计算机系统结构（第2版）

计算机系统结构是从程序设计者角度看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能性特性。本书系统地讲述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本思想和基本结构，通过本书的学习，计算机设计者可以根据用户的需求和当前技术发展水平等方面设计计算机系统，获得较高的性能价格比。本书内容是结合笔者多年的教学经验，将适合计算机专业本科生学习的计算机系统结构知识编写在本书当中，深入地论述了计算机系统结构发展中的主流技术以及未来的发展方向，对MIPS系统、多核技术、云计算技术、异构计算和新型计算机系统等相关知识也做了介绍。
本书的编写以并行技术发展为主线，对计算机系统结构的基本概念、存储体系、流水线技术、超级计算机、多处理机系统到云计算技术均做了详细说明。
全书共分为11章。第1章介绍了计算机系统结构的基本概念和层次结构以及计算机系统结构的分类，计算机系统结构、组成和实现三者之间的关系和影响，计算机系统的设计要遵循Amdahl定律和软硬件取舍的原则等方面。第2章介绍了指令系统及与指令系统直接相关的数据表示和寻址技术、数据表示、IEEE浮点数标准、自定义数据表示、RISC技术等方面。第3章分析并给出了存储系统的层次结构，并介绍了各级存储器的性能指标，还介绍了主存与Cache之间的三种映像方式。第4章介绍了流水线技术，如流水线的分类、衡量流水线性能的标准等内容。第5章介绍了并行处理机和多处理机，并行处理机包括分布式存储器结构和集中式共享存储器组成的并行处理机结构，各个处理机之间的互连网络连接方式以及多处理机的操作系统。第6章介绍了输入/输出系统的基本概念、基本特点，三种基本输入/输出方式、通道的基本概念、基本功能、通道处理技术，以及输入/输出系统。第7章介绍了MIPS体系结构及其发展历程。第8章介绍了多核的基本概念和多核技术的发展趋势，还介绍了多线程的定义以及多线程技术。第9章介绍了几种非冯·诺依曼计算机，包括基于数据驱动的数据流计算机、基于需求驱动的归约机、基于模式匹配驱动的智能计算机。第10章介绍了异构计算的基本概念、工作原理等，以及目前的集中深度学习芯片的案例分析。第11章介绍了云计算的基本概念、体系结构、核心技术以及云平台实例。
本书内容丰富，涵盖系统结构的新技术，每章均有大量例题和习题，可作为计算机专业本科生和有关专业研究生的教材，也可作为计算机科学工作者的参考书。
本书的先修课程是“数字逻辑”“计算机组成原理”“汇编语言”“数据结构”等课程，也可以在“操作系统”“编译原理”等课程同时或之后开设，参考学时是64学时。读者可根据情况调整。
本书由北京工业大学方娟编著。北京科技大学王昭顺教授、北京工业大学张载鸿教授对本书提出了很多宝贵的意见和建议，在此表示衷心的感谢。同时，感谢北京工业大学的相关老师和研究生对本书提出的修改建议。清华大学出版社为本书的出版做了大量工作，在此表示衷心的感谢。
由于计算机技术发展迅速，加上作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者批评指正。

方娟2022年5月

计算机系统结构是计算机专业的必修课程，旨在使学生了解计算机系统结构的发展及新技术，掌握计算机系统的基本设计分析方法。本书系统地讲述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构以及计算机系统结构发展的主流技术和**发展，并介绍了MIPS体系结构、多核技术、云计算、异构计算、RISCⅤ等前沿领域的技术和发展。每章均有小结，学生可对各章的内容清楚地理解和掌握。 全书共11章，分别介绍计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、流水线技术、并行处理机和多处理机、输入/输出系统、MIPS体系结构、多核技术、非冯?诺依曼型计算机、异构计算、云计算技术，以及RISCⅤ指令集（附录）。 本书章节安排合理，在多年计算机专业本科生教学的基础上，总结经验，将现代大多数计算机采用比较成熟的思想、结构和方法以系统结构的角度呈现给学生。 本书既可作为计算机专业本科生的教材，也可以作为深入学习计算机体系结构领域知识人员的参考书。

第1章计算机系统结构的基本概念1
1.1计算机系统结构1
1.1.1计算机系统的层次结构2
1.1.2计算机系统结构概念3
1.1.3计算机系统结构、组成与实现4
1.1.4计算机系统结构分类6
1.2计算机系统设计9
1.2.1计算机系统的设计原理9
1.2.2计算机系统的设计原则11
1.2.3计算机系统的设计思路11
1.3计算机性能评价指标12
1.4计算机系统结构的发展15
1.4.1冯·诺依曼结构15
1.4.2影响计算机系统结构发展的因素17
本章小结21
习题22第2章指令系统25
2.1数据表示25
2.1.1基本数据表示25
2.1.2浮点数据表示26
2.1.3自定义数据表示27
2.1.4向量数据表示31
2.2指令系统设计原则33
2.2.1指令系统的指令编码方法33
2.2.2寻址技术33
2.2.3指令集结构35
2.3指令系统优化37
2.3.1操作码的优化37
2.3.2指令系统的执行和优化40
2.4精简指令集计算机41
2.4.1CISC的设计思想与问题42
2.4.2RISC的设计思想起源42
2.4.3RISC结构设计原则43
2.4.4RISC结构的基本技术43
2.4.5RISC举例46
2.4.6RISC的发展51
本章小结52
习题53第3章存储系统54
3.1存储系统基本原理54
3.1.1存储系统的定义54
3.1.2存储系统的层次结构56
3.1.3多体交叉访问存储器57
3.2高速缓冲存储器62
3.2.1高速缓冲存储器的基本结构与工作原理62
3.2.2地址映像与转换64
3.2.3替换算法及实现71
3.2.4Cache的预取算法74
3.2.5Cache的一致性问题75
3.2.6Cache性能分析77
3.2.7Cache的实用举例79
3.3虚拟存储器81
3.3.1虚拟存储器的工作原理81
3.3.2虚拟存储器的管理方式83
3.3.3虚拟存储器的地址映像与变换85
3.3.4虚拟存储器实例88
3.4Cache与虚拟存储器的异同90
3.5主存保护90
3.5.1存储区域保护90
3.5.2访问方式保护92
3.5.3存储保护实例93
本章小结94
习题95第4章流水线技术99
4.1基本概念99
4.2流水线工作方式101
4.2.1流水线处理的概念和特点101
4.2.2流水线的分级和分类102
4.2.3流水线举例103
4.3流水线性能分析107
4.3.1技术指标107
4.3.2流水线性能指标参数计算111
4.3.3时序和缓冲115
4.3.4相关处理115
4.3.5转移处理119
4.3.6流水线中断处理121
4.4流水线调度122
4.4.1线性流水线调度122
4.4.2非线性流水线调度125
4.4.3动态硬件预测转移方法127
4.5超级计算机127
4.5.1流水线处理中指令并行性进一步开发127
4.5.2超级标量计算机128
4.5.3超长指令字计算机129
4.5.4超流水计算机130
4.5.5超流水超标量计算机130
4.6向量流水线处理132
4.6.1向量处理方式132
4.6.2向量处理机的结构133
4.6.3改进向量处理机性能的方法135
4.7奔腾Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ处理器流水线处理举例139
本章小结147
习题147第5章并行处理机和多处理机151
5.1概述151
5.2并行处理技术与发展151
5.2.1并行处理技术的开发途径152
5.2.2并行处理技术发展153
5.3并行处理机结构156
5.4多处理机结构162
5.4.1紧耦合多处理机系统163
5.4.2松耦合多处理机系统166
5.5多处理机Cache一致性167
5.6互连网络171
5.6.1互连网络的概念171
5.6.2互连网络的性能参数172
5.6.3互连网络拓扑结构174
5.6.4互连函数176
5.6.5单级互连网180
5.6.6多级互连网183
5.7多处理机的操作系统188
5.7.1多处理机操作系统的特点188
5.7.2多处理机操作系统分类189
5.8多处理机系统实例191
5.8.1SMP共享存储型多处理机191
5.8.2MPP大规模并行处理机192
5.8.3机群系统193
5.8.4曙光一号共享存储并行处理机197
本章小结198
习题199第6章输入/输出系统201
6.1概述201
6.1.1输入/输出设备的分类201
6.1.2输入/输出设备的特点202
6.2基本工作原理203
6.2.1输入/输出系统的结构203
6.2.2输入/输出系统的逻辑组成及工作原理203
6.2.3输入/输出系统的工作方式205
6.3总线207
6.3.1总线工作原理208
6.3.2总线标准与实例209
6.4中断215
6.4.1中断基本概念215
6.4.2中断处理过程216
6.4.3中断优先级和嵌套217
6.5DMA方式218
6.5.1DMA方式的概念218
6.5.2DMA的工作过程219
6.6通道处理机220
6.6.1通道的功能220
6.6.2通道的逻辑组成与工作过程221
6.6.3输入/输出中断223
6.6.4通道的种类及流量分析223
6.7输入/输出处理机229
6.7.1输入/输出处理机的功能229
6.7.2输入/输出处理机系统举例230
本章小结231
习题232第7章MIPS体系结构235
7.1MIPS的发展历程235
7.1.1RISC与CISC235
7.1.2MIPS Ⅰ到MIPS Ⅴ235
7.1.3MIPS32和MIPS64237
7.2MIPS体系结构238
7.2.1MIPS的指令格式238
7.2.2MIPS与CISC体系结构的比较239
7.2.3编址和内存访问240
7.2.4MIPS不支持的特性240
7.3MIPS的缓存241
7.4MIPS指令集243
7.4.1MIPS汇编语言243
7.4.2MIPS指令集243
本章小结264
习题264第8章多核技术266
8.1多核基本概念266
8.1.1多核技术发展趋势266
8.1.2多核概念267
8.1.3片上多核处理器体系结构269
8.2操作系统对多核处理器的支持方法274
8.2.1调度与中断274
8.2.2输入/输出系统274
8.2.3存储管理与文件系统275
8.2.4虚拟化技术276
8.2.5支持多核的操作系统278
8.3多线程技术279
8.3.1线程的定义279
8.3.2多线程定义280
8.3.3多线程技术示例281
8.4面向Intel多核处理器的多线程技术283
8.4.1基于硬件的多线程技术283
8.4.2超线程技术284
8.4.3多核体系结构285
8.5多核发展趋势287
本章小结287
习题288第9章非冯·诺依曼型计算机289
9.1数据流计算机289
9.1.1数据流计算机工作原理289
9.1.2数据流程序图和数据流语言291
9.1.3数据流计算机的性能分析295
9.1.4数据流计算机结构298
9.1.5数据流机器存在的问题302
9.2归约机303
9.2.1函数式程序设计语言303
9.2.2函数式语言的归约机结构304
9.3人工智能计算机307
9.3.1人工智能计算特征307
9.3.2人工智能计算机的结构307
9.3.3人工智能计算机分类309
9.4光计算机310
9.5神经网络计算机310
本章小结312
习题312第10章异构计算314
10.1概述314
10.1.1异构计算基本概念314
10.1.2异构计算工作原理314
10.1.3异构计算的实现315
10.1.4发展趋势315
10.2OpenCL编程简介316
10.2.1OpenCL基本概念316
10.2.2OpenCL程序工作流程316
10.2.3OpenCL存储器模型317
10.2.4OpenCL并行编程基础318
10.3图形处理器320
10.3.1GPU概述320
10.3.2GPU工作原理321
10.3.3GPU架构321
10.3.4GPU存储体系325
10.3.5GPU计算能力327
10.4现场可编程门阵列328
10.4.1FPGA组成要素328
10.4.2FPGA逻辑实现329
10.4.3FPGA设计流程329
10.5深度学习芯片案例分析330
10.5.1寒武纪330
10.5.2XPU330
10.5.3TPU331
10.5.4DPU331
本章小结331
习题332第11章云计算技术333
11.1简介333
11.1.1云计算概念333
11.1.2云计算与互联网和大数据334
11.1.3云计算的发展过程335
11.2云计算的体系结构336
11.2.1云计算的逻辑结构337
11.2.2云计算的物理结构338
11.2.3云计算的特征341
11.3云计算核心技术345
11.3.1分布式系统概述345
11.3.2分布式计算346
11.3.3分布式存储347
11.3.4Hadoop348
11.4云平台实例349
11.4.1IBM“蓝云”计算平台349
11.4.2阿里云平台350
11.4.3华为云实例353
11.4.4Google云实例354
本章小结357
习题358附录ARISCⅤ指令集359

计算机系统结构是计算机专业的必修课程，旨在使学生了解计算机系统结构的发展及新技术，掌握计算机系统的基本设计分析方法。本书系统地讲述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构以及计算机系统结构发展的主流技术和**发展，并介绍了MIPS体系结构、多核技术、云计算、异构计算、RISCⅤ等前沿领域的技术和发展。每章均有小结，学生可对各章的内容清楚地理解和掌握。 全书共11章，分别介绍计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、流水线技术、并行处理机和多处理机、输入/输出系统、MIPS体系结构、多核技术、非冯?诺依曼型计算机、异构计算、云计算技术，以及RISCⅤ指令集（附录）。 本书章节安排合理，在多年计算机专业本科生教学的基础上，总结经验，将现代大多数计算机采用比较成熟的思想、结构和方法以系统结构的角度呈现给学生。 本书既可作为计算机专业本科生的教材，也可以作为深入学习计算机体系结构领域知识人员的参考书。

本书为普通高等教育“十一五”规划教材、-英特尔精品课程主讲教材、北京市“十二五”普通高等教育本科规划教材、北京市高等教育精品教材立项项目。本书系统地讲述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本思想和基本结构，通过本书的学习，可以使计算机设计者能根据用户的需求和当前技术发展水平等方面设计计算机系统，获得较高的性能价格比。本书章节安排合理，在多年计算机专业本科生教学的基础上，总结经验，将现代大多数计算机采用比较成熟的思想、结构和方法以系统结构的角度呈现给学生。
本书既可作为计算机专业本科生的教材，也可作为深入学习高档微型计算机人员的参考书。