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第1章 计算机体系结构导论1

1.1 计算机体系结构的基本概念1

1.1.1 提高计算机性能的硬件因素1

1.1.2 广义的计算机语言与虚拟计算机2

1.1.3 计算机体系结构及其范畴3

1.1.4 计算机组成与计算机实现4

1.1.5 计算机体系结构的特性6

1.2 计算机体系结构的演变10

1.2.1 计算机体系结构的基本模型10

1.2.2 计算机体系结构存在的主要问题及其改进12

1.2.3 计算机体系结构的演变过程14

1.3 影响计算机体系结构的因素16

1.3.1 影响计算机体系结构的基本因素16

1.3.2 编译技术与计算机体系结构的关系20

1.3.3 算法与计算机体系结构的关系23

1.3.4 计算机体系结构的分类23

1.4 计算机体系结构中的并行性及其发展27

1.4.1 并行性与并行处理27

1.4.2 并行性等级的划分28

1.4.3 提高计算机并行性的技术途径29

1.4.4 多机系统及其耦合度29

1.4.5 多处理机系统30

1.4.6 计算机体系结构实现并行处理的历程31

1.5 计算机体系结构设计的基础34

1.5.1 计算机体系结构设计的原则34

1.5.2 计算机体系结构设计的方法35

1.5.3 软件可移植性及其实现的方法36

1.5.4 计算机体系结构设计的定量原理38

1.5.5 CPU性能分析39

1.6 计算机系统的评价41

1.6.1 计算机系统评价的概念41

1.6.2 计算机系统的性能41

1.6.3 计算机系统的成本与价格42

1.6.4 程序执行时间的测定43

习题一45

第2章 流水线技术49

2.1 流水线的基本概念49

2.1.1 多条指令的执行方式49

2.1.2 什么是流水线50

2.1.3 流水线的表示方法51

2.1.4 流水线的分类52

2.1.5 流水线的特点55

2.2 处理机实现流水线的基本结构56

2.2.1 重叠执行方式的基本结构56

2.2.2 先行控制方式的基本结构57

2.2.3 先行控制指令流水线的基本结构60

2.2.4 运算操作流水线和宏流水线的基本结构61

2.2.5 流水线结构设计中的若干问题61

2.3 线性流水线的性能及其分析62

2.3.1 吞吐率（Through Put rate,TP）62

2.3.2 加速比（Speedup ratio,S）64

2.3.3 效率（Efficiency,E）64

2.3.4 吞吐率、加速比和效率之间的关系65

2.3.5 流水线“瓶颈”问题的解决方法65

2.3.6 流水线最佳段数的选择67

2.4 流水线中的相关及其处理70

2.4.1 流水线中相关的基本概念70

2.4.2 资源相关71

2.4.3 操作数相关73

2.4.4 指令相关76

2.4.5 变址相关76

2.4.6 条件转移相关及其对流水线效率的影响77

2.4.7 条件转移相关的处理技术79

2.4.8 无条件转移相关85

2.4.9 中断转移相关85

2.5 非线性流水线的调度86

2.5.1 问题的提出86

2.5.2 非线性流水线调度的相关术语及其计算方法88

2.5.3 最小启动循环调度策略的求解及其实现89

2.5.4 非线性流水线的优化调度方法91

2.5.5 多功能非线性流水线的调度93

习题二95

第3章 互联网络技术101

3.1 互联网络的基本概念101

3.1.1 互联网络及其组成与特征101

3.1.2 互联网络的描述工具103

3.1.3 常用的基本互连函数104

3.1.4 互联网络结构特性和传输性能参数108

3.1.5 互联网络的分类110

3.2 静态互联网络112

3.2.1 静态互联网络及类型112

3.2.2 静态互联网络的结构112

3.2.3 静态互联网络特性的比较116

3.3 动态互联网络116

3.3.1 动态互联网络及其互连形式116

3.3.2 总线互联网络116

3.3.3 交叉开关互联网络117

3.3.4 多级交叉开关互联网络118

3.3.5 动态互联网络特性的比较120

3.4 常用的多级交叉开关动态互联网络121

3.4.1 Ω多级动态网络（Omega网络）121

3.4.2 STARAN多级动态网络123

3.4.3 间接二进制n方体多级动态网络127

3.4.4 δ多级动态网络128

3.4.5 DM多级动态网络129

3.4.6 基准多级动态网络130

3.4.7 可重排3级Clos网络131

3.4.8 Benes二进制置换网络132

3.5 互联网络的消息传递135

3.5.1 消息传递的格式与方式135

3.5.2 路由选择及其方法138

3.5.3 算术选路算法140

3.5.4 虚拟通道141

3.5.5 死锁142

3.5.6 流量控制策略147

3.5.7 选播和广播寻径150

习题三152

第4章 计算机属性优选技术157

4.1 数据表示157

4.1.1 数据表示的基本概念157

4.1.2 引入数据表示的基本原则159

4.1.3 自定义数据表示159

4.1.4 向量与堆栈数据表示163

4.1.5 浮点数的尾数基值及其格式设计165

4.1.6 原子类型操作数的大小168

4.2 寻址技术与存储保护169

4.2.1 编址方式169

4.2.2 寻址方式171

4.2.3 程序装入与定位172

4.2.4 存储保护174

4.3 指令格式的优化设计176

4.3.1 指令系统设计的基础176

4.3.2 指令系统的结构分类178

4.3.3 指令字的编码格式179

4.3.4 指令格式中的地址码181

4.3.5 指令格式中的操作码编码183

4.3.6 指令系统中的控制指令187

4.4 指令系统的功能设计191

4.4.1 指令系统功能的发展与改进191

4.4.2 复杂指令系统的功能设计193

4.4.3 精简指令系统的功能设计195

4.4.4 精简指令系统计算机196

4.5 输入输出系统与总线200

4.5.1 输入输出系统的概述200

4.5.2 输入输出系统控制方式202

4.5.3 输入输出系统组织方式204

4.5.4 中断系统的软硬件功能分配204

4.5.5 总线210

习题四217

第5章 并行存储器与存储系统的组织224

5.1 并行存储器与相联存储器224

5.1.1 并行存储器及其实现途径224

5.1.2 单体多字存储器224

5.1.3 多体多字交叉编址存储器226

5.1.4 多体多字存储器的无访问冲突229

5.1.5 相联存储器230

5.2 存储系统的组织原理233

5.2.1 存储系统的基本概念233

5.2.2 存储系统组织的基本思想234

5.2.3 存储的基本层次和三级存储系统236

5.2.4 三级存储系统的组织方式238

5.2.5 存储系统的性能指标239

5.3 Cache存储系统的组织基础241

5.3.1 Cache存储系统的工作原理241

5.3.2 几种地址映像和地址变换的方法242

5.3.3 替换算法及其实现251

5.3.4 Cache存储系统的一致性维护255

5.3.5 Cache存储系统的性能指标257

5.4 提高Cache存储系统性能的方法261

5.4.1 不命中的类型262

5.4.2 降低Cache不命中率的方法262

5.4.3 减少Cache不命中开销的方法268

5.4.4 减少Cache命中时间的方法272

5.4.5 Cache优化技术的比较275

习题五276

第6章 指令级高度并行处理机的组织284

6.1 指令级高度并行处理机的基本概念284

6.1.1 标量指令与标量处理机284

6.1.2 指令级并行的实现方法及其衡量指标284

6.1.3 指令发射及其类型285

6.1.4 指令调度及其基本方法286

6.1.5 静态指令调度——软件方法286

6.2 硬件动态指令调度——硬件方法289

6.2.1 动态指令调度的基本思想289

6.2.2 记分牌指令调度方法290

6.2.3 Tomasulo指令调度方法296

6.3 基于硬件技术的多发射处理机303

6.3.1 超标量处理机（Superscalar Processor）303

6.3.2 超流水线处理机（Superpipelining Processor）308

6.3.3 超标量超流水线处理机311

6.3.4 四种不同类型处理机的性能比较314

6.4 基于软件技术的多发射处理机315

6.4.1 超长指令字处理机及其结构原理315

6.4.2 超长指令字处理方式的特征316

6.4.3 超长指令字与超标量两种处理方式的区别317

6.4.4 超长指令字处理机实例——Cydra 5处理机318

习题六318

第7章 数据操作级高度并行处理机322

7.1 向量处理机322

7.1.1 向量处理的基本概念322

7.1.2 向量处理的基本方式323

7.1.3 向量处理机的基本结构325

7.1.4 向量处理机的指令327

7.1.5 提高向量处理机性能的常用技术329

7.1.6 向量处理机的性能334

7.1.7 向量处理机实例335

7.1.8 向量协处理器340

7.2 阵列处理机344

7.2.1 阵列处理机操作模型与特点344

7.2.2 阵列处理机的基本结构345

7.2.3 阵列处理单元的结构347

7.2.4 阵列处理机的并行算法348

7.2.5 阵列处理机的实例351

7.3 脉动阵列处理机362

7.3.1 脉动阵列处理机的基本原理362

7.3.2 脉动阵列处理机的优缺点363

7.3.3 特定算法的脉动阵列处理机结构364

7.3.4 通用脉动阵列处理机结构366

习题七368

第8章 多处理机371

8.1 多处理机的基本概念371

8.1.1 多处理机及其一般模型371

8.1.2 多处理机的分类372

8.1.3 多处理机的特点375

8.1.4 多处理机的操作系统376

8.2 多处理机的Cache一致性377

8.2.1 多处理机Cache间不一致性的由来377

8.2.2 多处理机Cache不一致的处理方法378

8.2.3 写无效总线监听协议法379

8.2.4 基于目录协议法382

8.3 机群系统384

8.3.1 机群系统及其特点384

8.3.2 机群系统的软硬件结构386

8.3.3 机群系统的关键技术388

习题八391

参考文献393