计算机体系结构教程(计算机领域101计划核心教材)

本书论述比较成熟的现 代计算机体系结构的基本概 念、基本原理和基本分析方 法，并特别强调采用量化评 测的分析技术和方法。本书 共8章，主要内容包括计算 机体系结构的基本概念、指 令系统、流水线技术、指令 级并行、存储层次、输入输 出系统、多处理机、集群计 算机。 本书语言简练，深入浅 出，通俗易懂，适合作为高 等学校计算机科学与技术学 科各专业以及自动化、电子 工程等相关专业本科生、研 究生的教材，也可作为计算 机领域工程技术人员的参考 书。

王志英，男，1956年8月生，汉族，山西沁县人，1988年在国防科学技术大学计算机系获博士学位。现任国防科学技术大学计算机学院教授、博士生导师，国家精品课程“计算机体系结构”负责人。1992年成为国家级突出贡献中青年专家并享受政府特殊津贴，全国高等院校优秀骨干教师，人事部百千万跨世纪优秀人才库一二层次人选，中国计算机学会教育专业委员会主任委员、全国计算机教育研究会副理事长、湖南省计算机学会理事长、 高等学校计算机类教学指导分委员会副主任。主要研究方向为计算机系统结构和微处理器设计等。二十多年来作为项目负责人参加的各类项目包括国家自然科学基金、国家973重大基础研究、国家863高技术研究、型号工程和对外合作等共计二十多项。已获国家科技进步二等奖1项，国家教学成果一等奖1项，国家教学成果二等奖1项，部委级教学成果一等奖2项，部委级科技进步一等奖2项、二等奖6项、三等奖6项，部委级自然科学二、三等奖各1项，获国家发明专利25项，出版专著和教材8部，其中《计算机体系结构》获2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖。

第1章 计算机体系结构概述 1.1 计算机体系结构的概念 1.1.1 存储程序计算机 1.1.2 计算机体系结构、组成和实现 1.1.3 计算机系统中的层次概念 1.1.4 系列机和兼容 1.2 计算机体系结构的发展 1.2.1 计算机分代、分型与分类 1.2.2 软件的发展 1.2.3 应用的发展 1.2.4 相关核心技术产品的发展 1.2.5 计算机体系结构的发展 1.2.6 并行处理技术的发展 1.2.7 体系结构技术的挑战 1.3 计算机系统设计和分析 1.3.1 成本和价格 1.3.2 性能评测的技术方法 1.3.3 基准测试程序 1.3.4 量化设计的基本原则 1.4 基本的可靠性模型 1.4.1 可靠性的基本概念 1.4.2 多部件系统的可靠性 1.5 小结 习题1 第2章 指令系统 2.1 指令系统的分类 2.2 寻址方式 2.3 指令系统的设计和优化 2.3.1 指令系统设计的基本原则 2.3.2 控制指令 2.3.3 指令操作码的优化 2.4 指令系统的发展和改进 2.4.1 沿CISC方向发展和改进指令系统 2.4.2 沿RISC方向发展和改进指令系统 2.5 操作数的类型和大小 2.6 RISC-V指令系统 2.6.1 RISC-V的寄存器 2.6.2 RISC-V的数据类型 2.6.3 RISC-V的数据寻址方式 2.6.4 RISC-V的指令格式 2.6.5 RISC-V的操作 2.6.6 RISC-V的控制指令 2.6.7 RISC-V的浮点操作 2.7 小结 习题2 第3章 流水线技术 3.1 流水线概述 3.1.1 流水线的基本概念 3.1.2 流水线的分类 3.2 RISC-V基本流水线 3.2.1 RISC-V的一种简单实现 3.2.2 基本RISC-V流水线 3.2.3 流水线性能分析 3.3 流水线中的依赖 3.3.1 流水线的结构依赖 3.3.2 流水线的数据依赖 3.3.3 流水线的控制依赖 3.4 流水线计算机实例分析 3.4.1 MIPS R4000的整型流水线 3.4.2 MIPS R4000的浮点流水线 3.4.3 MIPS R4000流水线的性能分析 3.5 向量处理机 3.5.1 向量处理方式和向量处理机 3.5.2 向量处理机实例分析 3.6 小结 习题3 第4章 指令级并行性 4.1 指令级并行性的概念 4.1.1 循环展开调度的基本方法 4.1.2 依赖关系 4.2 指令的动态调度 4.2.1 动态调度的原理 4.2.2 动态调度算法之一：记分牌 4.2.3 动态调度算法之二：Tomasulo算法 4.3 控制依赖的动态解决技术 4.3.1 分支预测缓冲 4.3.2 分支目标缓冲 4.3.3 前瞻执行的硬件实现 4.4 多指令流出技术 4.4.1 静态超标量技术 4.4.2 动态多指令流出技术 4.4.3 超长指令字技术 4.4.4 多指令流出处理器受到的限制 4.5 软件流水 4.6 小结 习题4 第5章 存储层次 5.1 存储器的层次结构 5.1.1 多级存储层次 5.1.2 存储层次的性能指标 5.1.3 两种存储层次关系 5.1.4 存储层次的4个关键问题 5.2 Cache基本知识 5.2.1 映射规则 5.2.2 查找方法 5.2.3 替换算法 5.2.4 写策略 5.2.5 Cache结构 5.2.6 Cache性能分析 5.2.7 改进Cache性能 5.3 降低Cache失效率的方法 5.3.1 调节Cache块大小 5.3.2 提高相联度 5.3.3 牺牲Cache 5.3.4 硬件预取 5.3.5 编译器控制的预取 5.3.6 编译器优化 5.4 减少Cache失效开销的方法 5.4.1 写缓冲及写合并 5.4.2 让读失效优先于写 5.4.3 请求字处理 5.4.4 多级Cache 5.4.5 非阻塞Cache 5.5 减少Cache命中时间的方法 5.5.1 容量小、结构简单的Cache 5.5.2 虚拟Cache 5.5.3 访问流水化 5.5.4 多体Cache 5.5.5 路预测 5.5.6 踪迹Cache 5.5.7 Cache优化技术总结 5.6 主存 5.6.1 存储器组织技术 5.6.2 存储器芯片技术 5.7 虚拟存储器 5.7.1 虚拟存储器基本原理 5.7.2 快表 5.7.3 虚存和Cache关系的例子 5.8 虚存保护和虚存实例 5.8.1 进程保护技术 5.8.2 页式虚存举例：64位Opteron 5.8.3 虚拟机保护 5.9 综合例子 5.9.1 AMD Opteron存储层次 5.9.2 Intel Core i7 6700存储层次 5.10 小结 习题5 第6章 输入输出系统 6.1 引言 6.1.1 I/O处理对计算机总体性能的影响 6.1.2 I/O系统的可靠性 6.2 外部存储设备 6.2.1 磁盘设备 6.2.2 Flash存储器与固态硬盘 6.2.3 磁带设备 6.2.4 光盘设备 6.3 I/O系统性能分析与评测 6.3.1 I/O性能与系统响应时间 6.3.2 Little定律 6.3.3 M/M/1排队系统 6.3.4 M/M/m排队系统 6.3.5 I/O基准测试程序 6.4 I/O系统的可靠性