计算机系统结构

出版时间：2009-7  出版社：清华大学出版社  作者：秦杰  页数：334  

前言

计算机系统结构也称计算机体系结构，是计算机及相关专业的一门重要课程，在学科领域中，“计算机系统结构”是计算机学科中的一个二级学科。计算机系统结构从外部研究计算机系统，是使用者所看到的物理计算机的抽象，是编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。计算机系统结构主要研究计算机系统中软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件实现。它强调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，对于培养系统地、自上而下地分析和解决问题的能力，以及培养抽象思维能力有非常重要的作用。通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“汇编语言程序设计”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念，学习针对计算机系统的分析方法和设计方法，掌握现代计算机系统的基本结构及工作原理。近年来，由于流水线技术、高速缓存技术、并行处理技术、多核处理器技术、片上系统、网格计算等新技术的出现，使得计算机系统结构领域发生了重大变化。为适用这种变化，同时结合教学应用型大学的培养目标和学生特点，我们编写了本书。参加本书编写的人员来自不同本科院校，均为担任计算机系统结构课程的主讲教师。在本书的编写过程中，编写者充分考虑了讲授本课程的切身体会，以及学生在学习本课程时遇到的普遍性问题。贴近实际是本书的最大特色。本书除了着重论述体系结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以外，还强调量化的分析方法，这种方法使学生能够更具体、实际地分析和理解计算机体系结构。本书最后一章简要介绍系统结构当前的主要研究进展。为了便于因材施教和学生自学，对于偏难或者非基础性的内容，书中在相应的章节的标题前标注了“※" 。教师可以根据具体学时，选择本书的教学内容进行讲授。针对这些内容的习题编号前则以“”标注。本书内容编排大体是按照计算机系统结构的发展历程：冯·诺依曼体系结构→改进的冯·诺依曼体系结构→非冯·诺依曼体系结构这条线索。以经典冯·诺依曼体系结构（第2章）为基础，介绍现代通用计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以及相关领域的最新研究成果，主要包括：数据表示与指令系统设计（第3章），存储系统（第4章），输入输出系统（第5章），流水线技术（第6章），并行处理机技术（第7章），以及计算机系统结构进展（第8章）.本书由秦杰博士任主编，郑丽萍任副主编，第2章由周口师范学院乔蕊老师编写，第3、7章由河南工业大学郑丽萍老师编写，第4章由华北水利水电学院孙全红老师编写，第5章由河南农业大学孙昌霞老师编写，第6章由河南工业大学王献荣老师编写，秦杰完成第1、8章的编写，以及全书的统稿工作。限于作者的水平，错误和不当之处在所难免，请读者批评指正。本书的内容参考了国内外有影响的相关书籍和教材，以及计算机系统结构方面最新的研究论文，在此向相关作者表示感谢！本书的出版得到清华大学出版社领导以及战晓雷编辑等相关人员的大力支持，在此表示感谢！

内容概要

本书结合计算机技术现状，系统地讲述现代计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，并简要介绍当前系统结构领域的主要进展。    本书共8章：第1章介绍计算机系统结构的基础知识；第2章简要介绍冯·诺依曼体系结构中CPU、存储系统、输入输出系统以及系统总线的基本知识；第3章在介绍常用的数据表示方法和寻址方式的基础上，讲解指令系统的优化设计方法及其最新进展；第4章介绍虚拟存储系统、Cache存储系统以及Cache-主存-辅存三级存储系统的工作原理和相关的地址映像及变换方法；第5章介绍基本输入输出方式、总线控制方式以及中断方式的基本工作原理；第6章介绍标量流水线、非线性流水线的基本概念与工作原理和调度策略，并简要介绍指令级上高度并行的超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机和超长指令字处理机的工作原理；第7章是并行处理机技术，介绍SIMD计算机、MIMD计算机的基本组成原理、类型和特点，以及与它们相关的互连网络的工作原理；第8章介绍计算机系统结构进展。每一章的内容均包括内容简介、学习内容、本章小结和习题。    本书重点讲述现代主流计算机采用的比较成熟的设计思想、结构和方法等，力求内容重点突出、论述简洁、贴近实际。本书可以作为计算机专业本科生“计算机系统结构”课程的教材，或者相关专业本、专科学生“计算机组成与体系结构”课程的教材，也可以作为有关专业研究生和相关领域科技人员的参考书。

书籍目录

第1章 计算机系统结构导论  1.1 计算机系统结构的基本概念    1.1.1 计算机系统的层次结构    1.1.2 计算机系统结构、组成与实现    1.1.3 计算机系统结构的发展历程    1.1.4 计算机系统结构的分类  1.2 影响计算机系统结构的因素    1.2.1 应用对计算机系统结构的影响    1.2.2 算法对计算机系统结构发展的影响    1.2.3 软件对计算机系统结构的影响    1.2.4 器件对计算机系统结构发展的影响  1.3 计算机系统性能分析与系统结构的评价标准    1.3.1 计算机性能的分析与评价    1.3.2 系统结构的评测标准  1.4 定量分析技术基础    1.4.1大概率事件优先原则    1.4.2 Amdahl定律      1.4.3 CPU性能公式    1.4.4程序的局部性原理  1.5 本章小结  习题1  第2章 现代计算机组成  2.1 中央处理机    2.1.1 CPU的组成    2.1.2 数据表示    2.1.3 寻址方式概述  2.2 存储系统    2.2.1 存储系统概述    2.2.2 存储系统的层次结构    2.2.3 并行存储器    2.2.4 程序访问的局部性  2.3 输入输出系统    2.3.1 输入系统    2.3.2 输出系统    2.3.3 通道处理机和I／O处理机  2.4 总线    2.4.1 总线系统概述    2.4.2 总线基本工作原理    2.4.3 设备的连接    2.4.4 CPU和I／O处理的匹配    2.5 本章小结  习题2第3章 数据表示与指令系统设计  3.1 数据表示    3.1.1 数据表示与数据结构    3.1.2 定点数据表示    3.1.3 浮点数据表示    3.1.4 自定义数据表示  3.2 寻址技术    3.2.1 编址方式    3.2.2 常用寻址方式    3.2.3 寻址技术在指令中的指明    3.2.4 定位方式  3.3 指令格式的优化设计    3.3.1 指令格式的组成    3.3.2 操作码的优化    3.3.3 地址码优化设计    3.3.4 指令格式优化设计方法    3.3.5 DLX指令格式设计  3.4 指令系统的功能设计    3.4.1 指令系统的发展    3.4.2 复杂指令系统    3.4.3 精简指令系统  3.5 本章小结  习题3第4章 存储系统第5章 输入输出系统第6章 流水线技术第7章 并行处理机技术第8章 计算机系统结构进展参考文献

章节摘录

插图：第1章 计算机系统结构导论本章首先简要介绍与计算机系统结构相关的基本概念，包括：计算机系统的层次结构，计算机系统结构、组成和实现三者之间的区别与联系，计算机系统结构的发展历程；之后分析影响计算机系统结构的因素，并介绍计算机系统性能分析与系统结构的评价标准；最后介绍定量分析技术。本章重点是计算机系统的层次结构，计算机系统结构、组成与实现的区别和联系，定量分析技术中的Amdahl定律，以及CPU性能公式；难点是计算机系统的层次结构、系统结构的分类、系统结构的评价标准以及定量分析技术。1.1 计算讥系统结构的蓉本概念1.1.1 计算机系统的层次结构现代计算机系统由软件和硬件组成。随着软件技术的发展，人们可以从不同的层面上使用计算机语言编程，计算机语言可分成一系列的层（level）或级。从使用计算机语言的角度，可以把计算机系统按功能划分成多级层次结构，如图1-1所示。第1级是微程序机器级。这一级的机器语言是微指令集，用微指令编写的程序称为微程序，微程序直接由硬件解释实现。微程序被固化在ROM中，通常将具有软件功能的硬件称为固件。第2级是传统机器级。这一级的机器语言就是该机器的指令系统。用这一级的指令系统编写的程序通过第1级的微程序进行解释。由微程序解释指令集又称作仿真（emulation）。在微程序机器级上面可以有一个或数个能够运行的解释程序，每一个解释程序都定义了一种指令集。因此，可以通过仿真在一台机器上实现多种指令集。

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《计算机系统结构》为清华大学出版社出版发行。