計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程

出版時間:2010-1  出版社:洪志全 機械工業(yè)出版社 (2010-01出版)  作者:洪志全 編  頁數(shù):278  

前言

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機專業(yè)的專業(yè)核心課程,其主要內(nèi)容是研究使用者所看到的汁算機的基本結(jié)構(gòu)屬性,即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。該課程的目的是使學生建立計算機系統(tǒng)的完整概念,掌握計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理,學習計算機系統(tǒng)的分析方法和設計方法,以及計算機的發(fā)展方向等。本書全面介紹了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、工作原理、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析方法。本書的主要內(nèi)容有計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、存儲系統(tǒng)、標量處理機、并行處理機、向量計算機、多處理機及互連網(wǎng)絡和非控制流計算機等。本書共分為8章,重點介紹了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理、構(gòu)成框架與實現(xiàn)方案,介紹了分布式系統(tǒng)、集群系統(tǒng)和網(wǎng)格系統(tǒng)等熱點技術,對學生全面了解、掌握計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)屬性、系統(tǒng)構(gòu)成有很大的幫助。第l章主要介紹了計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)模型、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類、計算機系統(tǒng)的性能評測和分析方法,闡述了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)的關系,介紹了計算機的發(fā)展趨勢。第2章介紹了計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),主要有CPU構(gòu)成、計算機的數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)類型、指令系統(tǒng)的設計思想、計算機總線技術、I/O技術、通道處理機與I/O處理機技術等。第3章主要介紹了存儲器體系結(jié)構(gòu)的基本原理、相聯(lián)存儲器、高速緩沖存儲器(Cache)、虛擬存儲器原理、存儲器管理模式及存儲器保護技術等。第4章介紹了流水線并行技術,主要介紹了標量流水線的工作原理、流水線中的主要障礙與處理方法、流水線的實現(xiàn)與控制、流水線中的并行處理及非線性流水線的預約表控制方法,并給出了大量的流水線實例。第5章主要介紹了RISC指令集的實現(xiàn)原理、編碼方法、流水線等基本技術,并以刪處理器的RISC指令集為例介紹了RISC:指令集的實現(xiàn)方法。第6章主要介紹了并行處理的基本概念,介紹了多處理機的基本結(jié)構(gòu)、類型,多處理機中的并行處理技術、操作系統(tǒng)、算法、程序設計語言、Cache的一致性,以及并行處理技術;介紹了向量處理機的體系結(jié)構(gòu)與類型、向量處理方式、向量處理機實例及其性能分析,也介紹了互連網(wǎng)絡的作用、設計準則、類型、結(jié)構(gòu)、互連函數(shù),以及互連網(wǎng)絡中的消息傳遞方式;最后還介紹了典型的多處理機實例,主要有.MPP、SMP和機群系統(tǒng)。第7章主要介紹了分布式系統(tǒng)、集群計算機系統(tǒng)、網(wǎng)格技術的基本概念、結(jié)構(gòu)原理和實現(xiàn)策略等,詳細介紹了網(wǎng)格系統(tǒng)的3大模型和與Web服務的結(jié)合技術,以及與Internet的關聯(lián)技術。第8章主要介紹了脈動陣列機、數(shù)據(jù)流計算機、歸約機及人工智能計算機等非控制流計算機的基本原理、實現(xiàn)方式及體系結(jié)構(gòu),以及數(shù)據(jù)流圖的繪制方法等。

內(nèi)容概要

  《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》全面介紹了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本結(jié)構(gòu)、存儲系統(tǒng)、流水線技術、標量處理機、RISC技術和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多處理機系統(tǒng)及互連網(wǎng)絡和非控制流計算機等內(nèi)容。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機科學與技術專業(yè)的核心課程,主要研究計算機的外部屬性,即使用者所看到的物理計算機的抽象,以及計算機功能架構(gòu)屬性。本課程的目的是建立計算機系統(tǒng)的完整概念,學習計算機系統(tǒng)的分析方法和設計方法,掌握新型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理?!队嬎銠C系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》可作為計算機及相關專業(yè)的教材和工程技術人員的參考用書。

書籍目錄

出版說明前言第1章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導論1.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)1.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類1.3.1 按“流”分類1.3.2 按“并行級”和“流水線”分類1.3.3 按“最大并行度”分類1.4 計算機系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)1.4.1 計算機系統(tǒng)設計原則1.4.2 計算機系統(tǒng)的性能與價格1.4.3 計算機系統(tǒng)性能評測1.5 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變1.5.1 軟件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5.2 應用需求對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5.3 器件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5.4 算法對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.6 習題第2章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 中央處理器2.1.1 CPU的組成2.1.2 數(shù)據(jù)表示2.1.3 指令格式優(yōu)化2.1.4 尋址方式2.2 總線結(jié)構(gòu)2.2.1 總線的分類2.2.2 總線結(jié)構(gòu)的特點2.2.3 總線通信方式2.2.4 總線仲裁2.2.5 總線標準2.3 I/O系統(tǒng)2.3.1 I/0方式2.3.2 中斷系統(tǒng)2.4 通道處理機2.4.1 通道的作用和功能2.4.2 通道的工作過程2.4.3 通道的類型2.5 I/0處理機2.5.1 I/O處理機的作用2.5.2 I/O處理機的種類2.6 習題第3章 存儲系統(tǒng)3.1 存儲系統(tǒng)原理3.1.1 存儲系統(tǒng)的定義3.1.2 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)3.1.3 頻帶平衡3.1.4 存儲器并行訪問3.1.5 交叉訪問存儲器3.2 相聯(lián)存儲器3.3 高速緩沖存儲器3.3.1 Cache的基本概念3.3.2 Cache的組成與工作原理3.3.3 地址映像與變換3.3.4 Cache置換策略與主存更新方法3.3.5 Cache一致性問題3.3.6 Cache系統(tǒng)的加速比3.3.7 微機Cache系統(tǒng)3.4 虛擬存儲器3.4.1 存儲器管理方式3.4.2 虛擬存儲器的工作原理3.4.3 地址的映像與變換3.4.4 段式虛擬存儲器3.4.5 頁式虛擬存儲器3.4.6 段頁式虛擬存儲器3.4.7 加快內(nèi)部地址變換的方法3.4.8 頁面替換算法3.4.9 提高主存命中率的方法3.4.10 微機的虛擬存儲器3.5 存儲器保護技術3.6 習題第4章 流水線技術4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性概念4.1.1 并行性概念4.1.2 并行處理的發(fā)展4.2.流水線結(jié)構(gòu)原理4.2.1 一次重疊流水線4.2.2 流水技術原理4.2.3 流水線分類4.2.4 流水線性能的分析4.2.5 流水線中的主要障礙與控制4.2.6 非線性流水線調(diào)度4.3 向量處理技術4.3.1 向量的流水處理4.3.2 向量處理機4.4 指令級并行技術4.4.1 超標量處理機4.4.2 超長指令處理機4.4.3 超流水線處理機4.5 習題第5章 RISC結(jié)構(gòu)計算機5.1 RISC技術概述5.1.1 CISC的主要問題5.1.2 RISC的定義及特點5.2 大寄存器組5.2.1 寄存器窗口5.2.2 寄存器組與Cache5.3 RISC流水線技術5.3.1 規(guī)整指令的流水線技術5.3.2 流水線優(yōu)化5.4 RISC指令結(jié)構(gòu)5.5 刪處理器5.5.1 ARM32位CPIJ起源5.5.2 ARM寄存器結(jié)構(gòu)5.5.3 ARM指令系統(tǒng)5.5.4 ARM尋址方式5.6 習題第6章 多處理機系統(tǒng)6.1 多處理機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.1.1 緊耦合多處理機6.1.2 松耦合多處理機6.1.3 多處理機中Cnche的一致性6.2 并行多處理機技術6.2.1 程序并行性分析6.2.2 并行程序設計語言6.2.3 多處理機操作系統(tǒng)6.2.4 多處理機調(diào)度策略6.3 向量處理機6.3.1 向量處理的基本概念6.3.2 向量處理機的結(jié)構(gòu)6.3.3 向量處理機的性能評價6.4 互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)6.4.1 互連網(wǎng)絡分類6.4.2 單級互連網(wǎng)絡6.4.3 基本循環(huán)互連網(wǎng)絡和多級互連網(wǎng)絡6.4.4 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)6.5 多處理機實例6.5.1 大規(guī)模并行處理機6.5.2 sMP共享存儲型多處理機6.5.3 機群系統(tǒng)6.6 習題第7章 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.1 分布式系統(tǒng)7.1.1 分布式系統(tǒng)的特點7.1.2 分布式系統(tǒng)的目標7.1.3 分布式系統(tǒng)的優(yōu)缺點7.1.4 分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.2 集群計算機系統(tǒng)7.2.1 集群系統(tǒng)的特點7.2.2 集群系統(tǒng)的分類7.2.3 集群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.2.4 集群系統(tǒng)的構(gòu)建技術7.2.5 集群系統(tǒng)的軟件甲臺7.2.6 集群系統(tǒng)的任務調(diào)度方法7.2.7 集群系統(tǒng)的發(fā)展趨勢7.3 網(wǎng)格技術7.3.1 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)7.3.2 五層沙漏體系結(jié)構(gòu)7.3.3 開放網(wǎng)格服務體系結(jié)構(gòu)7.3.4 Web服務資源框架7.3.5 網(wǎng)格技術的發(fā)展趨勢7.4 習題……第8章 非控制流計算機結(jié)構(gòu)附錄 習題答案參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖:計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(ComputerArchitecture)的概念是Buchholz于1962年在描述M7030計算機的擴展性時首先提出的,主要指計算機的外貌,也稱外特性。1964年,IBM370的主設計師Amdahl給出了它的定義:計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是程序員所看到的計算機的基本屬性,即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。對于不同層次的程序員來說,由于使用的程序設計語言不同,可能看到的概念性結(jié)構(gòu)與功能特性就會有所不同。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指多級層次結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)機器級的結(jié)構(gòu),它是軟件和硬件/固件的主要交界面,是使編制的機器語言程序、匯編語言源程序,以及將高級語言源程序編譯生成的機器語言目標程序,能在機器上正確運行所應看到的計算機屬性。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與匯編語言程序或機器語言程序所能實現(xiàn)的功能,以及要用到的數(shù)據(jù)類型、尋址方式等密切相關。1.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機是一種包括機器硬件、指令系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、應用程序和用戶接口的集成系統(tǒng)?,F(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同的求解問題可能需要不同的計算機資源,這與求解問題的性質(zhì)有關。隨著軟件技術的發(fā)展,人們開始使用不同的高級語言編程,站在不同的語言層面上使用計算機。不同的語言層面即計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu),它是描述控制流程的,有一定規(guī)則的字符集合的“計算機語言”。計算機語言并不專屬軟件范疇,它可以分屬計算機系統(tǒng)的各個層次,分別對該層次的控制流程進行描述?;趯τ嬎銠C語言廣義的理解,可以把計算機系統(tǒng)看成是由多級“虛擬”計算機所組成的。從語言功能層次上劃分,計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中的每一層對應一種“機器”,為該層的操作者所使用。操作者通過該層的語言與“機器”對話或交互信息,而不必關心其內(nèi)層的結(jié)構(gòu)和工作過程,即計算機的透明性。

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