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目录1

1.1 计算机系统结构的含义1

第一章 绪论1

1.2 促进计算机系统结构发展的因素2

1.2.1 冯·诺依曼计算机2

1.2.2 改革冯·诺依曼机的必要性3

1.3 计算机系统结构的发展5

1.3.1 计算机系统的发展5

1.3.2 微处理机的发展7

1.3.3 计算机系统结构的发展8

1.3.4 计算机与通信技术结合引起的发展10

1.4 硬件与软件的功能分配11

第二章 存储系统14

2.1 存储系统的基本概念14

2.1.1 存储器在计算机中的地位14

2.1.2 存储系统的层次结构14

2.1.3 存储器访问的局部性16

2.1.4 层次结构中的命中率17

2.1.5 哈佛系统结构18

2.2 提高主存储器速度19

2.2.1 高速DRAM的进展19

2.2.2 并行主存系统21

2.3 高速缓冲存储器23

2.3.1 高速缓冲存储器的结构23

2.3.2 地址映象25

2.3.3 替换算法29

2.3.4 写入策略32

2.3.5 分裂型高速缓冲存储器33

2.3.6 二级高速缓冲存储器33

2.3.7 实例：Pentium Pro的高速缓冲存储器35

2.4 存储管理40

2.4.1 主存储器分区管理的基本概念40

2.4.2 页式管理42

2.4.3 段式管理44

2.5.1 按需调页45

2.5 虚拟存储器45

2.4.4 段页式管理45

2.5.2 虚拟存储器的实现47

2.5.3 实例：IBM 370系统的虚拟存储器49

2.5.4 实例：Pentium Pro的虚拟存储器52

2.5.5 缺页及其处理58

2.5.6 虚拟存储器工作过程59

2.5.7 分层页表61

2.5.8 反向页表64

2.6 高速缓冲存储器和虚拟存储器协同工作65

2.6.1 cache-主存-辅存层次协同工作65

2.6.2 实地址cache和虚地址cache67

2.7 存储保护70

2.7.1 存储保护的必要性70

2.7.2 工作状态的保护70

2.7.3 存储区域的保护70

2.8 相联存储器73

2.8.1 信息访问方式73

2.7.4 访问方式的保护73

2.8.2 相联存储器74

第三章 输入输出系统78

3.1 输入输出系统基本概念78

3.2 程序控制输入输出80

3.3 中断驱动输入输出80

3.4 直接存储器访问81

3.4.1 基本原理81

3.4.2 直接存储器访问的输入输出工作过程83

3.4.3 直接存储器访问部件在计算机系统中的布局84

3.4.4 DMA实例84

3.5 输入输出通道87

3.5.1 基本原理87

3.5.2 分类91

3.5.3 工作过程举例92

3.6 总线系统94

3.6.1 基本概念94

3.6.2 总线的定时95

3.6.3 总线的判优98

3.6.4 系统总线实例：PCI总线102

3.7.1 提高磁盘存储器速度的重要性106

3.7.2 提高磁盘驱动器速度106

3.7 磁盘存储器106

3.7.3 磁盘高速缓冲存储器107

3.7.4 磁盘阵列108

4.1 引言117

第四章 指令系统的系统结构117

4.2 指令格式和寻址方式118

4.2.1 指令格式和编码118

4.2.2 指令格式举例119

4.2.3 寻址方式123

4.3 数据表示126

4.3.1 浮点数表示126

4.3.2 带标志符的数据表示128

4.3.3 数据表示举例131

4.3.4 字节顺序132

4.4 指令系统的设计133

4.4.1 指令系统设计过程133

4.4.2 对指令系统的要求133

4.5 指令系统对高级语言的支持134

4.5.1 冯·诺依曼语义差距134

4.5.2 加强对高级语言支持能力的途径135

4.6 指令系统对操作系统的支持137

4.7 指令系统对多媒体应用的支持140

4.7.2 多媒体扩展指令集140

4.7.1 媒体处理机产生的背景140

4.7.3 多媒体扩展指令集实例：MMX141

4.8 中断系统143

4.8.1 中断的分类144

4.8.2 中断响应的优先级145

4.8.3 中断的屏蔽和中断处理次序145

4.8.4 中断处理过程和硬软件功能分担147

4.8.5 中断的断点150

4.9 状态控制150

5.1 计算机系统的分类153

第五章 处理机系统153

5.2.1 指令流水线154

5.2 流水方式154

5.2.2 运算流水线157

5.2.3 运算流水线分类159

5.2.4 流水线中的相关问题160

5.2.5 流水线中的循环处理168

5.2.6 流水线中的精确断点171

5.2.7 先行控制处理机173

5.3 多功能部件处理机176

5.4 向量处理机178

5.4.1 向量的流水处理178

5.4.2 向量处理机的组成179

5.4.3 提高运算速度的技术181

5.4.4 向量化编译程序185

5.5 附加式数组处理机185

5.6.1 产生背景188

5.6 简化指令系统计算机188

5.6.2 主要特点190

5.6.3 寄存器窗口192

5.6.4 RISC实例：R2000/R3000194

5.6.5 RISC实例：PowerPC601197

5.7.1 指令级并行性201

5.7 指令级并行201

5.8.1 概述203

5.8 超级流水线计算机203

5.7.2 一个周期流出多条指令的处理机203

5.8.2 超级流水线计算机实例：R4000205

5.9.1 概述208

5.9 超级标量计算机208

5.9.2 超级标量计算机中的基本技术209

5.9.3 超级标量计算机实例：PowerPC 620214

5.9.4 超级标量计算机实例：R10000218

5.9.5 超级标量计算机实例：Alpha 21264221

5.9.6 CISC/RISC系统结构及实例：Pentium Pro224

5.10 超长指令字计算机228

5.10.1 概述228

5.10.2 超长指令字计算机实例：Cydra 5229

5.11 软件流水线232

第六章 并行处理机系统238

6.1 引言238

6.1.1 高度并行的计算机系统238

6.1.2 多处理机系统的优点239

6.2.1 概述241

6.2.2 SIMD实例：Illiac Ⅳ241

6.2 SIMD并行处理机241

6.2.3 SIMD实例：CM-2247

6.3 MIMD多处理机250

6.3.1 概述250

6.3.2 松耦合多处理机系统（多计算机系统）250

6.3.3 紧耦合多处理机系统（多处理机系统）252

6.3.4 UMA和NUMA多处理机254

6.3.5 对称多处理机254

6.3.6 同构型和异构型多处理机255

6.4.2 静态拓扑结构互联网络256

6.4 互联网络256

6.4.1 互联网络的特征256

6.4.3 动态拓扑结构互联网络259

6.4.4 静态互联网络的路由选择和流控制266

6.5 cache一致性269

6.5.1 概述269

6.5.2 以硬件为基础的方法270

6.5.3 以软件为基础的方法273

6.5.4 监视cache协议法实例：MESI274

6.5.5 CC-NUMA机277

6.6 大中型计算机的多处理机系统279

6.6.1 IBM370系列多处理机系统279

6.6.2 IBM S/390 G5多处理机系统282

6.7 多处理机系统实例283

6.7.1 Cray T3D系统285

6.7.2 Intel Paragon XP/S系统287

6.8.1 基本概念288

6.8 容错计算机288

6.8.2 松耦合多处理机构成的容错计算机289

6.8.3 紧耦合多处理机构成的容错计算机291

6.8.4 容错计算机实例：Tandem的NonStop系统292

6.8.5 容错计算机实例：Stratus系统295

6.9 机群297

6.9.1 基本概念297

6.9.2 机群的分类299

6.9.4 机群实例：IBM SP2300

6.9.3 机群的系统结构300

第七章 非传统计算机系统结构304

7.1 引言304

7.2 脉动阵列结构304

7.2.1 基本原理304

7.2.2 面向特定算法的脉动阵列结构306

7.2.3 通用的脉动阵列结构310

7.3 数据流计算机311

7.3.1 基本原理311

7.3.2 数据流图与数据流程序312

7.3.3 数据流语言315

7.3.4 数据流计算机的分类317

7.4 归约机321

7.4.1 函数式语言322

7.4.2 归约模型324

7.4.3 归约机324