计算机系统结构

内容简介

《21世纪高等学校规划教材·软件工程：计算机系统结构》从系统设计和应用两个方面讲述现代计算机体系结构的概念、结构、原理和关键技术，内容组织上由浅入深、从简单到，涵盖了该领域的进展。《21世纪高等学校规划教材·软件工程：计算机系统结构》共12章，分为存储系统、CPU系统和多机系统三大部分。内容上按照单核系统、多核系统、多机系统展开，其中在多机系统中引入了网格计算和云计算。
　　《21世纪高等学校规划教材·软件工程：计算机系统结构》针对软件工程专业和计算机专业的研究生，强调了技术原理在项目和程序设计中的应用，理论和实际紧密结合，适合作为研究生的教材使用。本书还可作为计算机专业本科生、计算机工程师、软件工程师的参考书。

目录

第1章 计算机系统结构概论
1.1 计算机系统结构的基本概念
1.1.1 计算机系统结构的定义
1.1.2 计算机组成与计算机实现
1.2 计算机的分类
1.3 计算机系统设计与分析的量化原理
1.3.1 程序访问的局部性原理
1.3.2 利用并行与优化处理经常性事件
1.3.3 Amdahl定律
1.3.4 处理器的性能公式
1.3.5 可靠性
1.4 计算机系统的性能评测
1.4.1 主要性能指标
1.4.2 计算机性能测试
1.4.3 计算机性能测试实例
1.5 计算机技术的发展趋势
1.5.1 吞吐率相对于延时的发展趋势
1.5.2 集成电路的发展限制
1.5.3 计算机发展的新方向
1.6 本章总结
习题1
第2章 Cache
2.1 计算机存储系统的层次结构
2.1.1 存储器概述
2.1.2 存储器的层次结构
2.2 Cache系统的基本原理
2.2.1 Cache存储系统的构成与组织
2.2.2 Cache存储系统的基本性能参数
2.2.3 Cache的基本工作原理
2.3 Cache设计的关键问题
2.3.1 Cache的容量与行大小
2.3.2 映射机制
2.3.3 替换算法
2.3.4 单机系统的Cache写策略
2.3.5 Cache数量选择
2.4 Cache的性能分析
2.4.1 未中率
2.4.2 加速比
2.5 Cache的基本优化方法
2.5.1 增加行大小和容量，减少未中率
2.5.2 增加关联度减少未中率
2.5.3 使用多级Cache减少未中损失
2.5.4 让读未中的优先级高于写来减少未中损失
2.6 Cache的优化设计
2.6.1 踪迹Cache
2.6.2 路预测技术
2.6.3 流水Cache与非阻塞Cache
2.6.4 关键字优先和早重启
2.6.5 合并写缓存
2.6.6 预取技术
2.6.7 牺牲Cache和伪关联Cache
2.7 Cache的应用问题
2.7.1 循环交换与循环融合
2.7.2 数组合并与矩阵分块
2.8 Pentium4与ARM中Cache的组织
2.8.1 Pentium中Cache的组织
2.8.2 ARM中的Cache组织
2.9 本章总结
习题2
第3章 内部存储器与外部存储器
3.1 半导体存储器
3.1.1 ROM
3.1.2 RAM
3.2 内部存储器芯片的组织
3.2.1 芯片的组织
3.2.2 存储模块的组织
……
第4章 I/O系统
第5章 虚拟内存
第6章 指令系统
第7章 CPU的流水线技术
第8章 RISC与嵌入式架构
第9章 超标量与VLIW架构
第10章 多核架构与多核程序设计
第11章 多处理器系统
第12章 云计算

摘要与插图

一般多线程架构
　　在多线程处理器架构中，多个线程以交叉的方式共享单个处理器的功能部件，要求处理器为每个线程维护一个单独的线程状态。每个线程需要一个单独的寄存器组、单独的PC和单独的页表，内存可以共享。还需要一个线程切换硬件，来快速地进行线程切换。线程切换时间为0.1～10个时钟周期，远快于进程切换的几百到几千个时钟周期。进行线程切换的时间点一般是跟新线程交替指令时；当一个线程停滞、要执行另一个线程时；主存访问开始时。
　　有三种多线程方法：细粒度的多线程、粗粒度的多线程和混合粒度的多线程。
　　（1）细粒度的多线程（Fine Grained Multithreading）。线程之间按指令切换，使得多个线程之间交叉执行。这种交叉执行通常是轮转方式的，略过当时停滞的线程。CPU必须能够每个时钟周期切换一次线程。细粒度多线程的一个主要优点是隐藏长短停滞造成的吞吐率损失，因为一个线程停滞时可以执行其他线程的指令。其主要缺点是单个线程的执行变慢了，因为一个就绪的、无停滞的线程会因处理器执行其他线程的指令而延迟执行。Sun的Niagara八核处理器采用就是细粒度多线程技术。
　　（2）粗粒度的多线程（Coarse Grained Multithreading），粗粒度的多线程处理器仅在出现长停滞时（如L2 Cache未中）才切换线程。这种变化弱化了“线程切换接近于无代价”的要求，不会影响处理器的执行速度，因为只有遇到长停滞时其他线程的指令才发出。粗粒度多线程的主要缺点是，降低吞吐率损失的能力有限，尤其是发生短停滞时。这主要是因为粗粒度多线程的流水线启动代价较高。在调入新线程的指令前，需要清空或冻结超标量流水线，开始执行的新线程在老线程的指令完成前必须装入流水线。由于这种启动开销，粗粒度的多线程只适合于长停滞、再装人流水线相对可以忽略的情况，能降低长停滞带来的损失。
　　（3）混合粒度的多线程。对于某些系统，选择细粒度的多线程架构；对于其他系统，选择单线程架构。
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