計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解

前言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程。本書(shū)是專(zhuān)門(mén)為該課程編寫(xiě)的輔導(dǎo)書(shū)，既可作為該課程的學(xué)習(xí)參考書(shū)，也可作為自學(xué)該課程的輔導(dǎo)書(shū)，還可作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的復(fù)習(xí)指導(dǎo)書(shū)。全書(shū)共包括9章。第1章講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和并行性的發(fā)展，并介紹定量分析基礎(chǔ)。第2章講述計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題，包括尋址技術(shù)、指令集的功能設(shè)計(jì)、操作數(shù)的類(lèi)型和大小、指令格式的設(shè)計(jì)，并且介紹RISC技術(shù)以及一個(gè)指令集結(jié)構(gòu)的實(shí)例——MLPS。第3章為“流水線(xiàn)技術(shù)”，講述流水線(xiàn)的基本概念、分類(lèi)和性能分析，介紹流水線(xiàn)中的相關(guān)和沖突問(wèn)題及其解決方法等，并對(duì)向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)以及性能評(píng)價(jià)進(jìn)行討論。第4章為“指令級(jí)并行”，講述利用硬、軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)程序中指令間并行性的技術(shù)和方法，包括指令動(dòng)態(tài)調(diào)度、指令分支預(yù)測(cè)、超標(biāo)量技術(shù)、超流水技術(shù)以及超長(zhǎng)指令字技術(shù)等。第5章為“存儲(chǔ)層次”，講述Cache的基本知識(shí)、降低Cache失效率的方法、減少Cache失效開(kāi)銷(xiāo)的方法以及減少命中時(shí)間的方法，并對(duì)虛擬存儲(chǔ)器做簡(jiǎn)要的討論。第6章為“輸入／輸出系統(tǒng)”，講述總線(xiàn)及其與CPU／存儲(chǔ)器的連接、通道處理機(jī)及其流量分析、廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID。第7章為“互連網(wǎng)絡(luò)”，講述互連函數(shù)、互連網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)、靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)以及動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)等。第8章為“多處理機(jī)”，講述對(duì)稱(chēng)式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多處理機(jī)Cache一致性、同步以及同時(shí)多線(xiàn)程技術(shù)，并介紹了一個(gè)多處理機(jī)實(shí)例。第9章為“機(jī)群計(jì)算機(jī)”，講述機(jī)群的結(jié)構(gòu)、軟件模型以及機(jī)群的分類(lèi)，并介紹了典型的機(jī)群系統(tǒng)。每一章都由4節(jié)組成，分別是基本要求與難點(diǎn)、知識(shí)要點(diǎn)、習(xí)題以及題解。“基本要點(diǎn)與難點(diǎn)”列出了各章教學(xué)的基本要求和難點(diǎn)，“知識(shí)要點(diǎn)”詳細(xì)給出了各章內(nèi)容的精華和要點(diǎn)?！傲?xí)題”包括概念題、選擇題、填空題、問(wèn)答題、應(yīng)用題等?！邦}解”給出了答案和詳細(xì)的求解過(guò)程。本書(shū)主要由張晨曦、劉依、沈立、孫太一、李江峰編寫(xiě)，張碩、程志強(qiáng)、王偉、江鑒等也編寫(xiě)了部分內(nèi)容。本書(shū)概念清晰，重點(diǎn)難點(diǎn)突出，題型多樣，是一本很有用的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)書(shū)。本書(shū)是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（高等教育出版社）的配套教學(xué)參考書(shū)。當(dāng)然，對(duì)于采用其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材的讀者來(lái)說(shuō)，也有較高的參考價(jià)值。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解》是一本關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)書(shū)。全書(shū)共分為9章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念，計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)，流水線(xiàn)技術(shù)，指令級(jí)并行，存儲(chǔ)層次，輸入／輸出系統(tǒng)，互連網(wǎng)絡(luò)，多處理機(jī)，機(jī)群計(jì)算機(jī)。每一章都由4節(jié)組成，分別是基本要求與難點(diǎn)、知識(shí)要點(diǎn)、習(xí)題以及題解?！盎疽笈c難點(diǎn)”列出了各章教學(xué)的基本要求及難點(diǎn)，“知識(shí)要點(diǎn)”詳細(xì)給出了各章內(nèi)容的精華和要點(diǎn)?！傲?xí)題”包括概念題、選擇題、填空題、問(wèn)答題、應(yīng)用題等。“題解”給出了各題答案和詳細(xì)的求解過(guò)程。本書(shū)概念清晰，重點(diǎn)難點(diǎn)突出，題型多樣，是一本很有用的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)書(shū)。本書(shū)是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（高等教育出版社）的配套教學(xué)參考書(shū)。當(dāng)然，對(duì)于采用其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材的讀者來(lái)說(shuō)，也有較高的參考價(jià)值。本書(shū)可作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程（上課或自學(xué)）的學(xué)習(xí)參考書(shū)，也可作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的復(fù)習(xí)指導(dǎo)書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

張晨曦，男，1960年9月生，漢族，福建龍巖人。現(xiàn)任同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)“中青年有突出貢獻(xiàn)專(zhuān)家”，國(guó)家杰出青年基金獲得者。先后主持了4項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。1988年獲博士學(xué)位，后一直在國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院工作，2005年9月調(diào)入同濟(jì)大學(xué)。作為課程負(fù)責(zé)人，張晨曦建設(shè)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程于2007年被評(píng)為上海市精品課程，2008年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程。他還先后獲得了“教育部-微軟精品課程”和“教育部一SUN精品課程”。他主講“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程和從事系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究20余年，進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革和課程建設(shè)，取得了突出的成績(jī)。1992年開(kāi)發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CAI課件（含30個(gè)動(dòng)畫(huà)），在清華大學(xué)、北京大學(xué)等全國(guó)10多所高校獲得應(yīng)用。2003年完成教育部的新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)工程項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)課程”。2009年開(kāi)發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)M器。他負(fù)責(zé)編寫(xiě)的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（高等教育出版社）是普通高等教育“十五”和“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，該教材2002年獲全國(guó)普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)。全國(guó)至少有60所大學(xué)采用了該教材。至2009年，他編寫(xiě)出版了五本“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。撰寫(xiě)專(zhuān)著兩部（第二作者），其中專(zhuān)著《新一代計(jì)算機(jī)》由荷蘭North-Holland出版社出版，另一部于1992年獲“國(guó)家教委優(yōu)秀專(zhuān)著特等獎(jiǎng)”，1993年獲“全國(guó)優(yōu)秀科技圖書(shū)一等獎(jiǎng)”。發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文90多篇，其中在《中國(guó)科學(xué)》、《計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)》等一級(jí)刊物上發(fā)表8篇，國(guó)外發(fā)表20多篇。有20多篇被國(guó)際著名八大檢索工具收錄。張晨曦獲部委級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（排名第二），二等獎(jiǎng)一項(xiàng)（排名第一）；獲部委級(jí)教學(xué)成果二、三等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。2007年獲寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)和上海市育才獎(jiǎng)，2008年獲上海高校教學(xué)名師獎(jiǎng)。1991年被國(guó)家教委授予“做出突出貢獻(xiàn)的中國(guó)博士”光榮稱(chēng)號(hào)，被評(píng)為湖南省科技青年“十佳”之一；1993年被評(píng)為“全軍優(yōu)秀教師”，1993年和1995年兩次獲“霍英東青年教師獎(jiǎng)”；1995年獲第4屆“中國(guó)青年科技獎(jiǎng)”。從15歲起當(dāng)中學(xué)教師，對(duì)教學(xué)方法和現(xiàn)代教育技術(shù)有深入的研究，提出了面向遠(yuǎn)程教育和CAI的動(dòng)畫(huà)解析教學(xué)法。

書(shū)籍目錄

第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1 基本要求與難點(diǎn)1.1.1 基本要求1.1.2 難點(diǎn)1.2 知識(shí)要點(diǎn)1.2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念1.2.2 定量分析技術(shù)1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.2.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性發(fā)展1.3 習(xí)題1.3.1 概念題1.3.2 選擇題1.3.3 填空題1.3.4 問(wèn)答題1.3.5 應(yīng)用題1.4 題解1.4.1 概念題1.4.2 選擇題1.4.3 填空題1.4.4 問(wèn)答題1.4.5 應(yīng)用題第2章 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)2.1 基本要求與難點(diǎn)2.1.1 基本要求2.1.2 難點(diǎn)2.2 知識(shí)要點(diǎn)2.2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類(lèi)2.2.2 尋址方式2.2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)2.2.4 操作數(shù)的類(lèi)型和大小2.2.5 指令格式的設(shè)計(jì)2.2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)2.3 習(xí)題2.3.1 概念題2.3.2 選擇題2.3.3 填空題2.3.4 問(wèn)答題2.4 題解2.4.1 概念題2.4.2 選擇題2.4.3 填空題2.4.4 問(wèn)答題第3章 流水線(xiàn)技術(shù)3.1 基本要求與難點(diǎn)3.1.1 基本要求3.1.2 難點(diǎn)3.2 知識(shí)要點(diǎn)3.2.1 重疊執(zhí)行和先行控制3.2.2 流水線(xiàn)的基本概念3.2.3 流水線(xiàn)的性能指標(biāo)3.2.4 流水線(xiàn)的相關(guān)與沖突3.2.5 流水線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)3.2.6 向量處理機(jī)3.3 習(xí)題3.3.1 概念題3.3.2 選擇題3.3.3 填空題3.3.4 問(wèn)答題3.3.5 應(yīng)用題3.4 題解3.4.1 概念題3.4.2 選擇題3.4.3 填空題3.4.4 問(wèn)答題3.4.5 應(yīng)用題第4章 指令級(jí)并行4.1 基本要求與難點(diǎn)4.1.1 基本要求4.1.2 難點(diǎn)4.2 知識(shí)要點(diǎn)4.2.1 指令級(jí)并行的概念4.2.2 指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度4.2.3 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)4.2.4 多指令流出技術(shù)4.2.5 循環(huán)展開(kāi)和指令調(diào)度4.3 習(xí)題4.3.1 概念題4.3.2 填空題4.3.3 問(wèn)答題4.3.4 應(yīng)用題4.4 題解4.4.1 概念題4.4.2 填空題4.4.3 問(wèn)答題4.4.4 應(yīng)用題第5章 存儲(chǔ)層次5.1 基本要求與難點(diǎn)5.1.1 基本要求5.1.2 難點(diǎn)5.2 知識(shí)要點(diǎn)5.2.1 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)5.2.2 Cache基本知識(shí)5.2.3 降低Cache失效率5.2.4 減少Cache失效開(kāi)銷(xiāo)5.2.5 減少命中時(shí)間5.2.6 主存5.2.7 虛擬存儲(chǔ)器5.2.8 進(jìn)程保護(hù)和虛存實(shí)例5.2.9 Alp.haAXP21064存儲(chǔ)層次5.3 習(xí)題5.3.1 概念題5.3.2 選擇題5.3.3 填空題5.3.4 問(wèn)答題5.3.5 應(yīng)用題5.4 題解5.4.1 概念題5.4.2 選擇題5.4.3 填空題5.4.4 問(wèn)答題5.4.5 應(yīng)用題第6章 輸入／輸出系統(tǒng)6.1 基本要求與難點(diǎn)6.1.1 基本要求6.1.2 難點(diǎn)6.2 知識(shí)要點(diǎn)6.2.1 I／O系統(tǒng)性能與CPU性能6.2.2 I／O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性6.2.3 廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID6.2.4 總線(xiàn)6.2.5 通道處理機(jī)6.2.6 I／O與操作系統(tǒng)6.3 習(xí)題6.3.1 概念題6.3.2 選擇題6.3.3 填空題6.3.4 問(wèn)答題6.3.5 應(yīng)用題6.4 題解6.4.1 概念題6.4.2 選擇題6.4.3 填空題6.4.4 問(wèn)答題6.4.5 應(yīng)用題第7章 互連網(wǎng)絡(luò)7.1 基本要求與難點(diǎn)7.1.1 基本要求7.1.2 難點(diǎn)7.2 知識(shí)要點(diǎn)7.2.1 互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念7.2.2 互連網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)7.3 習(xí)題7.3.1 概念題7.3.2 選擇題7.3.3 填空題7.3.4 問(wèn)答題7.3.5 應(yīng)用題7.4 題解7.4.1 概念題7.4.2 選擇題7.4.3 填空題7.4.4 問(wèn)答題7.4.5 應(yīng)用題第8章 多處理機(jī)8.1 基本要求與難點(diǎn)8.1.1 基本要求8.1.2 難點(diǎn)8.2 知識(shí)要點(diǎn)8.2.1 引言8.2.2 對(duì)稱(chēng)式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.2.3 分布式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.2.4 同步8.2.5 同時(shí)多線(xiàn)程8.2.6 多處理機(jī)實(shí)例8.3 習(xí)題8.3.1 概念題8.3.2 填空題8.3.3 問(wèn)答題8.3.4 應(yīng)用題8.4 題解8.4.1 概念題8.4.2 填空題8.4..3 問(wèn)答題8.4.4 應(yīng)用題第9章 機(jī)群計(jì)算機(jī)9.1 基本要求與難點(diǎn)9.1.1 基本要求9.1.2 難點(diǎn)9.2 知識(shí)要點(diǎn)9.2.1 機(jī)群的基本概念和結(jié)構(gòu)9.2.2 機(jī)群的特點(diǎn)9.2.3 機(jī)群的分類(lèi)9.2.4 典型機(jī)群系統(tǒng)簡(jiǎn)介9.3 習(xí)題9.3.1 概念題9.3.2 問(wèn)答題9.4 題解9.4.1 概念題9.4.2 問(wèn)答題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2.軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響是多方面的。下面只討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意解決的軟件可移植性問(wèn)題?？梢浦残允侵敢粋€(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，差別只是執(zhí)行時(shí)間不同。在這種情況下，人們稱(chēng)這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)為軟件兼容的。實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法有3種：系列機(jī)，模擬和仿真，統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言。（1）系列機(jī)系列機(jī)能較好地解決軟件開(kāi)發(fā)中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾。系列機(jī)的軟件兼容有4種：向上兼容，向下兼容，向前兼容，向后兼容。向上（下）兼容指的是按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。向后（前）兼容是指按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場(chǎng)的計(jì)算機(jī)。向后兼容是一定要保證的，它是系列機(jī)的根本特征。兼容機(jī)是指由不同制造商生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。（2）模擬和仿真模擬和仿真是實(shí)現(xiàn)軟件（二進(jìn)制代碼）可移植性的兩種常用方法。模擬是指用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為宿主機(jī)，host）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。通常用解釋的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬。除了模擬虛擬機(jī)的指令系統(tǒng)外，還要模擬其存儲(chǔ)系統(tǒng)、I／O系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等。這種方法的缺點(diǎn)是運(yùn)行速度較慢，性能較差。仿真是指用一臺(tái)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)。這個(gè)微程序稱(chēng)為仿真微程序。仿真和模擬的主要區(qū)別在于解釋執(zhí)行所用的語(yǔ)言。仿真是用微程序解釋執(zhí)行，而模擬則是用機(jī)器語(yǔ)言程序解釋執(zhí)行。因此，仿真的運(yùn)行速度比模擬方法快，但仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的計(jì)算機(jī)之間使用。為了取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以將這兩種方法混合使用。（3）統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言如果各計(jì)算機(jī)能采用同一種高級(jí)語(yǔ)言，那么用這種語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件的可移植問(wèn)題就解決了。然而，到目前為止，還沒(méi)有一種高級(jí)語(yǔ)言對(duì)各種應(yīng)用是真正通用的。3.器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響摩爾定律指出，集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月就翻一番。2003年以前CPU在速度上的提高也是如此，即主頻每隔18個(gè)月翻一番。這使得越來(lái)越多的功能可以在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)，而且芯片的性能價(jià)格比也越來(lái)越高。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解》是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材教學(xué)參考書(shū),高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系列教材。

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