定义54

3.1.2存储系统的层次结构56

3.1.3多体交叉访问存储器57

3.2高速缓冲存储器62

3.2.1高速缓冲存储器的基本结构与工作原理62

3.2.2地址映像与转换64

3.2.3替换算法及实现71

3.2.4Cache的预取算法74

3.2.5Cache的一致性问题75

3.2.6Cache性能分析77

3.2.7Cache的实用举例79

3.3虚拟存储器81

3.3.1虚拟存储器的工作原理81

3.3.2虚拟存储器的管理方式83

3.3.3虚拟存储器的地址映像与变换85

3.3.4虚拟存储器实例88

3.4Cache与虚拟存储器的异同90

3.5主存保护90

3.5.1存储区域保护90

3.5.2访问方式保护92

3.5.3存储保护实例93

本章小结94

习题95第4章流水线技术99

4.1基本概念99

4.2流水线工作方式101

4.2.1流水线处理的概念和特点101

4.2.2流水线的分级和分类102

4.2.3流水线举例103

4.3流水线性能分析107

4.3.1技术指标107

4.3.2流水线性能指标参数计算111

4.3.3时序和缓冲115

4.3.4相关处理115

4.3.5转移处理119

4.3.6流水线中断处理121

4.4流水线调度122

4.4.1线性流水线调度122

4.4.2非线性流水线调度125

4.4.3动态硬件预测转移方法127

4.5超级计算机127

4.5.1流水线处理中指令并行性进一步开发127

4.5.2超级标量计算机128

4.5.3超长指令字计算机129

4.5.4超流水计算机130

4.5.5超流水超标量计算机130

4.6向量流水线处理132

4.6.1向量处理方式132

4.6.2向量处理机的结构133

4.6.3改进向量处理机性能的方法135

4.7奔腾Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ处理器流水线处理举例139

本章小结147

习题147第5章并行处理机和多处理机151

5.1概述151

5.2并行处理技术与发展151

5.2.1并行处理技术的开发途径152

5.2.2并行处理技术发展153

5.3并行处理机结构156

5.4多处理机结构162

5.4.1紧耦合多处理机系统163

5.4.2松耦合多处理机系统166

5.5多处理机Cache一致性167

5.6互连网络171

5.6.1互连网络的概念171

5.6.2互连网络的性能参数172

5.6.3互连网络拓扑结构174

5.6.4互连函数176

5.6.5单级互连网180

5.6.6多级互连网183

5.7多处理机的操作系统188

5.7.1多处理机操作系统的特点188

5.7.2多处理机操作系统分类189

5.8多处理机系统实例191

5.8.1SMP共享存储型多处理机191

5.8.2MPP大规模并行处理机192

5.8.3机群系统193

5.8.4曙光一号共享存储并行处理机197

本章小结198

习题199第6章输入/输出系统201

6.1概述201

6.1.1输入/输出设备的分类201

6.1.2输入/输出设备的特点202

6.2基本工作原理203

6.2.1输入/输出系统的结构203

6.2.2输入/输出系统的逻辑组成及工作原理203

6.2.3输入/输出系统的工作方式205

6.3总线207

6.3.1总线工作原理208

6.3.2总线标准与实例209

6.4中断215

6.4.1中断基本概念215

6.4.2中断处理过程216

6.4.3中断优先级和嵌套217

6.5DMA方式218

6.5.1DMA方式的概念218

6.5.2DMA的工作过程219

6.6通道处理机220

6.6.1通道的功能220

6.6.2通道的逻辑组成与工作过程221

6.6.3输入/输出中断223

6.6.4通道的种类及流量分析223

6.7输入/输出处理机229

6.7.1输入/输出处理机的功能229

6.7.2输入/输出处理机系统举例230

本章小结231

习题232第7章MIPS体系结构235

7.1MIPS的发展历程235

7.1.1RISC与CISC235

7.1.2MIPS Ⅰ到MIPS Ⅴ235

7.1.3MIPS32和MIPS64237

7.2MIPS体系结构238

7.2.1MIPS的指令格式238

7.2.2MIPS与CISC体系结构的比较239

7.2.3编址和内存访问240

7.2.4MIPS不支持的特性240

7.3MIPS的缓存241

7.4MIPS指令集243

7.4.1MIPS汇编语言243

7.4.2MIPS指令集243

本章小结264

习题264第8章多核技术266

8.1多核基本概念266

8.1.1多核技术发展趋势266

8.1.2多核概念267

8.1.3片上多核处理器体系结构269

8.2操作系统对多核处理器的支持方法274

8.2.1调度与中断274

8.2.2输入/输出系统274

8.2.3存储管理与文件系统275

8.2.4虚拟化技术276

8.2.5支持多核的操作系统278

8.3多线程技术279

8.3.1线程的定义279

8.3.2多线程定义280

8.3.3多线程技术示例281

8.4面向Intel多核处理器的多线程技术283

8.4.1基于硬件的多线程技术283

8.4.2超线程技术284

8.4.3多核体系结构285

8.5多核发展趋势287

本章小结287

习题288第9章非冯·诺依曼型计算机289

9.1数据流计算机289

9.1.1数据流计算机工作原理289

9.1.2数据流程序图和数据流语言291

9.1.3数据流计算机的性能分析295

9.1.4数据流计算机结构298

9.1.5数据流机器存在的问题302

9.2归约机303

9.2.1函数式程序设计语言303

9.2.2函数式语言的归约机结构304

9.3人工智能计算机307

9.3.1人工智能计算特征307

9.3.2人工智能计算机的结构307

9.3.3人工智能计算机分类309

9.4光计算机310

9.5神经网络计算机310

本章小结312

习题312第10章异构计算314

10.1概述314

10.1.1异构计算基本概念314

10.1.2异构计算工作原理314

10.1.3异构计算的实现315

10.1.4发展趋势315

10.2OpenCL编程简介316

10.2.1OpenCL基本概念316

10.2.2OpenCL程序工作流程316

10.2.3OpenCL存储器模型317

10.2.4OpenCL并行编程基础318

10.3图形处理器320

10.3.1GPU概述320

10.3.2GPU工作原理321

10.3.3GPU架构321

10.3.4GPU存储体系325

10.3.5GPU计算能力327

10.4现场可编程门阵列328

10.4.1FPGA组成要素328

10.4.2FPGA逻辑实现329

10.4.3FPGA设计流程329

10.5深度学习芯片案例分析330

10.5.1寒武纪330

10.5.2XPU330

10.5.3TPU331

10.5.4DPU331

本章小结331

习题332第11章云计算技术333

11.1简介333

11.1.1云计算概念333

11.1.2云计算与互联网和大数据334

11.1.3云计算的发展过程335

11.2云计算的体系结构336

11.2.1云计算的逻辑结构337

11.2.2云计算的物理结构338

11.2.3云计算的特征341

11.3云计算核心技术345

11.3.1分布式系统概述345

11.3.2分布式计算346

11.3.3分布式存储347

11.3.4Hadoop348

11.4云平台实例349

11.4.1IBM“蓝云”计算平台349

11.4.2阿里云平台350

11.4.3华为云实例353

11.4.4Google云实例354

本章小结357

习题358附录ARISCⅤ指令集359