计算机系统结构(第五版) - 新世纪计算机类本科规划教材 - 中国高校教材图书网
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书名： |
计算机系统结构(第五版)
新世纪计算机类本科规划教材
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| ISBN： | 978-7-5606-2681-9 |
条码： | |
| 作者： |
李学干
相关图书
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装订： | 平装 |
| 印次： | 5-38 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥37.00
折扣价：￥35.15
折扣：0.95
节省了1.85元
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字数： |
500千字
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| 出版社： |
西安电子科技大学出版社 |
页数： |
329页
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| 发行编号： | |
每包册数： |
13
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| 出版日期： |
2014-09-30 |
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| 内容简介： |
本书是在原书第四版的基础上修订而成的。这次修订的重点是第1、4、5、6章。
本书系统地讲述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、
基本分析方法以及近年来在该领域的进展。
全书共8章。主要内容有：计算机系统结构基础及并行性的开发；数据表示、寻址方式与指令系统的设计、优化、发展和改进；存储、中断、总线与输入/输出系统；虚拟存储器、Cache存储器、三级存储层次和存储系统的保护；重叠方式和流水方式的标量处理机及指令级高度并行的超级处理机；向量的流水处理和向量流水处理机、阵列处理机的原理、并行算法和互连网络；多处理机的硬件结构、多Cache的一致性、程序的并行性和性能、操作系统和多处理机的发展；数据流计算机和归约机。
本书内容丰富，取材适当，每章有大量例题和习题。每章末均有本章小结，给出本章“知识点和能力层次要求”以及“重点和难点”。书末附有各章习题参考答案。
本书可作为计算机专业本科生和相关专业研究生的教材，也可作为相关领域科技人员的参考书。
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| 作者简介： |
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| 章节目录： |
第1章 计算机系统结构基础及并行性的开发 1
1.1 计算机系统的层次结构 1
1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 2
1.2.1 计算机系统结构的定义和内涵 2
1.2.2 计算机组成和计算机实现的定义及内涵 3
1.2.3 计算机系统结构、组成和实现的相互影响 6
1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 7
1.3.1 软、硬件取舍的基本原则 7
1.3.2 计算机系统的性能评测及定量设计原理 10
1.3.3 计算机系统设计的主要任务和方法 14
1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响 17
1.4.1 软件的发展对系统结构的影响 17
1.4.2 应用的发展对系统结构的影响 22
1.4.3 器件的发展对系统结构的影响 24
1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类 26
1.5.1 并行性的概念和开发 26
1.5.2 计算机系统的分类 30
1.6 本章小结 32
1.6.1 知识点和能力层次要求 32
1.6.2 重点和难点 32
习题1 33
第2章 数据表示、寻址方式与指令系统 35
2.1 数据表示 35
2.1.1 数据表示与数据结构 35
2.1.2 高级数据表示 36
2.1.3 引入数据表示的原则 42
2.1.4 浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择 43
2.2 寻址方式 51
2.2.1 寻址方式的三种面向 51
2.2.2 寻址方式在指令中的指明 51
2.2.3 程序在主存中的定位技术 52
2.2.4 物理主存中信息的存储分布 54
2.3 指令系统的设计和优化 55
2.3.1 指令系统设计的基本原则 55
2.3.2 指令操作码的优化 57
2.3.3 指令字格式的优化 60
2.4 指令系统的发展和改进 64
2.4.1 两种途径和方向(CISC和RISC) 64
2.4.2 按CISC方向发展和改进指令系统 65
2.4.3 按RISC方向发展和改进指令系统 70
2.5 本章小结 78
2.5.1 知识点和能力层次要求 78
2.5.2 重点和难点 79
习题2 79
第3章 存储、中断、总线与输入/输出系统 81
3.1 存储系统的基本要求和并行主存系统 81
3.1.1 存储系统的基本要求 81
3.1.2 并行主存系统 82
3.2 中断系统 86
3.2.1 中断的分类和分级 86
3.2.2 中断的响应次序与处理次序 88
3.2.3 中断系统的软、硬件功能分配 91
3.3 总线系统 92
3.3.1 总线的分类 93
3.3.2 总线的控制方式 94
3.3.3 总线的通信技术 96
3.3.4 数据宽度与总线线数 97
3.4 输入/输出系统 99
3.4.1 输入/输出系统概述 99
3.4.2 通道处理机的工作原理和流量设计 100
3.4.3 外围处理机 107
3.5 本章小结 108
3.5.1 知识点和能力层次要求 108
3.5.2 重点和难点 108
习题3 109
第4章 存储体系 112
4.1 基本概念 112
4.1.1 存储体系及其分支 112
4.1.2 存储体系的构成依据 113
4.1.3 存储体系的性能参数 114
4.2 虚拟存储器 115
4.2.1 虚拟存储器的管理方式 115
4.2.2 页式虚拟存储器的构成 120
4.2.3 页式虚拟存储器实现中的问题 129
4.3 高速缓冲存储器 135
4.3.1 工作原理和基本结构 135
4.3.2 地址的映像与变换 137
4.3.3 Cache存储器的LRU替换算法的硬件实现 143
4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析 144
4.4 三级存储体系 149
4.4.1 物理地址Cache 149
4.4.2 虚地址Cache 149
4.4.3 全Cache技术 151
4.5 存储系统的保护 151
4.6 本章小结 154
4.6.1 知识点和能力层次要求 154
4.6.2 重点和难点 155
习题4 155
第5章 标量处理机 160
5.1 重叠方式 160
5.1.1 重叠原理与一次重叠 160
5.1.2 相关处理 163
5.2 流水方式 168
5.2.1 基本概念 168
5.2.2 标量流水线的主要性能 173
5.2.3 标量流水机的相关处理和控制机构 177
5.3 指令级高度并行的超级处理机 189
5.3.1 超标量处理机 190
5.3.2 超长指令字处理机 191
5.3.3 超流水线处理机 192
5.3.4 超标量超流水线处理机 193
5.4 本章小结 194
5.4.1 知识点和能力层次要求 194
5.4.2 重点和难点 194
习题5 195
第6章 向量处理机 198
6.1 向量的流水处理和向量流水处理机 198
6.1.1 向量的处理和向量的流水处理 198
6.1.2 向量流水处理机的结构举例 199
6.1.3 通过并行、链接提高性能 201
6.1.4 提高向量流水处理速度的其他办法 203
6.2 阵列处理机的原理 206
6.2.1 阵列处理机的构形和特点 206
6.2.2 ILLIAC Ⅳ的处理单元阵列结构 209
6.2.3 ILLIAC Ⅳ的并行算法举例 209
6.3 SIMD计算机的互连网络 213
6.3.1 互连网络的设计目标与互连函数 213
6.3.2 互连网络应抉择的几个问题 214
6.3.3 基本的单级互连网络 215
6.3.4 基本的多级互连网络 218
6.3.5 全排列网络 226
6.4 共享主存构形的阵列处理机中并行存储器的无冲突访问 227
6.5 脉动阵列流水处理机 229
6.5.1 脉动阵列结构的原理 229
6.5.2 通用脉动阵列结构 231
6.6 本章小结 233
6.6.1 知识点和能力层次要求 233
6.6.2 重点和难点 233
习题6 234
第7章 多处理机 237
7.1 多处理机的概念、问题和硬件结构 237
7.1.1 多处理机的基本概念和要解决的技术问题 237
7.1.2 多处理机的硬件结构 238
7.2 紧耦合多处理机多Cache的一致性问题 250
7.2.1 多Cache的一致性问题的产生 250
7.2.2 多Cache的一致性问题的解决办法 250
7.3 多处理机的并行性和性能 252
7.3.1 并行算法 252
7.3.2 程序并行性分析 254
7.3.3 并行语言与并行编译 256
7.3.4 多处理机的性能 261
7.4 多处理机的操作系统 262
7.4.1 主从型操作系统 262
1 7.4.2 各自独立型操作系统 263
7.4.3 浮动型操作系统 264
7.5 多处理机的发展 264
7.5.1 分布式共享存储器多处理机 264
7.5.2 对称多处理机 265
7.5.3 多向量多处理机 265
7.5.4 并行向量处理机 266
7.5.5 大规模并行处理机 266
7.5.6 机群系统 267
7.6 本章小结 268
7.6.1 知识点和能力层次要求 268
7.6.2 重点和难点 269
习题7 269
第8章 数据流计算机和归约机 272
8.1 数据流计算机 272
8.1.1 数据驱动的概念 272
8.1.2 数据流程序图和语言 274
8.1.3 数据流计算机的结构 279
8.1.4 数据流计算机存在的问题 280
8.1.5 数据流计算机的进展 280
8.2 归约机 281
8.3 本章小结 283
8.3.1 知识点和能力层次要求 283
8.3.2 重点和难点 283
习题8 283
附录 习题参考答案 285
参考文献 329
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| 精彩片段： |
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| 书 评： |
本书是从计算机组织和结构的角度来介绍计算机系统的。
整个计算机系统是一个软、硬件组合的综合体。随着计算机硬件在功能、性能、集成度、可靠性等诸多方面的改进，计算机软件变得日趋复杂，应用要求不断拓宽深化，需要研究如何更好、更合理地分配计算机软、
硬件功能，并研究如何更好地实现分配给硬件的功能，使系统有高的性能价格比。
这对计算机系统结构设计、硬件设计、系统软件开发和高层次应用系统开发者来说, 都是应该了解和掌握的。
通过本书的学习，读者可更进一步理解计算机系统的整体概念，正确掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理，了解比较成熟的基本结构，
学会正确进行结构设计的思想和方法，提高分析和解决问题的能力，了解这十几年里在并行处理和系统结构领域的重要进展。
全书共8章。第1章是计算机系统结构基础及并行性的开发， 讲述计算机系统多级层次结构，计算机系统结构、组成、实现的定义和相互关系，计算机系统的软、硬件取舍原则、性能评测及定量设计原理，软件、应用、器件的发展对系统结构的影响，系统结构中的并行性开发和计算机系统的分类；第2章讲述数据表示、寻址方式与指令系统的设计、优化、发展和改进；第3章讲述存储系统的基本要求和并行主存系统，中断的分类、分级和中断系统的软、硬件功能分配，总线的分类、控制技术、通信技术、数据宽度和总线线数，输入/输出系统的通道处理机工作原理、流量设计及外围处理机；第4章讲述存储体系概念，虚拟存储器、Cache存储器的构成、地址映像、地址变换、替换算法、实现中的问题和性能分析，三级存储体系的三种形式及存储系统的保护；第5章讲述重叠方式和流水方式的标量处理机的原理、相关控制及指令级高度并行的超级处理机；第6章讲述向量的流水处理，向量流水处理机和阵列处理机的原理、并行算法、互连网络和共享主存构形的阵列处理机中并行存储器的无冲突访问，脉动阵列流水处理机的原理和通用脉动阵列结构；第7章讲述多处理机的概念、问题和硬件结构，紧耦合多处理机多Cache的一致性问题和解决办法，程序的并行性和性能, 多处理机的操作系统及发展；第8章讲述数据流计算机和归约机。
计算机知识更新得很快，但计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、
基本分析方法在相当长时期里变化不大。所以这次在第四版的基础上适当进行了修改, 除了对多处文字、语句进行修改外，还增删和调整了一些段落; 改用例子和结论结合的方法来突出重点、 难点和要点；增写了计算机系统设计的主要任务和方法、数据流计算机的进展，重写了三级存储体系; 删去了实现Cache块替换的堆栈法(因为已经不用了); 因为向量流水处理机和阵列机都属于向量处理机，所以将上版第5章中的向量流水部分归并到第6章，从而将第5章更名为标量处理机，第6章更名为向量处理机。
在每章末增写了小结，给出“知识点和能力层次要求”以及“重点和难点”。在知识点中所提及的“识记”、“领会”、“简单应用”和“综合应用”是属于四个递进等级关系的能力层次表述。
“识记”：能够识别和记忆有关知识点的名词术语、定义、知识、公式、原则、
重要结论、方法、步骤、特征、特点等。“领会”：能够领悟和理解知识点的内涵和外延，熟悉其内容要点以及它们之间的区别和联系。“简单应用”：能够运用少量知识点，分析和解决一般应用问题，进行计算、绘图、设计、编程、分析、论证等。“综合应用”：能够运用多个知识点，分析和解决较复杂的应用问题，进行计算、绘图、设计、编程、分析、论证等。
本书对应的课程“计算机系统结构”应在“数字逻辑”、“计算机组成原理”、
“微型机原理和接口技术”、“汇编语言”、“高级语言程序设计”等课程之后开设，学生最好有“数据结构”方面的知识。本课程也可以在“操作系统”、“编译原理”等课程之后开设或与它们同时开设。
本课程的参考教学时数为64~72学时，可以视情况适当增删。
本书内容丰富，取材适当，重点突出，难点分散，文字通俗易懂，各章均有大量的例题和习题。书末还提供了习题的参考答案。
本书可作为计算机专业本科生和相关专业研究生的教材，也可作为计算机科学工作者的参考书。
本书由西安电子科技大学李学干教授编写。西安电子科技大学出版社的编辑为本书的编辑出版做了大量工作，在此对他（她）们表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
李学干
2011年8月
第 四 版 前 言
本书是计算机专业本科生和相关专业研究生的规划教材，其前身于1981年由国防工业出版社出版，作为全国统编教材在国内是最早较完整、系统地讲述计算机系统结构的教材。1984年经重新编写后，改由西北电讯工程学院出版社(西安电子科技大学出版社的前身)出版。
1991年再由作者重新修改作为第二版发行。《计算机系统结构(第二版)》先后获全国第三届工科电子类专业优秀教材一等奖和国家级优秀教学成果二等奖。2000年出版的第三版是国家级重点本科系列教材之一。本次修编时，又对各章内容做了修改和增删，但作为教材的继承性，不宜在体系、内容和风格上做太大的变动。
本教材仍着眼于有关计算机系统结构和组成的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法的叙述。全书共分8章。第1章是计算机系统结构概论，讲述了计算机系统的多级层次结构，计算机系统结构、组成、实现的定义和相互关系，计算机系统的软硬取舍原则、性能评测及定量设计原理，软件、应用、器件对系统结构的影响，并行性发展和计算机系统的分类。第2章讲述数据表示，寻址方式，指令系统的设计、优化、发展和改进。第3章讲述存储、中断、总线和I/O系统(通道处理机和外围处理机)。第4章讲述存储体系，虚拟存储器，Cache存储器和主存保护。第5章讲述重叠，流水，向量流水处理机和指令级高度并行的超级处理机(超标量处理机、超长指令字处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机)。第6章讲述阵列处理机的原理、并行算法、互连网络、并行存储器的无冲突访问和脉动阵列处理机。第7章讲述多处理机的硬件结构，多Cache的一致性，程序的并行性，性能，操作系统类型和多处理机的发展(分布式共享主存储器多处理机、对称多处理机、多向量多处理机、并行向量机、大规模并行处理机MPP、机群系统)。第8章讲述数据流机和归约机。
本书相应课程“计算机系统结构”应在“数字逻辑”、“计算机组成原理”、“汇编语言”、“高级程序设计语言”等课程之后开设，学生最好有“数据结构”方面的知识。本课程也可以在“操作系统”、“编译原理”等课程之后，或与它们同时开设。“计算机系统结构”的课程参考教学课时数为60学时左右，可以视情况适当增删。
本书内容丰富，取材适当，每章均有大量例题和习题，书末附有主要习题的参考答案。
本书亦可作为计算机结构设计工作者的参考用书。
本书由西安电子科技大学教授兼西安欧亚学院信息工程学院副院长的李学干编著。西安电子科技大学出版社的领导和编辑为本书出版做了大量工作，在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在疏误，恳请广大读者批评指正。
李学干
2006年2月
第 三 版 前 言
本教材系按原电子工业部的《1996—2000年全国电子信息类专业教材编审出版
规划》，由全国高等院校计算机专业教学指导委员会编审并推荐出版。
本教材由西安交通大学郑守淇教授主审，钱德沛教授为责任编委。
本教材的前身作为计算机系统结构的全国统编教材是 1981 年由国防工业出版社出版的。
它是国内最早较完整、系统地讲述计算机系统结构的教材。1984年经重新编写后，改由西北电讯工程学院出版社(西安电子科技大学出版社前身)出版。1991 年再由作者重新修改作为第二版发行。《计算机系统结构(第二版)》先后曾获全国第三届工科电子类专业优秀教材一等奖和国家级优秀教学成果二等奖。这次在修编时，对各章内容又做了较大修改、增删，但作为教材的继承性，不宜在体系、内容和风格上做太大变动。
本教材仍着眼于有关计算机系统结构和组成的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法的叙述。全书共分 8 章。第 1 章讲述计算机系统的层次结构， 计算机系统结构、组成、实现的定义和相互关系，软硬取舍原则与系统设计思路，软件移植手段，应用、器件对系统结构的影响，并行性发展与计算机系统分类。第 2 章讲述数据表示、寻址方式、指令系统的设计与改进、RISC技术。第 3 章讲述总线设计、中断系统、通道处理机和外围处理机。第 4 章讲述存储体系、
虚拟存储器、Cache存储器和主存保护。第 5 章讲述重叠，流水，向量处理机，超标量、超长指令字、超流水线处理机。第 6 章讲述并行处理机和相联处理机。第 7 章讲述多处理机的硬件结构、程序并行性、性能分析及操作系统。第 8 章讲述脉动阵列机、 数据流机、归约机、智能机、大规模并行处理机(MPP)和机群系统。本教材力求反映出近十几年来在系统结构上的重要进展和今后可能的发展。
本课程应在“数字逻辑”、“计算机(组成)原理”、“程序设计语言”等课程之后开设。
学生最好有“数据结构”方面的知识。本课程可在“操作系统”、“编译原理”课程之后，或与它们同时开设。本教材也可作为其它相关专业的研究生或本科生的选修教材。本课程的参考教学时间为 60～80 学时，可根据情况作适当剪裁。
本书在编写过程中多次得到有关领导部门及不少兄弟院校、研究所的专家、教授和同行的热情鼓励和帮助。西安电子科技大学教材科及出版社为本书的出版也做了大量工作，在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在错误和缺点，恳切希望广大读者批评指正。
李学干
1999年6月
第 二 版 前 言
《计算机系统结构》是高等院校工科电子类计算机专业统编教材之一，由计算机与自动控制教材编审委员会计算机编审小组评选审定，并推荐出版。经过多年的使用，由于计算机的飞速发展，我们觉得有必要做一次较大幅度的修改。许多院校的同志们也提出了这样的希望。
在这次重新编写后，变动较大的有如下几点：我们考虑到许多学校已设置有专门的“计算机可靠性技术”和“计算机系统性能与评价”课程，而且已出版了专门的教材，所以这部分内容就不再列入本教材中；新增加了有关RISC技术、外围处理机、相联处理机、基于面向对象程序设计的计算机、数据流机、归约机、智能机等内容；适当扩充向量处理机、并行处理机和多处理机的部分内容；对原有章节内容根据情况重新做了取舍、补充和内容更新，并对全书各章的内容编排上做了较大调整。
本教材仍按“研究软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现分配给硬件的功能”这个方向来编写，仍然着眼于叙述基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。虽然列举了不少实际机器的例子，但并不是围绕这些机型或过多地从具体实现上的细节来讲述。本教材力求反映出近十几年来在系统结构上的重要进展和今后可能的发展。
本课程应在“计算机(组成)原理”、“程序设计语言”和“数字逻辑”等课程之后开设。学生最好有“数据结构”方面的知识。本课程可以在“操作系统”、“编译原理”课程之后，或与它们同时开设。本课程也可作为其它相关专业的研究生或本科生的选修课程。本课程的参考教学时数为100～120学时。
本书在编写过程中多次得到有关领导部门及不少兄弟院校、研究所的专家、教授和同志们的热情鼓励和帮助，有的曾提出过宝贵的意见。西安电子科技大学出版社的同志们为本书的出版也做了大量工作，我们在此表示衷心的感谢。
应当说明的是，考虑到教材的继承性，不可能对原有教材在体系、内容和风格上做太大的变动，恳切希望读者对本书的缺点和错误予以指正。
编著者
1990年7月
第 一 版 前 言
本教材是高等院校工科电子类计算机专业统编教材之一，由计算机与自动控制教材编审委员会计算机编审小组评选审定，并推荐出版。
本教材是按计算机编审小组审定的编写大纲进行编写和审阅的，由西北电讯工程学院苏东庄主编，清华大学薛宏熙主审。
本教材是按“研究软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现分配给硬件的功能”这个方向来编写的，着重于基本概念、基本原理、基本结构和分析方法。虽然在讲述时联系了实际机器，但并不是围绕某种机型或过多地从具体实现上的细节来讲述。本教材力求反映近十几年来在系统结构上的重要进展以及今后可能的发展。
本课程应在“计算机(组成)原理”、“程序设计语言”和“数字逻辑”等课程之后开设。
学生最好有“数据结构”方面的知识。本课程可以在“操作系统”、“编译原理”课程之后，或与它们同时开设。本书的第6、7、8章是按学生不选修“容错与诊断”、“纠错码”、“并行处理计算机结构”和“计算机系统性能评价”等课来写的。本课程的参考教学时数为80～100学时。
本教材是在国防工业出版社1981年出版的《计算机系统结构》的基础上修编而成的。参加当时编写的有：西北电讯工程学院的苏东庄、张志华、李学干、马玉珍；清华大学的金兰；华东师范大学的张东韩和唐培艺，由苏东庄主编。担任主审的是清华大学的房家国和薛宏熙。参加此次修编的除苏东庄外，还有李学干、金兰(第7章)、梁新来(第6章)、马玉珍(第8章)，李学干承担了全书的文稿整理工作。
这里特别要感谢本版主审人薛宏熙同志，他进行了认真细致的审稿，并提出了宝贵的修改意见。凡在本书编写和审阅过程中提出过意见和建议的同志，在此一并向他们表示衷心的感谢。
本书在编写中得到了西北电讯工程学院教材科、图书馆的大力支持。有关领导部门、电子工业部教育局以及研究所和兄弟院校的很多领导、专家、教授和同志们对本书的编写曾给予了热情的鼓励，并提出过许多宝贵的意见。我们在此表示诚挚的感谢。
恳切希望读者继续对本书的缺点和错误予以指正。
编 者
1984年
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