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第1章 现代计算机体系结构概述1

1.1 现代计算机体系结构的演化1

1.1.1 微处理机的发展2

1.1.2 微型计算机硬件结构的演化3

1.1.3 微型计算机软件的演化4

1.2 计算机性能评价5

1.2.1 CPU性能6

1.2.2 系统运行速度9

1.2.3 加速比12

1.2.4 性能/价格比14

1.3 计算机系统的层次结构15

1.3.1 层次结构15

1.3.2 冯·诺依曼结构16

1.3.3 现代计算机体系结构的研究对象18

1.3.4 计算机体系结构的分类19

1.3.5 影响现代计算机体系结构的主要因素22

习题125

2.1.1 指令的重叠执行27

2.1 先行控制技术27

第2章 流水线与超标量处理机27

2.1.2 先行控制原理28

2.1.3 数据相关31

2.1.4 转移及转移预测33

2.2 流水线技术36

2.2.1 流水线工作原理37

2.2.2 线性流水线的性能分析40

2.2.3 流水线中的相关及其处理44

2.2.4 非线性流水线的调度问题47

2.3 超标量与超流水线技术50

2.3.1 超标量处理机的基本结构50

2.3.2 指令的单发射与多发射51

2.3.3 超标量处理机的性能55

2.4 超流水线技术56

2.4.1 超流水线的一般概念56

2.4.2 MIPS R4000超流水线处理机57

2.4.3 超流水线的性能57

2.4.4 超标量超流水线的处理机58

2.5.1 计算机体系结构设计思想的转变60

2.5 RISC处理机60

2.5.2 RISC处理机的定义和特点62

2.5.3 实现RISC思想的几个关键技术64

2.5.4 几个常见的RISC处理机68

2.6 超标量处理机Pentium Ⅱ77

2.6.1 Pentium Ⅱ的超标量流水线结构77

2.6.2 静态与动态转移预测80

习题281

3.1.1 向量与向量处理84

3.1 向量处理的基本概念84

第3章 向量处理机84

3.1.2 向量指令86

3.2 向量处理机的结构89

3.2.1 向量处理机结构概述89

3.2.2 存储器-存储器结构90

3.2.3 寄存器-寄存器结构93

3.3 向量处理机与向量协处理机93

3.3.1 向量处理机94

3.3.2 向量协处理机96

3.4 向量处理机性能分析100

习题3105

第4章 存储系统107

4.1 存储系统的基本概念107

4.1.1 存储系统的性能指标107

4.1.2 层次式存储系统109

4.1.3 存储器带宽及其对系统性能的影响110

4.2 并行存储器113

4.2.1 并行访问存储器113

4.2.2 交叉访问存储器114

4.2.3 无冲突访问存储器116

4.3 高速缓冲存储器(Cache)119

4.3.1 基本工作原理120

4.3.2 地址映象与地址变换121

4.3.3 Cache替换算法126

4.3.4 Cache性能分析128

4.3.5 Pentium处理机中的双独立总线体系结构131

4.4 虚拟存储器132

4.4.1 基本工作原理133

4.4.2 虚拟存储器的地址映象和地址变换135

4.4.3 目录表与二级分页141

4.4.4 页面替换算法及其实现145

4.5 三级存储系统148

4.5.1 物理地址Cache结构148

4.5.2 虚拟地址Cache结构149

4.5.3 全Cache技术150

习题4150

第5章 总线153

5.1 概述153

5.1.1 总线在计算机中的地位153

5.1.2 总线的基本特性155

5.1.3 同步总线与异步总线158

5.2 总线仲裁159

5.2.1 总线竞争及其仲裁159

5.2.2 其他仲裁方式160

5.3 PCI总线及其在现代计算机体系结构中地位166

5.3.1 PCI总线的主要特性166

5.3.2 PCI总线中的仲裁168

5.3.3 采用PCI总线的服务器结构169

5.4 新一代总线——InfiniBand171

5.4.1 PCI总线的局限性171

5.4.2 InfiniBand的基本特性172

5.4.3 InfiniBand的基本体系结构173

习题5175

第6章 互连网络177

6.1 互连网络的基本概念177

6.1.1 互连网络在计算机系统中的地位177

6.1.2 互连网络的主要特性和性能参数178

6.1.3 互连网络的种类180

6.1.4 互连函数188

6.2 多级互连网络193

6.2.1 几种阻塞互连网络194

6.2.2 可重排非阻塞网络——Benes二进制置换网络200

6.2.3 非阻塞网络——多级Clos网络202

6.3 消息传递机制202

6.3.1 消息的寻径203

6.3.2 死锁及其规避205

6.3.3 单播方式的寻径208

6.3.4 广播通信方式下的寻径211

习题6212

7.1.2 SIMD计算机的基本结构214

7.1.1 SISD计算机对大数组的处理214

第7章 SIMD计算机214

7.1 概述214

7.1.3 SIMD计算机与向量计算机217

7.2 典型SIMD计算机介绍219

7.2.1 Illiac Ⅳ阵列计算机219

7.2.2 BSP计算机223

7.2.3 CM-2计算机226

7.2.4 MasPar MP-2计算机230

7.3.1 SIMD与连续模型计算232

7.3 SIMD在数值计算中的应用232

7.3.2 SIMD计算机的几种基本算法235

习题7239

第8章 多处理机与多计算机系统241

8.1 概述241

8.1.1 SIMD与MIMD241

8.1.2 共享存储器多处理机的几种结构形式242

8.1.3 多处理机系统的特点243

8.2 多处理机系统中的Cache一致性问题244

8.2.1 产生一致性问题的原因244

8.2.2 监听协议246

8.2.3 基于目录的协议250

8.3 基于集中共享存储器的多处理机系统254

8.3.1 适合多处理机系统使用的微处理机254

8.3.2 SGI Challenge多处理机系统257

8.3.3 SUN Enterprise多处理机系统258

8.4 基于分布式共享存储器的多处理机系统259

8.4.1 CM-5计算机259

8.4.2 SGI Origin2000系列服务器263

8.5.1 机群系统的结构特点268

8.5 机群系统268

8.5.2 机群系统中的通信问题272

8.5.3 并行程序设计环境276

8.5.4 机群系统中的负载平衡问题277

8.6 多处理机系统的性能分析280

8.6.1 性能指标280

8.6.2 几种多处理机系统的性能模型285

习题8289

参考文献291