目 錄
第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)論 1
1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念 1
1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展 1
1.2.1 馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 2
1.2.2 器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 3
1.2.3 應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 4
1.2.4 算法對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 5
1.2.5 價(jià)格對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 5
1.2.6 功耗對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 5
1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu) 6
1.3.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 6
1.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 8
1.3.3 計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn) 9
1.3.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)三者的關(guān)系 9
1.3.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特性 10
1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法 12
1.4.1 軟、硬件取舍的基本原則 12
1.4.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原則 12
1.4.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) 14
1.4.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 15
1.5 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域 16
1.5.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 16
1.5.2 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究方向 19
1.5.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì) 19
1.6 小結(jié) 21
習(xí)題 22
第2章 處理器及其相關(guān)技術(shù) 24
2.1 CPU組成 24
2.2 數(shù)據(jù)表示 25
2.3 指令優(yōu)化 26
2.3.1 指令格式優(yōu)化 26
2.3.2 指令系統(tǒng)分析 28
2.4 指令集 29
2.4.1 RISC和CISC 29
2.4.2 RISC-V 30
2.5 時(shí)鐘頻率 31
2.6 并行 31
2.6.1 指令級(jí)并行 31
2.6.2 線程級(jí)并行 32
2.6.3 數(shù)據(jù)并行和SIMD指令集 32
2.7 多核技術(shù) 33
2.8 CPU內(nèi)部互連 34
2.8.1 早期的星形總線與跨Socket互連 34
2.8.2 Intel環(huán)形總線架構(gòu) 35
2.8.3 Intel Mesh總線架構(gòu) 37
2.8.4 AMD CCX架構(gòu)和Infinity Fabric總線 37
2.9 CPU外部互連 39
2.10 OpenMP多線程并行編程 41
2.10.1 編譯制導(dǎo)語句 41
2.10.2 API函數(shù) 42
2.11 GPU 44
2.11.1 GPU概述 44
2.11.2 GPU硬件結(jié)構(gòu) 46
2.11.3 GPU的存儲(chǔ)層次 48
2.12 CUDA 48
2.12.1 CUDA簡(jiǎn)介 48
2.12.2 線程管理 49
2.12.3 CUDA編程 49
2.13 OpenMP-CUDA混合編程 51
2.14 多核CPU-GPU計(jì)算平臺(tái)任務(wù)調(diào)度 54
2.15 小結(jié) 57
習(xí)題 58
第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 61
3.1 地址映像和變換 61
3.1.1 程序的定位 61
3.1.2 全相聯(lián)映像及其變換 66
3.1.3 直接映像及其變換 67
3.1.4 組相聯(lián)映像及其變換 68
3.1.5 段相聯(lián)映像及其變換 71
3.2 替換算法及其實(shí)現(xiàn) 72
3.2.1 替換算法的分析 72
3.2.2 LRU替換算法的實(shí)現(xiàn) 75
3.3 并行主存系統(tǒng) 77
3.3.1 并行主存系統(tǒng)頻寬分析 77
3.3.2 單體多字存儲(chǔ)器 78
3.3.3 多體交叉存儲(chǔ)器 79
3.3.4 地址空間的劃分和訪問周期的控制 81
3.4 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 84
3.4.1 Cache基本結(jié)構(gòu)和工作原理 84
3.4.2 Cache的替換算法分析 86
3.4.3 Cache的透明性 87
3.4.4 任務(wù)切換對(duì)失效率的影響 88
3.4.5 多處理機(jī)系統(tǒng)的Cache結(jié)構(gòu) 89
3.4.6 Cache-主存層次性能分析 90
3.4.7 Cache性能計(jì)算 92
3.5 虛擬存儲(chǔ)器 97
3.5.1 虛擬存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 97
3.5.2 虛地址和輔存實(shí)地址的變換 98
3.5.3 多用戶虛擬存儲(chǔ)器 99
3.5.4 加快地址變換的方法 102
3.5.5 虛擬存儲(chǔ)器性能分析 105
3.6 主存保護(hù)與控制 108
3.6.1 主存保護(hù) 108
3.6.2 主存控制部件 111
3.6.3 磁盤冗余陣列 112
3.7 小結(jié) 115
習(xí)題 116
第4章 流水線結(jié)構(gòu) 118
4.1 流水線結(jié)構(gòu)原理 118
4.1.1 重疊方式 118
4.1.2 先行控制 121
4.1.3 流水線技術(shù) 123
4.2 線性流水線性能指標(biāo) 126
4.2.1 吞吐率 126
4.2.2 加速比 127
4.2.3 效率 127
4.2.4 流水線段數(shù)選擇 128
4.3 非線性流水線 130
4.3.1 預(yù)約表和等待時(shí)間分析 130
4.3.2 無沖突調(diào)度 133
4.3.3 流水線調(diào)度優(yōu)化 135
4.4 流水線相關(guān)處理 138
4.4.1 局部相關(guān)及處理 138
4.4.2 全局相關(guān)及處理 139
4.4.3 流水線中斷處理 139
4.5 超級(jí)流水處理機(jī) 140
4.5.1 超標(biāo)量處理機(jī) 140
4.5.2 超流水線處理機(jī) 143
4.5.3 超長(zhǎng)指令字處理機(jī) 144
4.6 小結(jié) 146
習(xí)題 147
第5章 并行處理機(jī)與多處理機(jī)系統(tǒng) 150
5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性概念 150
5.2 并行處理機(jī)基本結(jié)構(gòu) 151
5.2.1 分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 153
5.2.2 共享式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 159
5.2.3 并行處理機(jī)特點(diǎn) 160
5.3 并行處理機(jī)互連網(wǎng)絡(luò) 160
5.3.1 互連網(wǎng)絡(luò)基本概念 161
5.3.2 單級(jí)互連函數(shù) 162
5.3.3 互連網(wǎng)絡(luò)特性 165
5.3.4 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò) 166
5.3.5 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò) 171
5.3.6 多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò) 173
5.3.7 互連網(wǎng)絡(luò)尋徑 177
5.4 多處理機(jī)系統(tǒng) 182
5.4.1 多處理機(jī)系統(tǒng)的定義 183
5.4.2 多重處理對(duì)處理機(jī)特性的要求 183
5.5 多處理機(jī)結(jié)構(gòu) 185
5.5.1 多處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 185
5.5.2 多處理機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò) 186
5.5.3 多處理機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 192
5.5.4 多處理機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 196
5.6 多處理機(jī)的軟件 197
5.6.1 算術(shù)表達(dá)式的并行算法 197
5.6.2 程序并行性分析 198
5.6.3 并行程序語言 199
5.6.4 多處理機(jī)的操作系統(tǒng) 202
5.7 多處理機(jī)系統(tǒng)實(shí)例 205
5.7.1 多處理機(jī) 205
5.7.2 Cmmp多處理機(jī) 207
5.8 小結(jié) 209
習(xí)題 210
第6章 集群、網(wǎng)格和云計(jì)算 212
6.1 集群概述 212
6.2 集群系統(tǒng)的軟硬件組成 214
6.2.1 計(jì)算節(jié)點(diǎn) 214
6.2.2 網(wǎng)絡(luò) 215
6.2.3 存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn) 216
6.2.4 管理節(jié)點(diǎn) 218
6.2.5 MPI并行編程 220
6.3 集群系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù) 224
6.3.1 集群系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 224
6.3.2 集群系統(tǒng)的維護(hù) 228
6.4 集群系統(tǒng)的性能測(cè)試 230
6.4.1 性能評(píng)價(jià)和測(cè)量 230
6.4.2 Linpack測(cè)試 232
6.5 高性能集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)例 233
6.6 網(wǎng)格 235
6.6.1 網(wǎng)格概述 235
6.6.2 網(wǎng)格技術(shù)簡(jiǎn)介 235
6.7 云計(jì)算 237
6.7.1 云計(jì)算概述 237
6.7.2 云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù) 240
6.7.3 OpenStack開源虛擬化平臺(tái) 245
6.8 大數(shù)據(jù) 247
6.9 小結(jié) 249
習(xí)題 250
參考文獻(xiàn) 251