计算机体系结构教程_张春元、王志英、沈立、肖晓强、马胜_9787302689270

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、RISCⅤ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

第1章计算机体系结构概述1
1.1计算机体系结构的概念1
1.1.1存储程序计算机3
1.1.2计算机体系结构、组成和实现5
1.1.3计算机系统中的层次概念8
1.1.4系列机和兼容10
1.2计算机体系结构的发展12
1.2.1计算机分代、分型与分类13
1.2.2软件的发展14
1.2.3应用的发展16
1.2.4相关核心技术产品的发展17
1.2.5计算机体系结构的发展20
1.2.6并行处理技术的发展22
1.2.7体系结构技术的挑战28
1.3计算机系统设计和分析31
1.3.1成本和价格31
1.3.2性能评测的技术方法34
1.3.3基准测试程序36
1.3.4量化设计的基本原则39
1.4基本的可靠性模型43
1.4.1可靠性的基本概念43
1.4.2多部件系统的可靠性45
1.5小结48
习题148
第2章指令系统51
2.1指令系统的分类51
2.2寻址方式53
2.3指令系统的设计和优化56
2.3.1指令系统设计的基本原则56
2.3.2控制指令57
2.3.3指令操作码的优化58
2.4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59
2.4.2沿RISC方向发展和改进指令系统61
2.5操作数的类型和大小63
2.6RISCⅤ指令系统64
2.6.1RISCⅤ的寄存器65
2.6.2RISCⅤ的数据类型65
2.6.3RISCⅤ的数据寻址方式66
2.6.4RISCⅤ的指令格式66
2.6.5RISCⅤ的操作67
2.6.6RISCⅤ的控制指令68
2.6.7RISCⅤ的浮点操作69
2.7小结70
习题271
第3章流水线技术73
3.1流水线概述73
3.1.1流水线的基本概念73
3.1.2流水线的分类75
3.2RISCⅤ基本流水线78
3.2.1RISCⅤ的一种简单实现78
3.2.2基本RISCⅤ流水线82
3.2.3流水线性能分析85
3.3流水线中的依赖90
3.3.1流水线的结构依赖91
3.3.2流水线的数据依赖93
3.3.3流水线的控制依赖102
3.4流水线计算机实例分析109
3.4.1MIPS R4000的整型流水线109
3.4.2MIPS R4000的浮点流水线111
3.4.3MIPS R4000流水线的性能分析112
3.5向量处理机113
3.5.1向量处理方式和向量处理机113
3.5.2向量处理机实例分析116
3.6小结118
习题3119
第4章指令级并行性121
4.1指令级并行性的概念121
4.1.1循环展开调度的基本方法122
4.1.2依赖关系127
4.2指令的动态调度131
4.2.1动态调度的原理132
4.2.2动态调度算法之一: 记分牌133
4.2.3动态调度算法之二: Tomasulo算法140
4.3控制依赖的动态解决技术150
4.3.1分支预测缓冲151
4.3.2分支目标缓冲154
4.3.3前瞻执行的硬件实现156
4.4多指令流出技术160
4.4.1静态超标量技术161
4.4.2动态多指令流出技术163
4.4.3超长指令字技术165
4.4.4多指令流出处理器受到的限制167
4.5软件流水168
4.6小结171
习题4172
第5章存储层次175
5.1存储器的层次结构175
5.1.1多级存储层次175
5.1.2存储层次的性能指标177
5.1.3两种存储层次关系177
5.1.4存储层次的4个关键问题178
5.2Cache基本知识178
5.2.1映射规则178
5.2.2查找方法180
5.2.3替换算法182
5.2.4写策略183
5.2.5Cache结构184
5.2.6Cache性能分析187
5.2.7改进Cache性能190
5.3降低Cache失效率的方法190
5.3.1调节Cache块大小192
5.3.2提高相联度194
5.3.3牺牲Cache195
5.3.4硬件预取196
5.3.5编译器控制的预取197
5.3.6编译器优化199
5.4减少Cache失效开销的方法203
5.4.1写缓冲及写合并203
5.4.2让读失效优先于写204
5.4.3请求字处理204
5.4.4多级Cache205
5.4.5非阻塞Cache208
5.5减少Cache命中时间的方法210
5.5.1容量小、结构简单的Cache210
5.5.2虚拟Cache211
5.5.3访问流水化213
5.5.4多体Cache213
5.5.5路预测213
5.5.6踪迹Cache214
5.5.7Cache优化技术总结214
5.6主存215
5.6.1存储器组织技术215
5.6.2存储器芯片技术219
5.7虚拟存储器227
5.7.1虚拟存储器基本原理227
5.7.2快表229
5.7.3虚存和Cache关系的例子230
5.8虚存保护和虚存实例231
5.8.1进程保护技术231
5.8.2页式虚存举例: 64位Opteron232
5.8.3虚拟机保护234
5.9综合例子239
5.9.1AMD Opteron存储层次239
5.9.2Intel Core i7 6700存储层次241
5.10小结245
习题5246
第6章输入输出系统249
6.1引言249
6.1.1I/O处理对计算机总体性能的影响249
6.1.2I/O系统的可靠性250
6.2外部存储设备251
6.2.1磁盘设备251
6.2.2Flash存储器与固态硬盘255
6.2.3磁带设备256
6.2.4光盘设备258
6.3I/O系统性能分析与评测260
6.3.1I/O性能与系统响应时间260
6.3.2Little定律262
6.3.3M/M/1排队系统263
6.3.4M/M/m排队系统264
6.3.5I/O基准测试程序265
6.4I/O系统的可靠性、可用性和可信性267
6.5廉价磁盘冗余阵列269
6.5.1RAID0271
6.5.2RAID1272
6.5.3RAID2273
6.5.4RAID3274
6.5.5RAID4275
6.5.6RAID5276
6.5.7RAID6277
6.5.8RAID的实现与发展278
6.6I/O设备与CPU、存储器的连接总线279
6.6.1总线设计应考虑的因素279
6.6.2总线标准和实例281
6.6.3设备的总线连接282
6.7通道283
6.7.1通道的功能284
6.7.2通道的工作过程284
6.7.3通道的种类286
6.8I/O与操作系统286
6.8.1DMA和虚拟存储器287
6.8.2I/O和Cache数据一致性287
6.8.3异步I/O289
6.8.4文件信息的维护289
6.9小结289
习题6290
第7章多处理机293
7.1引言293
7.1.1并行计算机体系结构的分类293
7.1.2通信模型和存储器的结构模型295
7.1.3并行处理面临的挑战297
7.2集中式共享存储器体系结构299
7.2.1多处理机Cache一致性299
7.2.2实现一致性的基本方案300
7.2.3监听协议及其实现302
7.3分布式共享存储器体系结构303
7.3.1基于目录的Cache一致性304
7.3.2目录协议及其实现306
7.4互连网络307
7.4.1互连网络的性能参数307
7.4.2静态互连网络310
7.4.3动态连接网络313
7.4.4片上网络317
7.5同步320
7.5.1基本硬件原语320
7.5.2用一致性实现锁321
7.5.3同步性能问题323
7.5.4大规模计算机的同步325
7.6同时多线程328
7.6.1将线程级并行转换为指令级并行329
7.6.2同时多线程处理器的设计330
7.6.3同时多线程的性能331
7.7并行处理器的性能评测333
7.8多处理机实例334
7.8.1多核处理器及性能对比334
7.8.2实例: Origin 2000339
7.9小结340
习题7341
第8章集群计算机343
8.1集群的基本概念和结构343
8.1.1集群的基本结构343
8.1.2集群的软件模型344
8.2集群的特点346
8.3集群的分类346
8.4典型集群系统简介348
8.4.1Berkeley NOW348
8.4.2Beowulf348
8.4.3LAMP349
8.4.4IBM SP2349
8.4.5天河二号351
8.5小结355
习题8355
参考文献356

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