計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

內(nèi)容概要

　　《21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材·軟件工程：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》從系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用兩個方面講述現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)的概念、結(jié)構(gòu)、原理和關(guān)鍵技術(shù)，內(nèi)容組織上由淺入深、從簡單到高級，涵蓋了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展?！?1世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材·軟件工程：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》共12章，分為存儲系統(tǒng)、CPU系統(tǒng)和多機系統(tǒng)三大部分。內(nèi)容上按照單核系統(tǒng)、多核系統(tǒng)、多機系統(tǒng)展開，其中在多機系統(tǒng)中引入了網(wǎng)格計算和云計算?！　　?1世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材·軟件工程：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》針對軟件工程專業(yè)和計算機專業(yè)的研究生，特別強調(diào)了技術(shù)原理在項目和程序設(shè)計中的應(yīng)用，理論和實際緊密結(jié)合，非常適合作為研究生的教材使用。本書還可作為計算機專業(yè)高年級本科生、計算機工程師、軟件工程師的參考書。

書籍目錄

第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論 1.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 1.1.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 1.1.2計算機組成與計算機實現(xiàn) 1.2計算機的分類 1.3計算機系統(tǒng)設(shè)計與分析的量化原理 1.3.1程序訪問的局部性原理 1.3.2利用并行與優(yōu)化處理經(jīng)常性事件 1.3.3 Amdahl定律 1.3.4處理器的性能公式 1.3.5可靠性 1.4計算機系統(tǒng)的性能評測 1.4.1主要性能指標(biāo) 1.4.2計算機性能測試 1.4.3計算機性能測試實例 1.5計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢 1.5.1吞吐率相對于延時的發(fā)展趨勢 1.5.2集成電路的發(fā)展限制 1.5.3計算機發(fā)展的新方向 1.6本章總結(jié) 習(xí)題l 第2章Cache 2.1計算機存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 2.1.1存儲器概述 2.1.2存儲器的層次結(jié)構(gòu) 2.2 Cache系統(tǒng)的基本原理 2.2.1 Cache存儲系統(tǒng)的構(gòu)成與組織 2.2.2 Cache存儲系統(tǒng)的基本性能參數(shù) 2.2.3 Cache的基本工作原理 2.3 Cache設(shè)計的關(guān)鍵問題 2.3.1 Cache的容量與行大小 2.3.2映射機制 2.3.3替換算法 2.3.4單機系統(tǒng)的Cache寫策略 2.3.5 Cache數(shù)量選擇 2.4 Cache的性能分析 2.4.1未中率 2.4.2加速比 2.5 Cache的基本優(yōu)化方法 2.5.1增加行大小和容量，減少未中率 2.5.2增加關(guān)聯(lián)度減少未中率 2.5.3使用多級Cache減少未中損失 2.5.4讓讀未中的優(yōu)先級高于寫來減少未中損失 2.6 Cache的高級優(yōu)化設(shè)計 2.6.1 蹤跡Cache 2.6.2路預(yù)測技術(shù) 2.6.3流水Cache與非阻塞Cache 2.6.4關(guān)鍵字優(yōu)先和早重啟 2.6.5合并寫緩存 2.6.6預(yù)取技術(shù) 2.6.7犧牲Cache和偽關(guān)聯(lián)Cache 2.7 Cache的應(yīng)用問題 2.7.1循環(huán)交換與循環(huán)融合 2.7.2數(shù)組合并與矩陣分塊 2.8 Pentium 4與ARM中Cache的組織 2.8.1 Pentium中Cache的組織 2.8.2 ARM中的Cache組織 2.9本章總結(jié) 習(xí)題2 第3章 內(nèi)部存儲器與外部存儲器 3.1半導(dǎo)體存儲器 3.1.1 ROM  3.1.2 RAM  3.2內(nèi)部存儲器芯片的組織 3.2.1芯片的組織 3.2.2存儲模塊的組織 3.3高級內(nèi)存的組織 3.3.1 SDRAM 3.3.2 RDRAM 3.3.3 DDR SDRAM 3.4高性能存儲器 3.4.1多體交叉主存 3.4.2并行訪問主存 3.4.3關(guān)聯(lián)存儲器 3.5磁盤 3.5.1磁盤的讀寫與數(shù)據(jù)組織 3.5.2磁盤的物理特性 3.5.3磁盤的性能參數(shù) 3.6 RAID 3.6.1 RAID0和RAIDl  3.6.2 RAID2和RAID3  3.6.3 RAID4和RAID5  3.6.4 RAID6 3.6.5組合式RAID 3.7 RAID7與網(wǎng)絡(luò)化存儲 3.7.1 RAID7 3.7.2基于網(wǎng)絡(luò)的并行存儲 3.8磁帶 3.8.1磁帶的數(shù)據(jù)記錄方式 3.8.2磁帶的數(shù)據(jù)組織 3.9光學(xué)存儲器 3.9.1 CD和CD-ROM  3.9.2 刻錄CD、重寫CD和DVD 3.9.3集成光盤設(shè)備 3.10本章總結(jié) 習(xí)題3 第4章I／O系統(tǒng) 4.1 中斷 4.1.1中斷源的組織 4.1.2中斷處理 4.1.3中斷源識別  4.1.4中斷現(xiàn)場的保存與恢復(fù) 4.2 I／O系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu) 4.2.1 I／O模塊的功能 4.2.2 I／O模塊的結(jié)構(gòu) 4.3基本I／O方式 4.3.1可編程式I／O 4.3.2中斷驅(qū)動式I／O  4.3.3 DMA 4.4高級I／O方式 4.4.1 I／O通道 4.4.2 I／O處理機 4.5高性能I／O接口 4.5.1 SCSI 4.5.2 FireWire  4.5.3 InfiniBand 4.6本章總結(jié) 習(xí)題4 第5章虛擬內(nèi)存 5.1虛擬內(nèi)存的組成 5.1.1虛擬內(nèi)存的組成 5.1.2 Cache系統(tǒng)與虛擬內(nèi)存的比較 5.2虛擬地址Cache 5.3虛擬內(nèi)存基礎(chǔ)--進(jìn)程調(diào)度與交換 5.3.1進(jìn)程調(diào)度 5.3.2交換 5.4分頁式虛擬內(nèi)存 5.4.1分頁機制 5.4.2地址變換 5.4.3頁表的結(jié)構(gòu) 5.4.4快速頁表查詢方法 5.4.5分頁機制的優(yōu)缺點 5.5分段式虛擬內(nèi)存 5.5.1分段機制 5.5.2分段式虛擬內(nèi)存的優(yōu)點和缺點 5.5.3分段與分頁的比較 5.6段頁式虛擬內(nèi)存 5.7頁替換與分配算法 …… 第6章指令系統(tǒng) 第7章CPU的流水線技術(shù) 第8章RISC與嵌入式架構(gòu) 第9章超標(biāo)量與VLIW架構(gòu) 第10章 多核架構(gòu)與多核程序設(shè)計 第11章 多處理器系統(tǒng) 第12章云計算 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   10.2.2  SMT架構(gòu) SMT是由傳統(tǒng)的多線程架構(gòu)演化而來的，使用多發(fā)出、動態(tài)調(diào)度的處理器資源開發(fā)線程級的并行，同時又具有指令級并行的能力。驅(qū)動SMT的關(guān)鍵原因是，現(xiàn)代多發(fā)出處理器一般擁有的功能部件并行度，要多于單線程實際上能使用的并行度。換句話說，現(xiàn)代CPU對于單線程應(yīng)用經(jīng)常會處于“饑餓”狀態(tài)。此外，有了寄存器重命名和動態(tài)調(diào)度，來自無關(guān)線程的多條指令可以同時發(fā)出，不用考慮指令間的依賴關(guān)系；指令間依賴的消解可由動態(tài)調(diào)度部件來完成。圖10-5從概念上說明了無多線程支持的超標(biāo)量處理器、粗粒度多線程超標(biāo)量處理器、細(xì)粒度多線程超標(biāo)量處理器、SMT超標(biāo)量處理器能力的差別。 在普通的超標(biāo)量處理器中，多條流水線的使用受限于ILP的不足，主要停滯（如Cache未中）會令整個處理器空閑；在細(xì)粒度的多線程架構(gòu)中，線程的交錯執(zhí)行完全消除了空周期。由于在一個時鐘周期內(nèi)，只能有一個線程發(fā)出指令，ILP是不充分的。在各自時鐘周期內(nèi)，這種ILP的不充分會導(dǎo)致不少空閑槽的出現(xiàn)；在粗粒度的多線程超標(biāo)量處理器中，長停滯發(fā)生時，可切換另一線程來使用CPU資源，從而部分地隱藏長停滯。盡管這減少了整個空閑周期數(shù)，但在每個時鐘周期內(nèi)，由于ILP的限制，仍會出現(xiàn)空閑槽。另外，由于出現(xiàn)停滯時才切換線程，新線程有一個啟動期，在啟動期內(nèi)往往會有完全空閑的周期存在（圖中未給出）。 在SMT架構(gòu)中，同時利用了TLP和ILP，一個周期內(nèi)多個線程使用功能部件。理想情況下，功能部件的使用率僅受限于資源需求的不均衡以及資源對于多個線程的可用性。實踐當(dāng)中，其他因素也會影響功能部件的利用率，這些因素包括多少個活動線程、有限的緩存、從多個線程充分取指能力、從一個線程和多個線程各調(diào)度多少條指令等。盡管圖10-5大大簡化了處理器的實際操作，但確實可以說明多線程架構(gòu)、尤其是SMT架構(gòu)潛在的性能優(yōu)勢。 SMT使用的許多硬件機制是動態(tài)調(diào)度處理器已經(jīng)擁有的，另外需要大量的虛擬寄存器存放各自線程的狀態(tài)。由于寄存器重命名提供了唯一的寄存器識別符，來自不同線程的指令在數(shù)據(jù)路徑上可以混合，不會將這個線程的源、目的寄存器和那個線程的混淆。因此，SMT架構(gòu)是在亂序處理器的基礎(chǔ)上，引入了一個每線程重命名表（Per-thread RenamingTable）、保持每線程一個獨立的PC、增加了多個線程指令遞交的功能。指令遞交的處理比較困難，因為來自獨立線程的指令能夠獨立遞交。獨立線程指令的獨立遞交，可通過邏輯上為每個線程保存一個獨立的ROB實現(xiàn)。

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