現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教程

第1章  現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述 1                  
 1.1  現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演化 1                  
 1.1.1  微處理機(jī)的發(fā)展 2                  
 1.1.2  微型計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的演化 3                  
 1.1.3  微型計(jì)算機(jī)軟件的演化 4                  
 1.2  計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià) 5                  
 1.2.1  CPU性能 6                  
 1.2.2  系統(tǒng)運(yùn)行速度 9                  
 1.2.3  加速比 12                  
 1.2.4  性能/價(jià)格比 14                  
 1.3  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 15                  
 1.3.1  層次結(jié)構(gòu) 15                  
 1.3.2  馮·諾依曼結(jié)構(gòu) 16                  
 1.3.3  現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象 18                  
 1.3.4  計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類 19                  
 1.3.5  影響現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主要因素 22                  
 習(xí)題1 25                  
 第2章  流水線與超標(biāo)量處理機(jī) 27                  
 2.1  先行控制技術(shù) 27                  
 2.1.1  指令的重疊執(zhí)行 27                  
 2.1.2  先行控制原理 28                  
 2.1.3  數(shù)據(jù)相關(guān) 31                  
 2.1.4  轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)移預(yù)測 33                  
 2.2  流水線技術(shù) 36                  
 2.2.1  流水線工作原理 37                  
 2.2.2  線性流水線的性能分析 40                  
 2.2.3  流水線中的相關(guān)及其處理 44                  
 2.2.4  非線性流水線的調(diào)度問題 47                  
 2.3  超標(biāo)量與超流水線技術(shù) 50                  
 2.3.1  超標(biāo)量處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 50                  
 2.3.2  指令的單發(fā)射與多發(fā)射 51                  
 2.3.3  超標(biāo)量處理機(jī)的性能 55                  
 2.4  超流水線技術(shù) 56                  
 2.4.1  超流水線的一般概念 56                  
 2.4.2  MIPS R4000超流水線處理機(jī) 57                  
 2.4.3  超流水線的性能 57                  
 2.4.4  超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 58                  
 2.5  RISC處理機(jī) 60                  
 2.5.1  計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的轉(zhuǎn)變 60                  
 2.5.2  RISC處理機(jī)的定義和特點(diǎn) 62                  
 2.5.3  實(shí)現(xiàn)RISC思想的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù) 64                  
 2.5.4  幾個(gè)常見的RISC處理機(jī) 68                  
 2.6  超標(biāo)量處理機(jī)Pentium Ⅱ 77                  
 2.6.1  Pentium Ⅱ的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu) 77                  
 2.6.2  靜態(tài)與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測 80                  
 習(xí)題2 81                  
 第3章  向量處理機(jī) 84                  
 3.1  向量處理的基本概念 84                  
 3.1.1  向量與向量處理 84                  
 3.1.2  向量指令 86                  
 3.2  向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu) 89                  
 3.2.1  向量處理機(jī)結(jié)構(gòu)概述 89                  
 3.2.2  存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 90                  
 3.2.3  寄存器-寄存器結(jié)構(gòu) 93                  
 3.3  向量處理機(jī)與向量協(xié)處理機(jī) 93                  
 3.3.1  向量處理機(jī) 94                  
 3.3.2  向量協(xié)處理機(jī) 96                  
 3.4  向量處理機(jī)性能分析 100                  
 習(xí)題3 105                  
 第4章  存儲(chǔ)系統(tǒng) 107                  
 4.1  存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本概念 107                  
 4.1.1  存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 107                  
 4.1.2  層次式存儲(chǔ)系統(tǒng) 109                  
 4.1.3  存儲(chǔ)器帶寬及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響 110                  
 4.2  并行存儲(chǔ)器 113                  
 4.2.1  并行訪問存儲(chǔ)器 113                  
 4.2.2  交叉訪問存儲(chǔ)器 114                  
 4.2.3  無沖突訪問存儲(chǔ)器 116                  
 4.3  高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 119                  
 4.3.1  基本工作原理 120                  
 4.3.2  地址映象與地址變換 121                  
 4.3.3  Cache替換算法 126                  
 4.3.4  Cache性能分析 128                  
 4.3.5  Pentium處理機(jī)中的雙獨(dú)立總線體系結(jié)構(gòu) 131                  
 4.4  虛擬存儲(chǔ)器 132                  
 4.4.1  基本工作原理 133                  
 4.4.2  虛擬存儲(chǔ)器的地址映象和地址變換 135                  
 4.4.3  目錄表與二級(jí)分頁 141                  
 4.4.4  頁面替換算法及其實(shí)現(xiàn) 145                  
 4.5  三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng) 148                  
 4.5.1  物理地址Cache結(jié)構(gòu) 148                  
 4.5.2  虛擬地址Cache結(jié)構(gòu) 149                  
 4.5.3  全Cache技術(shù) 150                  
 習(xí)題4 150                  
 第5章  總線 153                  
 5.1  概述 153                  
 5.1.1  總線在計(jì)算機(jī)中的地位 153                  
 5.1.2  總線的基本特性 155                  
 5.1.3  同步總線與異步總線 158                  
 5.2  總線仲裁 159                  
 5.2.1  總線競爭及其仲裁 159                  
 5.2.2  其他仲裁方式 160                  
 5.3  PCI總線及其在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中地位 166                  
 5.3.1  PCI總線的主要特性 166                  
 5.3.2  PCI總線中的仲裁 168                  
 5.3.3  采用PCI總線的服務(wù)器結(jié)構(gòu) 169                  
 5.4  新一代總線——InfiniBand 171                  
 5.4.1  PCI總線的局限性 171                  
 5.4.2  InfiniBand的基本特性 172                  
 5.4.3  InfiniBand的基本體系結(jié)構(gòu) 173                  
 習(xí)題5 175                  
 第6章  互連網(wǎng)絡(luò) 177                  
 6.1  互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念 177                  
 6.1.1  互連網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位 177                  
 6.1.2  互連網(wǎng)絡(luò)的主要特性和性能參數(shù) 178                  
 6.1.3  互連網(wǎng)絡(luò)的種類 180                  
 6.1.4  互連函數(shù) 188                  
 6.2  多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò) 193                  
 6.2.1  幾種阻塞互連網(wǎng)絡(luò) 194                  
 6.2.2  可重排非阻塞網(wǎng)絡(luò)——Benes二進(jìn)制置換網(wǎng)絡(luò) 200                  
 6.2.3  非阻塞網(wǎng)絡(luò)——多級(jí)Clos網(wǎng)絡(luò) 202                  
 6.3  消息傳遞機(jī)制 202                  
 6.3.1  消息的尋徑 203                  
 6.3.2  死鎖及其規(guī)避 205                  
 6.3.3  單播方式的尋徑 208                  
 6.3.4  廣播通信方式下的尋徑 211                  
 習(xí)題6 212                  
 第7章  SIMD計(jì)算機(jī) 214                  
 7.1  概述 214                  
 7.1.1  SISD計(jì)算機(jī)對(duì)大數(shù)組的處理 214                  
 7.1.2  SIMD計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 214                  
 7.1.3  SIMD計(jì)算機(jī)與向量計(jì)算機(jī) 217                  
 7.2  典型SIMD計(jì)算機(jī)介紹 219                  
 7.2.1  Illiac Ⅳ陣列計(jì)算機(jī) 219                  
 7.2.2  BSP計(jì)算機(jī) 223                  
 7.2.3  CM-2計(jì)算機(jī) 226                  
 7.2.4  MasPar MP-2計(jì)算機(jī) 230                  
 7.3  SIMD在數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用 232                  
 7.3.1  SIMD與連續(xù)模型計(jì)算 232                  
 7.3.2  SIMD計(jì)算機(jī)的幾種基本算法 235                  
 習(xí)題7 239                  
 第8章  多處理機(jī)與多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 241                  
 8.1  概述 241                  
 8.1.1  SIMD與MIMD 241                  
 8.1.2  共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)的幾種結(jié)構(gòu)形式 242                  
 8.1.3  多處理機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 243                  
 8.2  多處理機(jī)系統(tǒng)中的Cache一致性問題 244                  
 8.2.1  產(chǎn)生一致性問題的原因 244                  
 8.2.2  監(jiān)聽協(xié)議 246                  
 8.2.3  基于目錄的協(xié)議 250                  
 8.3  基于集中共享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng) 254                  
 8.3.1  適合多處理機(jī)系統(tǒng)使用的微處理機(jī) 254                  
 8.3.2  SGI Challenge多處理機(jī)系統(tǒng) 257                  
 8.3.3  SUN Enterprise多處理機(jī)系統(tǒng) 258                  
 8.4  基于分布式共享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)系統(tǒng) 259                  
 8.4.1  CM-5計(jì)算機(jī) 259                  
 8.4.2  SGI Origin2000系列服務(wù)器 263                  
 8.5  機(jī)群系統(tǒng) 268                  
 8.5.1  機(jī)群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 268                  
 8.5.2  機(jī)群系統(tǒng)中的通信問題 272                  
 8.5.3  并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境 276                  
 8.5.4  機(jī)群系統(tǒng)中的負(fù)載平衡問題 277                  
 8.6  多處理機(jī)系統(tǒng)的性能分析 280                  
 8.6.1  性能指標(biāo) 280                  
 8.6.2  幾種多處理機(jī)系統(tǒng)的性能模型 285                  
 習(xí)題8 289                  
 參考文獻(xiàn) 291