计算机系统结构（微课版）

本书结构框架合理、实例丰富，系统介绍了计算机系统结构基础及工程实现的方法，力求帮助读者建立必要的理论体系和技术基础，能够以量化方式评价和分析现有计算机系统、部件的性能。 全书共10章，主要内容包括计算机系统结构概述、计算机指令集、指令流水线、指令级并行处理、内存系统、外存系统、数据级并行、多处理器、数据中心、专用加速器。 本书语言简练、可读性好，既可作为高等院校计算机及相关专业教材，也可作为计算机系统结构相关科技人员的参考书。

曹强，华中科技大学武汉光电国家研究中心，信息存储功能实验室教授，计算机学院存储所教授，博士生导师。1997年本科毕业于南京大学应用物理专业，后就读于华中科技大学计算机学院，2000年获得计算机应用专业硕士学位，于2003年获得计算机系统结构博士学位，毕业后留校任教。2008年7月到2009年7月期间在美国Nebraska-Lincoln大学做访问学者。主要研究领域包括计算机系统结构、大规模高性能存储系统、新型存储原理及系统、绿色长效存储、近数据处理、光存储、FPGA开发等。

第 1章 计算机系统结构概述 1 1.1　计算机系统　1 1.1.1　现代计算机起源和发展过程　1 1.1.2　通用计算机系统结构　3 1.1.3　计算机系统类型　4 1.1.4　处理器发展趋势　6 1.1.5　关键部件发展　10 1.2　计算机系统结构　13 1.2.1　计算机系统结构定义　13 1.2.2　计算机系统结构范畴　15 1.2.3　计算机系统结构并行分类　15 1.3　计算机系统评价指标　16 1.3.1　性能指标　16 1.3.2　能耗和功率　17 1.3.3　成本和价格　20 1.3.4　可靠度　20 1.4　计算机系统设计原则　22 1.4.1　计算机设计原则　22 1.4.2　Amdahl定律　25 1.4.3　处理器性能公式（Iron定律）　26 1.5　计算机系统性能评价　28 1.5.1　性能测量方法　29 1.5.2　性能综合评价方法　30 习　题　31 第　2章 计算机指令集　33 2.1　计算机指令集　33 2.1.1计算机指令集概述　34 2.1.2指令集体系架构　35 2.1.3指令集数据存取模式　37 2.2　编址和寻址方式　38 2.2.1内存编址　38 2.2.2寻址模式　40 2.2.3数据类型　41 2.3　指令类型及格式　42 2.3.1　指令类型　42 2.3.2　控制流指令　43 2.3.3　指令格式　44 2.5　编译器　46 2.5.1　编译器架构　47 2.5.2　编译优化　48 2.5.3　多媒体指令　49 2.5.4　扩展指令集　50 2.6　RISC-V指令集　52 习　题　56 第3章　指令流水线　59 3.1　指令集实现　59 3.1.1　基本逻辑电路　59 3.1.2　处理器单周期实现　60 3.2　指令流水线　63 3.2.1　流水线概念　63 3.2.2　RISC流水线　65 3.2.3流水线基本性能　69 3.3　流水线冲突　70 3.3.1　有停顿流水线性能　70 3.3.2　结构冲突　71 3.3.3　数据冲突　72 3.3.3　分支冲突　75 3.3.5　分支预测　79 3.4　流水线实现　83 习题　86 第4章　指令级并行处理　90 4.1　指令级并行概念　90 4.2　静态指令调度　91 4.2.1　基本流水线调度和循环展开　91 4.2.2　编译器静态指令调度原则　95 4.3　动态指令调度　95 4.3.1　指令动态调度思想　96 4.3.2　Tomasulo动态调度机制　97 4.4　高级动态分支预测　106 4.5　多线程　108 4.5.1多线程技术　108 4.5.2　同时多线程超标量处理器　110 4.6华为泰山处理器　111 习题　112 第5章　内存系统　119 5.1　内存系统概述　119 5.1.1　存储层次结构　119 5.1.2　内存主要类型　123 5.2　Cache机制　123 5.2.1　缓存组织　126 5.2.2　缓存性能　133 5.3　Cache优化　139 5.3.1　提高命中率　142 5.4　虚拟内存　146 5.4.1　再谈存储器层次结构的4个问题　149 5.4.2　快速地址变换　151 5.4.3　页大小　152 习题　152 第6章　外部存储系统　159 6.1　外部存储系统　159 6.1.1　存储层次　159 6.1.2　主流存储介质　161 6.2输入/输出系统结构　166 6.2.1　I/O硬件结构　166 6.2.2　I/O控制过程　168 6.2.3　I/O处理模式　169 6.2.4　I/O性能　171 6.4　存储可靠性　172 6.4.1　可靠性　172 6.4.2　部件串并行系统的可靠性评估　173 6.5　磁盘阵列　174 6.5.1　RAID概念　174 6.5.2　RAID级别　175 6.6　存储系统结构　180 6.6.1存储处理架构　180 习题　182 第7章　数据级并行　184 7.1数据级并行　184 7.2向量处理器　185 7.2.1向量指令集体系结构　185 7.2.2向量处理器工作方式　187 7.2.3　多车道　191 7.2.4　处理变长向量　192 7.2.5　处理分支向量　193 7.2.6　高带宽内存组　194 7.2.7处理多维数组　195 7.2.9向量体系结构编程　196 7.3　SIMD指令集　197 7.3.1　SIMD多媒体扩展指令集　197 7.4图像处理器　201 7.4.1　GPU编程模型　201 7.4.2　GPU计算结构　202 7.4.7向量体系结构、扩展指令集和GPU的异同　208 习题　210 第8章　多处理器　214 8.1　多处理器概念　214 8.1.1　多处理器体系结构　215 8.1.2　并行处理的挑战　218 8.2　互连网络　219 8.2.1互连网络概念　219 8.2.2互连网络结构　222 8.3　缓存一致性概念　222 8.3.1缓存一致性概念　223 8.3.2监听一致性协议　224 8.4　同步　230 8.4.1同步原语　230 8.4.2旋转锁　232 8.5　存储顺序一致性　235 8.5.1存储顺序一致性　235 习题　237 第9章　数据中心　243 9.1　数据中心概述　243 9.1.1　数据中心的先驱　243 9.1.2　数据中心的出现　246 9.2　数据中心的工作负载　248 9.3　数据中心的计算机体系结构　252 9.3.1　数据中心存储　253 9.3.2　阵列交换机　254 9.3.3　数据中心存储层次结构　254 9.4　数据中心的效率与成本　258 习题　267