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第1章 概述1

1.1 计算机系统结构的概念1

1.1.1 计算机系统的层次结构1

1.1.2 计算机系统结构、组成与实现4

1.2 计算机系统结构的发展7

1.2.1 冯·诺依曼计算机8

1.2.2 存储程序计算机系统结构的发展过程8

1.2.3 非冯·诺依曼结构计算机10

1.3 并行性与并行计算机11

1.3.1 并行性概念11

1.3.2 提高并行性的技术途径11

1.3.3 并行计算机简介12

1.4 计算机系统的分类16

1.4.1 Flynn分类法16

1.4.2 应用分类17

1.5 计算机系统设计的主要任务与量化原则19

1.5.1 计算机系统设计者的主要任务19

1.5.2 计算机系统设计的量化原则21

1.6 计算机系统的性能评测24

1.6.1 计算机性能评估25

1.6.2 计算机性能的测试26

1.6.3 计算机性能测试结果的统计和比较30

习题32

第2章 指令系统35

2.1 数据表示35

2.1.1 浮点数表示36

2.1.2 自定义数据表示40

2.2 寻址技术41

2.2.1 编址方式42

2.2.2 寻址方式43

2.2.3 程序在主存中的定位方法46

2.3 指令格式的设计和优化47

2.3.1 指令操作码的优化47

2.3.2 地址码的优化表示51

2.3.3 指令格式设计实例53

2.4 指令系统的改进56

2.4.1 RISC与CISC的概述56

2.4.2 RISC指令系统实例59

习题67

第3章 流水线技术69

3.1 流水线概述69

3.1.1 流水线的基本概念69

3.1.2 流水线的分类73

3.1.3 流水线的特点76

3.2 流水线的时空图及性能分析77

3.2.1 流水线的时空图77

3.2.2 流水线的性能分析78

3.3 流水线中的相关83

3.3.1 什么是流水线相关83

3 3.2 流水线中的结构相关（资源相关）84

3.3.3 流水线中的数据相关86

3.3.4 流水线的控制相关87

3.4 MIPS R4000流水线计算机89

3.4.1 MIPS R4000流水线计算机基本结构和工作原理89

3.4.2 MIPS R4000流水线92

3.5 向量处理机94

3 5.1 向量处理的基本概念94

3 5.2 向量处理机的结构97

3.5.3 向量指令的执行过程及简单性能计算98

3.5 4 向量的链接技术100

3.5.5 提高向量处理机的方法103

3.5.6 向量处理机的性能评价105

习题108

第4章 指令级并行及限制111

4.1 指令级并行概述111

4.1.1 指令级并行的基本概念111

4.1.2 相关性对指令级并行的影响112

4.1.3 支持指令级并行的基本编译技术115

4.2 指令的动态调度118

4.2.1 动态调度的原理119

4.2.2 记分牌动态调度算法119

4 2.3 Tomasulo动态调度算法126

4.3 转移预测技术135

4.3.1 静态转移预测135

4.3.2 动态转移预测137

4.4 多发射技术142

4 4.1 超标量技术142

4.4.2 多发射的动态调度145

4.4.3 超长指令字技术151

4.5 指令级并行的支持与限制152

4.5.1 窗口大小和最大发射数目对理想处理机的限制153

4.5.2 实际分支和分支预测的影响对理想处理机的限制156

4.5.3 有限数目寄存器的影响158

4.5.4 非完美别名分析造成的影响159

4.6 Intel Pentium 4实例分析161

4.6.1 Pentium Ⅲ和Pentium 4结构的简单比较161

4.6.2 Pentium Ⅲ和Pentium 4性能的简单比较162

习题163

第5章 存储系统165

5.1 存储系统简介165

5.1.1 存储系统的层次结构165

5.1.2 存储系统的性能参数166

5.2 高速缓冲存储器（Cache）168

5.2.1 Cache的工作原理169

5.2.2 地址映像与变换方法170

5.2.3 Cache替换算法及实现174

5.2.4 Cache的一致性问题178

5.2.5 Cache的性能分析179

5.3 Cache性能的优化181

5.3.1 降低Cache失效率的方法181

5.3.2 减少Cache失效开销183

5.3.3 减少命中时间184

5.4 主存储器及性能优化185

5.4.1 主存储器185

5.4.2 性能优化185

5.5 虚拟存储器187

5.5.1 工作原理187

5.5.2 地址映像与变换192

5.5.3 内部地址变换优化193

5.5.4 页面替换算法及实现195

5.5.5 提高主存命中率的方法198

5.6 进程保护和虚拟存储器实例199

5.6.1 进程保护200

5.6.2 Alpha 21064存储管理201

5.7 Alpha 21264存储层次结构203

习题206

第6章 输入／输出系统208

6.1 输入／输出系统概述208

6.1.1 输入／输出系统的特点208

6.1.2 基本的输入／输出方式210

6.2 总线211

6.2.1 总线概述211

6.2.2 总线的连接方式212

6.3 通道处理机213

6.3.1 通道的功能213

6.3.2 通道的工作过程214

6.3.3 通道的种类215

6.3.4 通道中的数据传送过程217

6.3.5 通道流量分析218

6.4 外围处理机220

6.4.1 输入／输出处理机的作用220

6.4.2 输入／输出处理机的种类和组织形式221

6.4.3 输入／输出处理机实例221

6.5 I/O系统性能评测222

6.5.1 I/O系统的可靠性、可用性和可信性222

6.5.2 I/O子系统性能衡量223

6.5.3 I/O子系统的设计224

6.5.4 并行I/O基本原理225

6.5.5 排队论简介226

6.6 磁盘冗余阵列228

6.6.1 RAID概述228

6.6.2 RAID系统分级228

习题234

第7章 多处理机系统237

7.1 多处理机系统结构237

7.1.1 多处理机系统的硬件结构237

7.1.2 多处理机系统的存储器组织形式239

7.1.3 多处理机系统的操作系统241

7.1.4 多核处理机243

7.2 多处理机的互联网络244

7.2.1 互联网络的基本概念244

7.2.2 互联网络的特性245

7.2.3 互联网络的类型246

7.3 多处理机系统的系统控制250

7.3.1 多处理机系统的调度250

7.3.2 多处理机系统的进程通信252

7.4 并行处理语言及算法254

7.4.1 并行处理遇到的挑战254

7.4.2 并行编程模型255

7.4.3 并行语言256

7.4.4 并行算法257

7.5 多处理机的性能260

7.5.1 任务粒度260

7.5.2 基本模型260

7.5.3 通信开销线性增加的模型262

7.5.4 完全重叠通信的模型262

7.5.5 具有多条通信链的模型262

7.6 多处理机系统实例263

7.6.1 CRAY T3E系统263

7.6.2 SGI Origin 2000系列服务器264

习题266

第8章 多计算机系统267

8.1 集群计算机系统267

8.1.1 集群系统的基本概念和结构267

8.1.2 集群系统的特点268

8.1.3 集群系统的通信技术269

8.1.4 集群系统资源管理和调度271

8.1.5 集群系统并行程序设计环境272

8.2 典型集群系统实例273

8.3 MPP系统276

8.3.1 MPP系统机构276

8.3.2 基于MPP的并行计算机系统277

8.3.3 集群系统与MPP系统278

8.4 网格技术278

8.4.1 网格基础279

8.4.2 网格技术概念279

8.4.3 网格体系结构280

8.5 网格实例283

习题285

参考文献287