计算机体系结构教程
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本书论述比较成熟的现代计算机体系结构的基本概念、基本原理和基本分析方法，并特别强调采用量化评测的分析技术和方法。本书共8章，主要内容包括计算机体系结构的基本概念、指令系统、流水线技术、指令级并行、存储层次、输入输出系统、多处理机、集群计算机。本书语言简练，深入浅出，通俗易懂，适合作为高等学校计算机科学与技术学科各专业以及自动化、电子工程等相关专业本科生、研究生的教材，也可作为计算机领域工程技术人员的参考书。
本书由获首届全国优秀教材建设奖一等奖作者团队倾力写作！本书是国家101计划计算机领域核心课教材！是国家精品课程计算机体系结构的指定教材，同时也是高等学校计算机专业本科生及研究生计算机体系结构课程的通用教材。本书重点论述了现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等，同时借鉴了国际上公认的计算机系统结构高水平教材。 计算机体系结构强调从总体结构、系统分析的角度来研究计算机系统，因此本书特别强调从系统层次上学习和了解计算机。通过本书的学习，读者能把在计算机组成原理、数据结构、操作系统、汇编语言程序设计等课程中所学的软件、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。 本书除了着重论述体系结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以外，还特别强调了采用量化的分析方法。这种方法能更具体、实际地分析和设计计算机体系结构。书中用了大量的例题说明如何进行量化分析。在本书中，体系结构的概念用于描述计算机系统设计的技术、方法和理论。主要包括计算机指令系统、计算机组成和计算机硬件实现三个方面。涵盖了处理器和多处理器、存储器、输入输出系统、互连与通信等计算机系统设计的主要内容，同时还涉及性能评价、编译和操作系统技术。
本书是国家一流课程计算机体系结构的指定教材，同时也是高等学校计算机专业本科生及研究生计算机体系结构课程的通用教材。本书重点论述了现代大多数计算机采用的比较成熟的思想、结构和方法等，同时借鉴了国际上公认的计算机系统结构高水平教材。计算机体系结构强调从总体结构、系统分析的角度研究计算机系统，因此本书特别强调从系统层次上学习和了解计算机。通过本书的学习，读者能把前期学习的数理知识和在计算机组成原理数据结构操作系统编译原理汇编语言程序设计等课程中所学的软件、硬件知识融合起来，从而建立计算机系统的完整概念，并进行计算机系统设计和分析方法的训练。计算机体系结构的概念用于描述计算机系统设计的技术、方法和理论，涵盖计算机指令系统、计算机组成和计算机硬件实现3方面。本书涵盖处理器、多处理机、多计算机、存储器、输入输出系统、互连与通信等计算机系统设计的主要内容，同时还涉及性能评价、编译和操作系统技术。本书除了完整论述体系结构的知识，还包含计算机系统研究和设计的技术方法，特别是基于性能评测的量化分析技术，这部分是现代计算机体系结构设计科学化的核心之一，书中使用了大量量化分析的实例。本书可读性好，语言简练，深入浅出，通俗易懂。全书共8章。第1章论述计算机体系结构的基本概念以及体系结构和并行性概念的发展，讨论影响计算机系统设计的成本与价格因素，并介绍性能评测的技术方法，对系统可靠性的概念进行了讨论。第2章论述计算机指令系统设计中的基础问题，包括指令系统的分类、寻址方式、指令系统的设计和优化、操作数的类型和大小、RISCⅤ指令系统，对编译器和体系结构的关系进行初步讨论。第3章论述流水线的基本概念和性能分析、典型流水线的结构设计和改进、流水线中的依赖关系问题和提高性能的基本技术，并对向量处理机的结构、特点、关键技术及性能评价方法进行讨论。第4章讨论指令级并行，论述利用软件、硬件技术开发程序中存在的指令间并行性的技术和方法，包括指令的静态和动态调度、分支处理技术、超标量技术和超长指令字技术等，本次修订增加了软件流水的内容。第5章讨论存储层次，论述Cache的基本知识、降低Cache失效率的方法、减少Cache失效开销的方法以及减少命中时间的方法，并对主存的结构和组织以及虚拟存储器的设计进行深入讨论。第6章讨论输入输出系统，论述外部存储设备、I/O系统性能分析与评测、廉价磁盘冗余阵列RAID、I/O设备与CPU和存储器的连接。第7章讨论多处理机，论述了多处理机的存储器体系结构、互连网络（包括片上网络）、同步机制以及同时多线程技术，并讨论了多处理机实例。第8章讨论集群计算机，讲述集群的结构、软件模型以及集群的分类，并介绍了典型的集群系统。如果课时不多于60学时，本书的第4章和第8章的内容作为高级并行处理技术在本科学习中可以略过，对课程内容学习的完整性影响不大。同时，对于侧重系统设计的本科专业，建议将课堂教学课时安排为60小时以上，可以考虑将这两章纳入教学内容。在国防科技大学计算机专业本科80学时的计划中，并没有将第4章和第8章的内容系统化地纳入，而是将相关内容进一步扩展后安排在研究生的高级计算机体系结构课程中学习和研究。本书分工如下: 张春元编写了第1章、第4章和第3章的部分内容，王志英编写了第7章，沈立编写了第2章、第8章和第3章的部分内容，肖晓强编写了第6章，马胜编写了第5章。感谢王琼对全书的习题和编排做出的贡献。本书每章后均有习题，供学习过程中进行基础性、知识性训练。计算机体系结构课程是计算机大类专业的高阶课程，在教学中，除了完成专业性知识学习和习题以外，还可以从问题出发，研讨计算机体系结构技术的产生和发展。如果有条件，可以结合当前计算机体系结构的前沿和热点开展专题研讨，以提升课程的高阶性和吸引力。本书配套资源包括习题、实验、大作业等内容，作者为本次修订更新了教学PPT，录制了核心内容的视频。无论是高校教师还是本科生或者研究生，均可从中找到适合的内容。
作者2025年3月
张春元，国防科技大学计算机学院教授、博导，国家计算机类专业工程教育专业认证专家组副秘书长，军队计算机专业教学联席会主任委员。享有国务院颁发的政府特殊津贴。长期从事计算机体系结构、计算机应用等科研和教学工作。主持国家重点研发几乎按项目、国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家863高技术研究项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目及企业合作等20多项，发表科研论文100余篇，出版学术专著2部，已获授权专列10项。主讲过10多门本科生和研究生课程，是国家精品课程计算机体系结构主讲人之一、军队优质课程和湖南省一流线下课程计算机体系结构负责人。撰写教材3种，其中《计算机体系结构》获得2021年全国首届优秀教材奖一等奖、2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖，发表教学论文10余篇，主编出版有《学位与研究生教育信息管理实践与探索》。获得国家科技进步二等奖1次，省部级科技进步奖多次，国家教学成果二等奖2次，省部级教学成果奖多次。
第1章计算机体系结构概述11.1计算机体系结构的概念11.1.1存储程序计算机31.1.2计算机体系结构、组成和实现51.1.3计算机系统中的层次概念81.1.4系列机和兼容101.2计算机体系结构的发展121.2.1计算机分代、分型与分类131.2.2软件的发展141.2.3应用的发展161.2.4相关核心技术产品的发展171.2.5计算机体系结构的发展201.2.6并行处理技术的发展221.2.7体系结构技术的挑战281.3计算机系统设计和分析311.3.1成本和价格311.3.2性能评测的技术方法341.3.3基准测试程序361.3.4量化设计的基本原则391.4基本的可靠性模型431.4.1可靠性的基本概念431.4.2多部件系统的可靠性451.5小结48习题148第2章指令系统512.1指令系统的分类512.2寻址方式532.3指令系统的设计和优化562.3.1指令系统设计的基本原则562.3.2控制指令572.3.3指令操作码的优化582.4指令系统的发展和改进592.4.1沿CISC方向发展和改进指令系统592.4.2沿RISC方向发展和改进指令系统612.5操作数的类型和大小632.6RISCⅤ指令系统642.6.1RISCⅤ的寄存器652.6.2RISCⅤ的数据类型652.6.3RISCⅤ的数据寻址方式662.6.4RISCⅤ的指令格式662.6.5RISCⅤ的操作672.6.6RISCⅤ的控制指令682.6.7RISCⅤ的浮点操作692.7小结70习题271第3章流水线技术733.1流水线概述733.1.1流水线的基本概念733.1.2流水线的分类753.2RISCⅤ基本流水线783.2.1RISCⅤ的一种简单实现783.2.2基本RISCⅤ流水线823.2.3流水线性能分析853.3流水线中的依赖903.3.1流水线的结构依赖913.3.2流水线的数据依赖933.3.3流水线的控制依赖1023.4流水线计算机实例分析1093.4.1MIPS R4000的整型流水线1093.4.2MIPS R4000的浮点流水线1113.4.3MIPS R4000流水线的性能分析1123.5向量处理机1133.5.1向量处理方式和向量处理机1133.5.2向量处理机实例分析1163.6小结118习题3119第4章指令级并行性1214.1指令级并行性的概念1214.1.1循环展开调度的基本方法1224.1.2依赖关系1274.2指令的动态调度1314.2.1动态调度的原理1324.2.2动态调度算法之一: 记分牌1334.2.3动态调度算法之二: Tomasulo算法1404.3控制依赖的动态解决技术1504.3.1分支预测缓冲1514.3.2分支目标缓冲1544.3.3前瞻执行的硬件实现1564.4多指令流出技术1604.4.1静态超标量技术1614.4.2动态多指令流出技术1634.4.3超长指令字技术1654.4.4多指令流出处理器受到的限制1674.5软件流水1684.6小结171习题4172第5章存储层次1755.1存储器的层次结构1755.1.1多级存储层次1755.1.2存储层次的性能指标1775.1.3两种存储层次关系1775.1.4存储层次的4个关键问题1785.2Cache基本知识1785.2.1映射规则1785.2.2查找方法1805.2.3替换算法1825.2.4写策略1835.2.5Cache结构1845.2.6Cache性能分析1875.2.7改进Cache性能1905.3降低Cache失效率的方法1905.3.1调节Cache块大小1925.3.2提高相联度1945.3.3牺牲Cache1955.3.4硬件预取1965.3.5编译器控制的预取1975.3.6编译器优化1995.4减少Cache失效开销的方法2035.4.1写缓冲及写合并2035.4.2让读失效优先于写2045.4.3请求字处理2045.4.4多级Cache2055.4.5非阻塞Cache2085.5减少Cache命中时间的方法2105.5.1容量小、结构简单的Cache2105.5.2虚拟Cache2115.5.3访问流水化2135.5.4多体Cache2135.5.5路预测2135.5.6踪迹Cache2145.5.7Cache优化技术总结2145.6主存2155.6.1存储器组织技术2155.6.2存储器芯片技术2195.7虚拟存储器2275.7.1虚拟存储器基本原理2275.7.2快表2295.7.3虚存和Cache关系的例子2305.8虚存保护和虚存实例2315.8.1进程保护技术2315.8.2页式虚存举例: 64位Opteron2325.8.3虚拟机保护2345.9综合例子2395.9.1AMD Opteron存储层次2395.9.2Intel Core i7 6700存储层次2415.10小结245习题5246第6章输入输出系统2496.1引言2496.1.1I/O处理对计算机总体性能的影响2496.1.2I/O系统的可靠性2506.2外部存储设备2516.2.1磁盘设备2516.2.2Flash存储器与固态硬盘2556.2.3磁带设备2566.2.4光盘设备2586.3I/O系统性能分析与评测2606.3.1I/O性能与系统响应时间2606.3.2Little定律2626.3.3M/M/1排队系统2636.3.4M/M/m排队系统2646.3.5I/O基准测试程序2656.4I/O系统的可靠性、可用性和可信性2676.5廉价磁盘冗余阵列2696.5.1RAID02716.5.2RAID12726.5.3RAID22736.5.4RAID32746.5.5RAID42756.5.6RAID52766.5.7RAID62776.5.8RAID的实现与发展2786.6I/O设备与CPU、存储器的连接总线2796.6.1总线设计应考虑的因素2796.6.2总线标准和实例2816.6.3设备的总线连接2826.7通道2836.7.1通道的功能2846.7.2通道的工作过程2846.7.3通道的种类2866.8I/O与操作系统2866.8.1DMA和虚拟存储器2876.8.2I/O和Cache数据一致性2876.8.3异步I/O2896.8.4文件信息的维护2896.9小结289习题6290第7章多处理机2937.1引言2937.1.1并行计算机体系结构的分类2937.1.2通信模型和存储器的结构模型2957.1.3并行处理面临的挑战2977.2集中式共享存储器体系结构2997.2.1多处理机Cache一致性2997.2.2实现一致性的基本方案3007.2.3监听协议及其实现3027.3分布式共享存储器体系结构3037.3.1基于目录的Cache一致性3047.3.2目录协议及其实现3067.4互连网络3077.4.1互连网络的性能参数3077.4.2静态互连网络3107.4.3动态连接网络3137.4.4片上网络3177.5同步3207.5.1基本硬件原语3207.5.2用一致性实现锁3217.5.3同步性能问题3237.5.4大规模计算机的同步3257.6同时多线程3287.6.1将线程级并行转换为指令级并行3297.6.2同时多线程处理器的设计3307.6.3同时多线程的性能3317.7并行处理器的性能评测3337.8多处理机实例3347.8.1多核处理器及性能对比3347.8.2实例: Origin 20003397.9小结340习题7341第8章集群计算机3438.1集群的基本概念和结构3438.1.1集群的基本结构3438.1.2集群的软件模型3448.2集群的特点3468.3集群的分类3468.4典型集群系统简介3488.4.1Berkeley NOW3488.4.2Beowulf3488.4.3LAMP3498.4.4IBM SP23498.4.5天河二号3518.5小结355习题8355参考文献356
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