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计算机系统结构教程

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作者张晨曦[等]编著

出版社清华大学出版社

ISBN9787302651178

出版时间2023-12

装帧平装

开本其他

定价65元

货号14818743

上书时间2024-07-20

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商品详情

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商品描述: 目录
目录CONTENTS 第1章计算机系统结构基础知识1 1.1计算机系统结构的基本概念1 1.1.1计算机系统的层次结构2 1.1.2计算机系统结构的定义3 1.1.3计算机组成和计算机实现3 1.1.4计算机系统结构的分类4 1.2计算机系统的设计7 1.2.1计算机系统设计的定量原理7 1.2.2计算机系统设计者的主要任务10 1.2.3计算机系统设计的主要方法12 1.3计算机系统的性能评测13 1.4计算机系统结构的发展17 1.4.1冯·诺依曼结构及其改进17 1.4.2软件对系统结构的影响19 1.4.3器件发展对系统结构的影响21 1.4.4应用对系统结构的影响22 1.5计算机系统结构中并行性的发展23 1.5.1并行性的概念23 1.5.2提高并行性的技术途径25 1.5.3单机系统中并行性的发展25 1.5.4多机系统中并行性的发展25 1.5.5并行机的发展变化26 习题128 第2章指令系统的设计30 2.1指令系统结构的分类30 2.2指令系统的寻址方式32 2.3指令系统的设计和优化35 2.3.1指令系统设计的基本原则35 2.3.2控制指令36 2.3.3指令操作码的优化37 2.3.4指令字格式的优化40 2.4指令系统的发展和改进42 2.4.1沿CISC方向发展和改进指令系统42 2.4.2沿RISC方向发展和改进指令系统43 2.5操作数的类型和大小45 2.6MIPS指令系统结构47 2.6.1MIPS的寄存器47 2.6.2MIPS的数据表示47 2.6.3MIPS的数据寻址方式47 2.6.4MIPS的指令格式48 2.6.5MIPS的操作49 2.6.6MIPS的控制指令50 2.6.7MIPS的浮点操作51 习题251 第3章流水线技术53 3.1流水线的基本概念53 3.1.1什么是流水线53 3.1.2流水线的分类55 3.2流水线的性能指标58 3.2.1流水线的吞吐率58 3.2.2流水线的加速比60 3.2.3流水线的效率61 3.2.4流水线的性能分析举例62 3.2.5流水线设计中的若干问题64 3.3非线性流水线的调度64 3.3.1单功能非线性流水线的很优调度65 3.3.2多功能非线性流水线的调度67 3.4流水线的相关与冲突70 3.4.1一条经典的5段流水线70 3.4.2相关与流水线冲突72 3.5流水线的实现83 3.5.1MIPS的一种简单实现83 3.5.2基本的MIPS流水线85 习题390 第4章向量处理机93 4.1向量的处理方式93 4.2向量处理机的结构95 4.2.1“存储器存储器”结构95 4.2.2“寄存器寄存器”结构95 4.3提高向量处理机性能的常用技术97 4.3.1设置多个功能部件98 4.3.2链接技术98 4.3.3分段开采技术101 4.3.4采用多处理机系统101 4.4向量处理机的性能评价102 4.4.1向量指令的处理时间Tvp102 4.4.2优选性能R∞和半性能向量长度n1/2104 4.4.3向量长度临界值n 105 4.5向量处理机实例106 4.5.1具有代表性的向量处理机106 4.5.2Cray YMP和C90106 4.5.3NEC SXX44108 习题4108 第5章指令级并行及其开发——硬件方法110 5.1指令级并行的概念110 5.2相关与指令级并行111 5.3指令的动态调度112 5.3.1动态调度的基本思想112 5.3.2记分牌动态调度方法114 5.3.3Tomasulo算法121 5.4动态分支预测技术131 5.4.1采用分支历史表132 5.4.2采用分支目标缓冲器133 5.4.3基于硬件的前瞻执行135 5.5多指令流出技术139 5.5.1基于静态调度的多流出技术140 5.5.2基于动态调度的多流出技术142 5.5.3超长指令字技术145 5.5.4多指令流出处理器受到的146 5.5.5超流水线处理机146 习题5149 第6章指令级并行的开发——软件方法151 6.1基本指令调度和循环展开151 6.1.1指令调度的基本方法151 6.1.2循环展开153 6.2跨越基本块的静态指令调度155 6.2.1全局指令调度155 6.2.2踪迹调度157 6.2.3超块调度160 6.3静态多指令流出: VLIW技术161 6.4显式并行指令计算163 6.4.1非绑定分支164 6.4.2谓词执行165 6.4.3前瞻执行167 6.5开发更多的指令级并行170 6.5.1挖掘更多的循环级并行170 6.5.2软流水175 6.6实例: IA64体系结构178 6.6.1IA64的指令格式179 6.6.2IA64的谓词执行机制181 6.6.3IA64的前瞻执行机制183 习题6183 第7章存储系统185 7.1存储系统的层次结构185 7.1.1存储系统的层次结构概述185 7.1.2存储系统的性能参数186 7.1.3三级存储系统187 7.1.4存储层次的4个问题189 7.2Cache的基本知识189 7.2.1基本结构和原理189 7.2.2映像规则190 7.2.3查找方法192 7.2.4Cache的工作过程194 7.2.5替换算法195 7.2.6写策略199 7.2.7Cache性能分析200 7.2.8改进Cache性能202 7.3降低Cache的不命中率203 7.3.1三种类型的不命中203 7.3.2增加Cache块大小205 7.3.3增加Cache的容量206 7.3.4提高相联度206 7.3.5伪相联Cache207 7.3.6硬件预取208 7.3.7编译器控制的预取208 7.3.8编译优化209 7.3.9“牺牲”Cache211 7.4减少Cache的不命中开销212 7.4.1采用两级Cache212 7.4.2让读不命中优先于写215 7.4.3写缓冲合并215 7.4.4请求字处理技术216 7.4.5非阻塞Cache技术216 7.5减少命中时间217 7.5.1容量小、结构简单的Cache217 7.5.2虚拟Cache217 7.5.3Cache访问流水化220 7.5.4踪迹Cache220 7.5.5Cache优化技术总结220 7.6并行主存系统221 7.6.1单体多字存储器222 7.6.2多体交叉存储器222 7.6.3避免存储体冲突226 7.7虚拟存储器228 7.7.1基本概念228 7.7.2快速地址转换技术229 7.7.3页式虚拟存储器实例: 64位Opteron的存储管理229 7.8实例: AMD Opteron的存储器层次结构232 习题7236 第8章输入输出系统239 8.1I/O系统的性能239 8.2I/O系统的可靠性、可用性和可信性240 8.3廉价磁盘冗余阵列241 8.3.1RAID0243 8.3.2RAID1243 8.3.3RAID2244 8.3.4RAID3245 8.3.5RAID4245 8.3.6RAID5246 8.3.7RAID6246 8.3.8RAID10与RAID01247 8.3.9RAID的实现与发展247 8.4总线248 8.4.1总线的设计248 8.4.2总线标准和实例250 8.4.3与CPU的连接251 8.5通道处理机252 8.5.1通道的作用和功能252 8.5.2通道的工作过程253 8.5.3通道种类255 8.5.4通道流量分析257 8.6I/O与操作系统259 8.6.1DMA和虚拟存储器259 8.6.2I/O和Cache数据一致性260 习题8262 第9章互连网络264 9.1互连函数264 9.1.1互连函数的表示方法264 9.1.2几种基本的互连函数265 9.2互连网络的结构参数与性能指标269 9.2.1互连网络的结构参数269 9.2.2互连网络的性能指标270 9.3静态互连网络271 9.4动态互连网络277 9.4.1总线网络277 9.4.2交叉开关网络277 9.4.3多级互连网络279 9.4.4动态互连网络的比较282 9.5消息传递机制283 9.5.1消息寻径方案283 9.5.2死锁与虚拟通道286 9.5.3流控制策略287 9.5.4选播和广播寻径算法291 习题9292 第10章多处理机294 10.1引言294 10.1.1并行计算机系统结构的分类294 10.1.2存储器系统结构和通信机制296 10.1.3并行处理面临的挑战298 10.2对称式共享存储器的系统结构300 10.2.1多处理机Cache一致性300 10.2.2实现一致性的基本方案301 10.2.3监听协议的实现304 10.3分布式共享存储器的系统结构308 10.3.1目录协议的基本思想308 10.3.2目录协议实例311 10.3.3目录的三种结构314 10.4同步316 10.4.1基本硬件原语316 10.4.2用一致性实现锁318 10.4.3同步性能问题320 10.5同时多线程322 10.5.1将线程级并行转换为指令级并行323 10.5.2同时多线程处理器的设计324 10.5.3同时多线程的性能325 10.6大规模并行处理机326 10.6.1并行计算机系统结构326 10.6.2大规模并行处理机328 10.7多核处理器及性能对比331 10.8多处理机实例——Origin 2000336 习题10342 第11章多核架构与编程344 11.1多核架构的需求344 11.1.1功耗与散热问题344 11.1.2并行度问题345 11.1.3应用软件问题346 11.2多核架构346 11.2.1多核的组织架构347 11.2.2多核架构实例348 11.3基于多核的并行程序设计351 11.3.1并行编程模型概述351 11.3.2共享存储模型与消息传递模型352 11.3.3并行语言354 11.3.4并行算法355 11.4多核编程实例355 11.4.1一个简单的OpenMP程序356 11.4.2OpenMP中的排序算法357 习题11 359 第12章机群系统360 12.1机群的基本结构361 12.1.1机群的硬件组成361 12.1.2机群的软件362 12.2机群的特点363 12.3机群的分类364 12.4典型机群系统简介365 12.4.1Berkeley NOW365 12.4.2Beowulf366 12.4.3LAMP366 12.4.4IBM SP2367 12.4.5天河2号368 习题12372 第13章领域专用体系结构373 13.1选择DSA的原因373 13.2DSA的设计原则374 13.3深度神经网络376 13.3.1DNN的神经单元376 13.3.2典型的DNN模型378 13.4张量处理器383 13.5微软Catapult390 习题13399 第14章阵列处理机400 14.1阵列处理机的操作模型和特点400 14.2阵列处理机的基本结构401 14.2.1分布式存储器的阵列机401 14.2.2共享存储器的阵列机402 14.3阵列处理机实例403 14.3.1实例1: Illiac Ⅳ阵列处理机403 14.3.2实例2: BSP计算机406 14.4阵列处理机的并行算法举例410 习题14413 第15章数据流计算机415 15.1数据流计算机的基本原理415 15.1.1数据驱动原理415 15.1.2数据流计算机中指令的执行过程416 15.1.3数据流计算机的指令结构417 15.2数据流程序图和数据流语言417 15.2.1数据流程序图417 15.2.2数据流语言及其性质421 15.3数据流计算机结构422 15.3.1静态数据流计算机422 15.3.2动态数据流计算机424 15.4数据流计算机的评价427 15.4.1数据流计算机的优点427 15.4.2数据流计算机的缺点428 15.4.3数据流计算机设计中需解决的问题429 习题15429 参考文献431

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本书是“十二五”普通高等教育本科重量规划教材、重量一流课程教材和普通高等教育精品教材。本书系统地论述了计算机系统结构的基本概念、基本结构、基本方法等，强调从开发并行性的角度、用量化分析（性能评价）的方法来研究和分析计算机系统。本书配套资源丰富，包括教学大纲、教学课件、850分钟的微课视频和在线题库。

精彩内容
本书系统地论述了计算机系统结构的基本概念、基本结构、基本方法等，强调从开发并行性的角度、用量化分析（性能评价）的方法研究和分析计算机系统，并且采用微课的形式，配备了教学动画和视频。全书共有15章。第1章论述计算机系统的基本概念、并行性的发展和定量分析基础。第2章论述计算机指令系统的设计和MIPS指令系统。第3章论述流水线技术，包括性能分析、调度、相关与冲突以及流水线的实现。第4章论述向量处理机的结构、常用技术和性能评价。第5章和第6章分别论述如何用硬件和软件的方法开发指令级并行性，包括Tomasulo算法、基于硬件的前瞻执行、多指令流出技术、循环展开、VLIW、EPIC等。第7章论述存储系统，重点论述Cache的基本知识及提高Cache性能的各种方法。第8章论述总线、通道处理机和RAID。第9章论述互连网络的特性参数、静/动态互连网络以及消息传递机制等。第10章论述SMP、DSM、MPP等并行计算机系统结构，以及多Cache一致性、同步、同时多线程。第11章论述多核架构以及基于多核的并行程序设计。第12章论述机群系统。第13章论述领域专用体系结构。最后两章分别论述阵列处理机和数据流计算机。本书内容丰富、语言简练、可读性好，可作为高等院校计算机及相关专业的教材，也可作为相关科技人员的参考书。

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