高等院校规划教材·计算机科学与技术系列：计算机系统结构教程

　　《计算机系统结构教程》全面介绍了计算机系统结构的基本概念、基本结构、存储系统、流水线技术、标量处理机、RISC技术和系统结构、多处理机系统及互连网络和非控制流计算机等内容。计算机系统结构是计算机科学与技术专业的核心课程，主要研究计算机的外部属性，即使用者所看到的物理计算机的抽象，以及计算机功能架构属性。本课程的目的是建立计算机系统的完整概念，学习计算机系统的分析方法和设计方法，掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理。《计算机系统结构教程》可作为计算机及相关专业的教材和工程技术人员的参考用书。

出版说明
前言
第1章 计算机系统结构导论
1.1 计算机系统的层次结构
1.2 计算机系统结构、组成与实现
1.3 计算机系统结构的分类
1.3.1 按“流”分类
1.3.2 按“并行级”和“流水线”分类
1.3.3 按“最大并行度”分类
1.4 计算机系统的设计与实现
1.4.1 计算机系统设计原则
1.4.2 计算机系统的性能与价格
1.4.3 计算机系统性能评测
1.5 计算机系统结构的演变
1.5.1 软件对计算机系统结构的影响
1.5.2 应用需求对计算机系统结构的影响
1.5.3 器件对计算机系统结构的影响
1.5.4 算法对计算机系统结构的影响
1.6 习题

第2章 计算机系统结构
2.1 中央处理器
2.1.1 CPU的组成
2.1.2 数据表示
2.1.3 指令格式优化
2.1.4 寻址方式
2.2 总线结构
2.2.1 总线的分类
2.2.2 总线结构的特点
2.2.3 总线通信方式
2.2.4 总线仲裁
2.2.5 总线标准
2.3 I／O系统
2.3.1 I／0方式
2.3.2 中断系统
2.4 通道处理机
2.4.1 通道的作用和功能
2.4.2 通道的工作过程
2.4.3 通道的类型
2.5 I／0处理机
2.5.1 I／O处理机的作用
2.5.2 I／O处理机的种类
2.6 习题

第3章 存储系统
3.1 存储系统原理
3.1.1 存储系统的定义
3.1.2 存储系统的层次结构
3.1.3 频带平衡
3.1.4 存储器并行访问
3.1.5 交叉访问存储器
3.2 相联存储器
3.3 高速缓冲存储器
3.3.1 Cache的基本概念
3.3.2 Cache的组成与工作原理
3.3.3 地址映像与变换
3.3.4 Cache置换策略与主存更新方法
3.3.5 Cache一致性问题
3.3.6 Cache系统的加速比
3.3.7 微机Cache系统
3.4 虚拟存储器
3.4.1 存储器管理方式
3.4.2 虚拟存储器的工作原理
3.4.3 地址的映像与变换
3.4.4 段式虚拟存储器
3.4.5 页式虚拟存储器
3.4.6 段页式虚拟存储器
3.4.7 加快内部地址变换的方法
3.4.8 页面替换算法
3.4.9 提高主存命中率的方法
3.4.10 微机的虚拟存储器
3.5 存储器保护技术
3.6 习题

第4章 流水线技术
4.1 系统结构中的并行性概念
4.1.1 并行性概念
4.1.2 并行处理的发展
4.2.流水线结构原理
4.2.1 一次重叠流水线
4.2.2 流水技术原理
4.2.3 流水线分类
4.2.4 流水线性能的分析
4.2.5 流水线中的主要障碍与控制
4.2.6 非线性流水线调度
4.3 向量处理技术
4.3.1 向量的流水处理
4.3.2 向量处理机
4.4 指令级并行技术
4.4.1 超标量处理机
4.4.2 超长指令处理机
4.4.3 超流水线处理机
4.5 习题

第5章 RISC结构计算机
5.1 RISC技术概述
5.1.1 CISC的主要问题
5.1.2 RISC的定义及特点
5.2 大寄存器组
5.2.1 寄存器窗口
5.2.2 寄存器组与Cache
5.3 RISC流水线技术
5.3.1 规整指令的流水线技术
5.3.2 流水线优化
5.4 RISC指令结构
5.5 删处理器
5.5.1 ARM32位CPIJ起源
5.5.2 ARM寄存器结构
5.5.3 ARM指令系统
5.5.4 ARM寻址方式
5.6 习题

第6章 多处理机系统
6.1 多处理机系统结构
6.1.1 紧耦合多处理机
6.1.2 松耦合多处理机
6.1.3 多处理机中Cnche的一致性
6.2 并行多处理机技术
6.2.1 程序并行性分析
6.2.2 并行程序设计语言
6.2.3 多处理机操作系统
6.2.4 多处理机调度策略
6.3 向量处理机
6.3.1 向量处理的基本概念
6.3.2 向量处理机的结构
6.3.3 向量处理机的性能评价
6.4 互连网络结构
6.4.1 互连网络分类
6.4.2 单级互连网络
6.4.3 基本循环互连网络和多级互连网络
6.4.4 网络拓扑结构
6.5 多处理机实例
6.5.1 大规模并行处理机
6.5.2 sMP共享存储型多处理机
6.5.3 机群系统
6.6 习题

第7章 分布式系统结构
7.1 分布式系统
7.1.1 分布式系统的特点
7.1.2 分布式系统的目标
7.1.3 分布式系统的优缺点
7.1.4 分布式系统的结构
7.2 集群计算机系统
7.2.1 集群系统的特点
7.2.2 集群系统的分类
7.2.3 集群系统的结构
7.2.4 集群系统的构建技术
7.2.5 集群系统的软件甲台
7.2.6 集群系统的任务调度方法
7.2.7 集群系统的发展趋势
7.3 网格技术
7.3.1 网格体系结构
7.3.2 五层沙漏体系结构
7.3.3 开放网格服务体系结构
7.3.4 Web服务资源框架
7.3.5 网格技术的发展趋势
7.4 习题
……
第8章 非控制流计算机结构
附录 习题答案
参考文献

　　计算机系统结构（ComputerArchitecture）的概念是Buchholz于1962年在描述M7030计算机的扩展性时首先提出的，主要指计算机的外貌，也称外特性。1964年，IBM370的主设计师Amdahl给出了它的定义：计算机系统结构就是程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。对于不同层次的程序员来说，由于使用的程序设计语言不同，可能看到的概念性结构与功能特性就会有所不同。
　　计算机系统结构是指多级层次结构中传统机器级的结构，它是软件和硬件／固件的主要交界面，是使编制的机器语言程序、汇编语言源程序，以及将高级语言源程序编译生成的机器语言目标程序，能在机器上正确运行所应看到的计算机属性。计算机系统结构与汇编语言程序或机器语言程序所能实现的功能，以及要用到的数据类型、寻址方式等密切相关。
　　1.1计算机系统的层次结构
　　现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。现代计算机结构如图1所示。不同的求解问题可能需要不同的计算机资源，这与求解问题的性质有关。
　　随着软件技术的发展，人们开始使用不同的高级语言编程，站在不同的语言层面上使用计算机。不同的语言层面即计算机系统的多层次结构，它是描述控制流程的，有一定规则的字符集合的“计算机语言”。计算机语言并不专属软件范畴，它可以分属计算机系统的各个层次，分别对该层次的控制流程进行描述。
　　基于对计算机语言广义的理解，可以把计算机系统看成是由多级“虚拟”计算机所组成的。从语言功能层次上划分，计算机系统的层次结构如图2所示。
　　图2中的每一层对应一种“机器”，为该层的操作者所使用。操作者通过该层的语言与“机器”对话或交互信息，而不必关心其内层的结构和工作过程，即计算机的透明性。

　　计算机系统结构是计算机专业的专业核心课程，其主要内容是研究使用者所看到的汁算机的基本结构属性，即概念性结构与功能特性。该课程的目的是使学生建立计算机系统的完整概念，掌握计算机系统的基本结构及其工作原理，学习计算机系统的分析方法和设计方法，以及计算机的发展方向等。本书全面介绍了计算机系统结构的基本概念、工作原理、体系结构和系统分析方法。本书的主要内容有计算机系统结构的基本概念、指令系统、数据表示、存储系统、标量处理机、并行处理机、向量计算机、多处理机及互连网络和非控制流计算机等。
　　本书共分为8章，重点介绍了计算机系统结构的基本原理、构成框架与实现方案，介绍了分布式系统、集群系统和网格系统等热点技术，对学生全面了解、掌握计算机系统的基本结构属性、系统构成有很大的帮助。
　　第l章主要介绍了计算机系统的体系结构、层次结构模型、计算机系统结构的分类、计算机系统的性能评测和分析方法，阐述了计算机系统结构、组成和实现的关系，介绍了计算机的发展趋势。
　　第2章介绍了计算机系统的基本结构，主要有CPU构成、计算机的数据表示和数据类型、指令系统的设计思想、计算机总线技术、I／O技术、通道处理机与I／O处理机技术等。
　　第3章主要介绍了存储器体系结构的基本原理、相联存储器、高速缓冲存储器（Cache）、虚拟存储器原理、存储器管理模式及存储器保护技术等。
　　第4章介绍了流水线并行技术，主要介绍了标量流水线的工作原理、流水线中的主要障碍与处理方法、流水线的实现与控制、流水线中的并行处理及非线性流水线的预约表控制方法，并给出了大量的流水线实例。
　　第5章主要介绍了RISC指令集的实现原理、编码方法、流水线等基本技术，并以删处理器的RISC指令集为例介绍了RISC：指令集的实现方法。
　　第6章主要介绍了并行处理的基本概念，介绍了多处理机的基本结构、类型，多处理机中的并行处理技术、操作系统、算法、程序设计语言、Cache的一致性，以及并行处理技术；介绍了向量处理机的体系结构与类型、向量处理方式、向量处理机实例及其性能分析，也介绍了互连网络的作用、设计准则、类型、结构、互连函数，以及互连网络中的消息传递方式；最后还介绍了典型的多处理机实例，主要有.MPP、SMP和机群系统。
　　第7章主要介绍了分布式系统、集群计算机系统、网格技术的基本概念、结构原理和实现策略等，详细介绍了网格系统的3大模型和与Web服务的结合技术，以及与Internet的关联技术。
　　第8章主要介绍了脉动阵列机、数据流计算机、归约机及人工智能计算机等非控制流计算机的基本原理、实现方式及体系结构，以及数据流图的绘制方法等。