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第1章 计算机系统结构概论1

1.1 计算机系统结构的基本概念2

1.1.1 计算机系统结构的定义2

1.1.2 计算机组成与计算机实现2

1.2 计算机的分类3

1.3 计算机系统设计与分析的量化原理4

1.3.1 程序访问的局部性原理4

1.3.2 利用并行与优化处理经常性事件5

1.3.3 Amdahl定律5

1.3.4 处理器的性能公式7

1.3.5 可靠性9

1.4 计算机系统的性能评测10

1.4.1 主要性能指标11

1.4.2 计算机性能测试12

1.4.3 计算机性能测试实例16

1.5 计算机技术的发展趋势19

1.5.1 吞吐率相对于延时的发展趋势19

1.5.2 集成电路的发展限制20

1.5.3 计算机发展的新方向22

1.6 本章总结26

习题126

第2章 Cache30

2.1 计算机存储系统的层次结构30

2.1.1 存储器概述30

2.1.2 存储器的层次结构31

2.2 Cache系统的基本原理33

2.2.1 Cache存储系统的构成与组织33

2.2.2 Cache存储系统的基本性能参数34

2.2.3 Cache的基本工作原理37

2.3 Cache设计的关键问题37

2.3.1 Cache的容量与行大小37

2.3.2 映射机制38

2.3.3 替换算法45

2.3.4 单机系统的Cache写策略49

2.3.5 Cache数量选择50

2.4 Cache的性能分析52

2.4.1 未中率52

2.4.2 加速比52

2.5 Cache的基本优化方法53

2.5.1 增加行大小和容量，减少未中率53

2.5.2 增加关联度减少未中率55

2.5.3 使用多级Cache减少未中损失57

2.5.4 让读未中的优先级高于写来减少未中损失57

2.6 Cache的高级优化设计58

2.6.1 踪迹Cache58

2.6.2 路预测技术59

2.6.3 流水Cache与非阻塞Cache59

2.6.4 关键字优先和早重启61

2.6.5 合并写缓存62

2.6.6 预取技术63

2.6.7 牺牲Cache和伪关联Cache65

2.7 Cache的应用问题66

2.7.1 循环交换与循环融合67

2.7.2 数组合并与矩阵分块68

2.8 Pentium 4与ARM中Cache的组织70

2.8.1 Pentium中Cache的组织70

2.8.2 ARM中的Cache组织70

2.9 本章总结71

习题272

第3章 内部存储器与外部存储器75

3.1 半导体存储器75

3.1.1 ROM75

3.1.2 RAM76

3.2 内部存储器芯片的组织77

3.2.1 芯片的组织77

3.2.2 存储模块的组织77

3.3 高级内存的组织78

3.3.1 SDRAM79

3.3.2 RDRAM80

3.3.3 DDR SDRAM81

3.4 高性能存储器82

3.4.1 多体交叉主存82

3.4.2 并行访问主存85

3.4.3 关联存储器86

3.5 磁盘87

3.5.1 磁盘的读写与数据组织87

3.5.2 磁盘的物理特性89

3.5.3 磁盘的性能参数89

3.6 RAID90

3.6.1 RAID0和RAID190

3.6.2 RAID2和RAID391

3.6.3 RAID4和RAID592

3.6.4 RAID694

3.6.5 组合式RAID94

3.7 RAID7与网络化存储96

3.7.1 RAID796

3.7.2 基于网络的并行存储97

3.8 磁带98

3.8.1 磁带的数据记录方式98

3.8.2 磁带的数据组织99

3.9 光学存储器100

3.9.1 CD和CD-ROM100

3.9.2 刻录CD、重写CD和DVD101

3.9.3 集成光盘设备102

3.10 本章总结103

习题3103

第4章 I/O系统106

4.1 中断106

4.1.1 中断源的组织106

4.1.2 中断处理107

4.1.3 中断源识别108

4.1.4 中断现场的保存与恢复109

4.2 I/O系统的功能与结构110

4.2.1 I/O模块的功能110

4.2.2 I/O模块的结构111

4.3 基本I/O方式112

4.3.1 可编程式I/O112

4.3.2 中断驱动式I/O113

4.3.3 DMA115

4.4 高级I/O方式118

4.4.1 I/O通道118

4.4.2 I/O处理机123

4.5 高性能I/O接口124

4.5.1 SCSI124

4.5.2 FireWire125

4.5.3 InfiniBand126

4.6 本章总结128

习题4129

第5章 虚拟内存131

5.1 虚拟内存的组成131

5.1.1 虚拟内存的组成131

5.1.2 Cache系统与虚拟内存的比较132

5.2 虚拟地址Cache133

5.3 虚拟内存基础——进程调度与交换134

5.3.1 进程调度134

5.3.2 交换135

5.4 分页式虚拟内存136

5.4.1 分页机制136

5.4.2 地址变换137

5.4.3 页表的结构138

5.4.4 快速页表查询方法140

5.4.5 分页机制的优缺点142

5.5 分段式虚拟内存142

5.5.1 分段机制142

5.5.2 分段式虚拟内存的优点和缺点143

5.5.3 分段与分页的比较144

5.6 段页式虚拟内存145

5.7 页替换与分配算法145

5.7.1 堆栈型替换算法146

5.7.2 帧分配算法146

5.8 降低页故障率的方法147

5.8.1 页大小与主存容量的选择147

5.8.2 页调度方式147

5.9 Pentium的虚拟内存148

5.10 ARM的内存管理149

5.10.1 虚拟地址变换150

5.10.2 访问控制150

5.11 本章总结151

习题5152

第6章 指令系统154

6.1 指令格式的优化设计154

6.1.1 机器指令的组成与表示154

6.1.2 操作码的优化设计155

6.1.3 地址码的优化设计157

6.1.4 指令格式设计159

6.1.5 x86的指令格式159

6.2 数据类型161

6.2.1 数值型数据161

6.2.2 字符型数据和逻辑型数据163

6.2.3 数据的大小端模式163

6.2.4 x86的数据类型164

6.3 操作类型165

6.3.1 数据传送与运算指令165

6.3.2 控制传送指令166

6.3.3 其他指令167

6.4 寻址方式168

6.4.1 基本寻址方式168

6.4.2 x86的寻址方式170

6.5 x86 SIMD指令及应用172

6.5.1 MMX技术173

6.5.2 SSE2176

6.5.3 SSE4177

6.6 本章总结179

习题6180

第7章 CPU的流水线技术182

7.1 CPU的基本结构182

7.1.1 寄存器的组织183

7.1.2 内部总线组织184

7.1.3 控制单元184

7.1.4 指令周期185

7.2 指令流水线186

7.2.1 指令流水机制186

7.2.2 流水线的性能分析187

7.2.3 流水线的流水段数确定191

7.3 复杂流水线191

7.3.1 非线性流水线191

7.3.2 非线性流水线的指令调度193

7.3.3 多功能流水线198

7.3.4 阵列流水线199

7.4 流水线冲突与对策199

7.4.1 结构冲突与对策199

7.4.2 数据冲突与对策200

7.4.3 控制冲突及对策203

7.4.4 流水线的动态调度212

7.4.5 循环展开214

7.5 流水线的中断处理216

7.5.1 中断的类型与需求217

7.5.2 精确中断的维护218

7.6 流水线的应用221

7.7 本章总结224

习题7224

第8章 RISC与嵌入式架构228

8.1 程序的执行特征228

8.2 RISC的寄存器组织229

8.2.1 交叠的寄存器窗口230

8.2.2 全局变量寄存器231

8.2.3 寄存器组与Cache的比较232

8.3 基于编译器的寄存器使用优化232

8.4 RISC架构233

8.4.1 RISC的特征233

8.4.2 RISC与CISC的比较235

8.5 RISC流水线236

8.5.1 规则指令的流水236

8.5.2 流水线优化237

8.6 SPARC240

8.6.1 SPARC寄存器组240

8.6.2 SPARC的指令集241

8.6.3 SPARC的指令格式242

8.7 嵌入式架构243

8.7.1 嵌入式系统的架构243

8.7.2 ARM架构245

8.8 本章总结249

习题8249

第9章 超标量与VLIW架构252

9.1 超标量与超流水线252

9.1.1 超标量的基本特征252

9.1.2 超流水线与超标量253

9.1.3 超标量超流水线处理器的性能254

9.2 超标量的组织256

9.2.1 超标量流水线的并行性、多样性和动态性256

9.2.2 超标量的组织258

9.2.3 超标量流水线中指令的动态调度264

9.3 Tomasulo动态调度机制266

9.3.1 Tomasulo算法的基本结构266

9.3.2 Tomasulo算法的实例269

9.4 基于硬件的推测271

9.4.1 推测技术的基本原理271

9.4.2 推测技术的硬件结构271

9.4.3 推测技术中的冲突处理273

9.5 Pentium 4274

9.5.1 Pentium 4的微架构274

9.5.2 Pentium 4的组成275

9.6 VLIW与EPIC架构277

9.6.1 基本的VLIW方法277

9.6.2 EPIC技术278

9.7 本章总结286

习题9286

第10章 多核架构与多核程序设计288

10.1 多核的必然性288

10.1.1 功耗与散热问题288

10.1.2 并行度问题289

10.1.3 应用软件的要求290

10.2 从SMT到多核291

10.2.1 线程级的并行291

10.2.2 SMT架构292

10.2.3 SMT设计问题294

10.3 多核架构295

10.3.1 多核的组织295

10.3.2 互连机制与Cache的一致性问题297

10.4 Intel x86和ARM的多核组织304

10.4.1 Intel x86多核组织304

10.4.2 ARM11 MPCore306

10.5 并行程序设计基础308

10.5.1 并行程序设计的理论基础308

10.5.2 进程与线程309

10.5.3 并行程序设计基础311

10.6 并行程序设计模式316

10.6.1 并行性发现316

10.6.2 算法结构设计319

10.6.3 结构设计支撑326

10.6.4 实现机制设计332

10.7 多核编程API333

10.7.1 Windows和Linux环境下的多线程编程333

10.7.2 平台无关的多线程API：OpenMP334

10.7.3 MPI336

10.8 本章总结336

习题10337

第11章 多处理器系统339

11.1 多处理器系统的组织339

11.1.1 并行计算机的Flynn分类339

11.1.2 并行计算机的组织341

11.2 SMP342

11.2.1 SMP的组织343

11.2.2 SMP操作系统设计问题344

11.2.3 一个Mainframe SMP实例344

11.2.4 Cache的一致性和MESI协议346

11.3 SMP的互连机制352

11.3.1 基于多端口主存的互连352

11.3.2 中央控制单元353

11.3.3 互连网络353

11.3.4 消息通信360

11.4 机群系统366

11.4.1 机群的特点和应用配置366

11.4.2 机群操作系统的设计问题368

11.4.3 机群的架构369

11.4.4 机群和SMP的比较371

11.5 NUMA系统371

11.5.1 开发NUMA系统的动机371

11.5.2 NUMA的组织372

11.5.3 NUMA的优点和缺点374

11.5.4 超级计算机374

11.6 向量机375

11.7 网格计算379

11.7.1 网格计算的定义及其用途379

11.7.2 网格的架构381

11.7.3 网格的一般组成383

11.7.4 基于开源技术的网格开发386

11.8 本章总结388

习题11388

第12章 云计算393

12.1 云计算的概念与特征393

12.1.1 云计算与计算云393

12.1.2 云计算的特征和模型395

12.1.3 云计算的重要性401

12.2 云计算的架构402

12.2.1 云计算的参考架构402

12.2.2 云计算架构实例：Intel IT私有云架构408

12.3 云计算的关键技术410

12.3.1 虚拟化410

12.3.2 资源管理与调度414

12.3.3 云计算的安全性418

12.3.4 数据存储与管理422

12.3.5 编程模型与工具426

12.3.6 其他关键技术426

12.4 云联邦与云互连架构427

12.4.1 云联邦与云互连的概念427

12.4.2 云联邦的架构428

12.5 MapReduce编程模型431

12.5.1 MapReduce的基本特征432

12.5.2 MapReduce编程模型432

12.5.3 MapReduce的执行434

12.6 从数据中心到云：7步模型434

12.6.1 7步模型435

12.6.2 迁移风险和风险缓解435

12.7 本章总结436

习题12436

参考文献438