計算機系統結構, 4/e

本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。全書共 6 章。第 1 章簡要介紹電腦系統結構的基本概念，以及電腦系統結構的形成和發展過程。第 2 章到第 6 章以現代電腦系統結構和並行處理為主線，本著電腦系統結構中硬中有軟、軟中有硬、相互轉換、彼此滲透的觀點，從原理、結構、分析、設計和實現等方面，對 CPU 及加速部件、存儲系統結構、流水線結構、並行處理機、多處理機系統、RISC結構、集群、網格、雲計算及虛擬化技術等進行了比較深入的分析和探討。本書是高等學校電腦專業本科生“電腦系統結構”課程的通用教材，也可作為有關專業研究生的教材和科技工作者的參考書。

沈文楓，上海大學計算機工程與科學學院副教授，多年來一直從事計算機系統結構與並行處理、計算機組成原理課程的教學；2005年上海大學優秀青年教師，2005年獲得上大鼎正獎教金等。

目 錄
第1章 計算機系統結構導論 1
1．1 計算機系統的基本概念 1
1．2 計算機系統的發展 1
1．2．1 馮・諾依曼體系結構的特點 2
1．2．2 器件發展對系統結構的影響 3
1．2．3 應用對系統結構的影響 4
1．2．4 算法對系統結構的影響 5
1．2．5 價格對系統結構的影響 5
1．2．6 功耗對系統結構的影響 5
1．3 計算機系統的功能和結構 6
1．3．1 計算機系統的層次結構 6
1．3．2 計算機系統結構定義 8
1．3．3 計算機組成與實現 9
1．3．4 計算機系統結構、組成和實現三者的關係 9
1．3．5 計算機系統的特性 10
1．4 計算機系統設計的方法 12
1．4．1 軟、硬件取捨的基本原則 12
1．4．2 計算機系統設計的定量原則 12
1．4．3 計算機系統的設計任務 14
1．4．4 計算機系統的設計步驟 15
1．5 現代計算機系統結構的研究領域 16
1．5．1 計算機系統結構分類 16
1．5．2 現代計算機系統結構研究方向 19
1．5．3 計算機系統結構發展趨勢 19
1．6 小結 21
習題 22

第2章 處理器及其相關技術 24
2．1 CPU組成 24
2．2 數據表示 25
2．3 指令優化 26
2．3．1 指令格式優化 26
2．3．2 指令系統分析 28
2．4 指令集 29
2．4．1 RISC和CISC 29
2．4．2 RISC-V 30
2．5 時鐘頻率 31
2．6 並行 31
2．6．1 指令級並行 31
2．6．2 線程級並行 32
2．6．3 數據並行和SIMD指令集 32
2．7 多核技術 33
2．8 CPU內部互連 34
2．8．1 早期的星形總線與跨Socket互連 34
2．8．2 Intel環形總線架構 35
2．8．3 Intel Mesh總線架構 37
2．8．4 AMD CCX架構和Infinity Fabric總線 37
2．9 CPU外部互連 39
2．10 OpenMP多線程並行編程 41
2．10．1 編譯製導語句 41
2．10．2 API函數 42
2．11 GPU 44
2．11．1 GPU概述 44
2．11．2 GPU硬件結構 46
2．11．3 GPU的存儲層次 48
2．12 CUDA 48
2．12．1 CUDA簡介 48
2．12．2 線程管理 49
2．12．3 CUDA編程 49
2．13 OpenMP-CUDA混合編程 51
2．14 多核CPU-GPU計算平台任務調度 54
2．15 小結 57
習題 58

第3章 存儲系統結構 61
3．1 地址映像和變換 61
3．1．1 程序的定位 61
3．1．2 全相聯映像及其變換 66
3．1．3 直接映像及其變換 67
3．1．4 組相聯映像及其變換 68
3．1．5 段相聯映像及其變換 71
3．2 替換算法及其實現 72
3．2．1 替換算法的分析 72
3．2．2 LRU替換算法的實現 75
3．3 並行主存系統 77
3．3．1 並行主存系統頻寬分析 77
3．3．2 單體多字存儲器 78
3．3．3 多體交叉存儲器 79
3．3．4 地址空間的劃分和訪問周期的控制 81
3．4 高速緩衝存儲器（Cache） 84
3．4．1 Cache基本結構和工作原理 84
3．4．2 Cache的替換算法分析 86
3．4．3 Cache的透明性 87
3．4．4 任務切換對失效率的影響 88
3．4．5 多處理機系統的Cache結構 89
3．4．6 Cache-主存層次性能分析 90
3．4．7 Cache性能計算 92
3．5 虛擬存儲器 97
3．5．1 虛擬存儲器基本結構和工作原理 97
3．5．2 虛地址和輔存實地址的變換 98
3．5．3 多用戶虛擬存儲器 99
3．5．4 加快地址變換的方法 102
3．5．5 虛擬存儲器性能分析 105
3．6 主存保護與控制 108
3．6．1 主存保護 108
3．6．2 主存控制部件 111
3．6．3 磁盤冗餘陣列 112
3．7 小結 115
習題 116

第4章 流水線結構 118
4．1 流水線結構原理 118
4．1．1 重疊方式 118
4．1．2 先行控制 121
4．1．3 流水線技術 123
4．2 線性流水線性能指標 126
4．2．1 吞吐率 126
4．2．2 加速比 127
4．2．3 效率 127
4．2．4 流水線段數選擇 128
4．3 非線性流水線 130
4．3．1 預約表和等待時間分析 130
4．3．2 無衝突調度 133
4．3．3 流水線調度優化 135
4．4 流水線相關處理 138
4．4．1 局部相關及處理 138
4．4．2 全局相關及處理 139
4．4．3 流水線中斷處理 139
4．5 超級流水處理機 140
4．5．1 超標量處理機 140
4．5．2 超流水線處理機 143
4．5．3 超長指令字處理機 144
4．6 小結 146
習題 147

第5章 並行處理機與多處理機系統 150
5．1 系統結構中的並行性概念 150
5．2 並行處理機基本結構 151
5．2．1 分佈式存儲器結構 153
5．2．2 共享式存儲器結構 159
5．2．3 並行處理機特點 160
5．3 並行處理機互連網絡 160
5．3．1 互連網絡基本概念 161
5．3．2 單級互連函數 162
5．3．3 互連網絡特性 165
5．3．4 靜態互連網絡 166
5．3．5 動態互連網絡 171
5．3．6 多級互連網絡 173
5．3．7 互連網絡尋徑 177
5．4 多處理機系統 182
5．4．1 多處理機系統的定義 183
5．4．2 多重處理對處理機特性的要求 183
5．5 多處理機結構 185
5．5．1 多處理機的基本結構 185
5．5．2 多處理機的互連網絡 186
5．5．3 多處理機系統的存儲器結構 192
5．5．4 多處理機系統的特點 196
5．6 多處理機的軟件 197
5．6．1 算術表達式的並行算法 197
5．6．2 程序並行性分析 198
5．6．3 並行程序語言 199
5．6．4 多處理機的操作系統 202
5．7 多處理機系統實例 205
5．7．1 多處理機 205
5．7．2 Cmmp多處理機 207
5．8 小結 209
習題 210

第6章 集群、網格和雲計算 212
6．1 集群概述 212
6．2 集群系統的軟硬件組成 214
6．2．1 計算節點 214
6．2．2 網絡 215
6．2．3 存儲節點 216
6．2．4 管理節點 218
6．2．5 MPI並行編程 220
6．3 集群系統的設計和維護 224
6．3．1 集群系統的設計 224
6．3．2 集群系統的維護 228
6．4 集群系統的性能測試 230
6．4．1 性能評價和測量 230
6．4．2 Linpack測試 232
6．5 高性能集群計算機系統實例 233
6．6 網格 235
6．6．1 網格概述 235
6．6．2 網格技術簡介 235
6．7 雲計算 237
6．7．1 雲計算概述 237
6．7．2 雲計算的關鍵技術 240
6．7．3 OpenStack開源虛擬化平台 245
6．8 大數據 247
6．9 小結 249
習題 250

參考文獻 251