计算机系统结构（第3版）.pdf

普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材 高等学校规划教材上海市精品课程教材高等学校规划教材上海市精品课程教材 计算机系统结构计算机系统结构（第（第 3 版）版）徐炜民 严允中 编著 孙德文 主审 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。全书共 11 章。第 1 章介绍计算机系统结构的基本概念，以及计算机系统结构的形成和发展过程；第 29 章以现代计算机系统结构和并行处理为主线，对计算机系统结构的合成、存储系统结构、流水线结构、并行处理机、多处理机系统、RISC 结构、分布计算环境结构和数据流计算机结构等进行了深入的分析和探讨；第 10 章讨论软件对计算机系统结构的影响；第 11 章就现代计算机系统结构的最新发展进行了综述。本书为任课老师免费提供电子课件和例题及习题参考解答。本书是高等学校计算机专业本科生“计算机系统结构”课程的通用教材，也可作为有关专业研究生教材和科技工作者的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 计算机系统结构/徐炜民，严允中编著.3 版.北京：电子工业出版社，2010.3 高等学校规划教材 ISBN 978-7-121-10228-8 I.计.徐严 .计算机体系结构高等学校教材 .TP303 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 007659 号 策划编辑：童占梅 责任编辑：童占梅 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：22.5 字数：572 千字 印 次：2010 年 3 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：29.80 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。北京京科印刷有限公司 前 言 本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，普通高等教育“十一五”国家级规划教材，也是上海市精品课程建设的成果上海市精品课程建设的成果。本次修订在电子工业出版社 1997 年出版的“九五”国家级规划教材计算机系统结构和 2003 年7 月出版的“十五”国家级规划教材计算机系统结构（第 2 版）的基础上，根据最新的计算机学科教学计划和教育部普通高等教育“十一五”国家级规划教材的要求，吸取了计算机系统结构和并行处理技术发展的新理论、新成果以及国外同类教材的优点，对原教材（第 2版）进行了较大修改和增补。希望通过本教材（第 3 版）的出版使用，听取各方面意见，为进一步提高教材质量并使之成为精品教材打下良好的基础。本教材共分 11 章，参考教学时数为 4080。第 1 章简要介绍计算机系统结构的基本概念，以及计算机系统结构的形成和发展过程。第 29 章以现代计算机系统结构和并行处理为主线，本着计算机系统结构中硬中有软、软中有硬、相互转换、彼此渗透的观点，从原理、结构、分析、设计和实现等方面，对计算机系统结构的合成、存储系统结构、流水线结构、并行处理机、多处理机系统、RISC 结构、分布计算环境结构和数据流计算机结构等进行了比较深入的分析和探讨。第 10 章就软件对计算机系统结构的影响进行了专门的讨论与分析。第 11 章就现代计算机系统结构的最新发展进行了综述。本教材在编写过程中，力求文字精练，内容具体、准确，并能反映现代计算机系统结构的发展水平。与第 2 版相比，主要有如下特点：第一，反映了国内外计算机系统结构方面比较成熟的研究成果和最新发展；第二，内容更加全面，增加了较多的新内容，凡属于计算机系统结构的主要内容均有涉及；第三，对许多关键知识点的陈述更加深入，本书吸取了国外同类教材部分量化研究方法，力求从系统定量分析和系统设计的高度来介绍计算机系统的基本概念和基本分析方法。本书各章内容相对独立，使用时可以根据不同要求任选其中的部分章节组织教学。本教材将为任课教师免费提供电子课件、例题和习题参考答案为任课教师免费提供电子课件、例题和习题参考答案。需要者可登录华信教育资源网http:/ 免费注册下载。本教材由徐炜民教授统稿，第 1、2、3、4、5、9 章及第 6、10 章的部分内容由严允中教授编写；第 7、8、11 章及第 6、10 章的部分内容由徐炜民教授编写。张吉锋教授参加了编写大纲的拟定，并对全书结构与章节的组织提出了宝贵意见。全书由上海交通大学孙德文教授担任主审，他详细校阅了全部书稿，并提出了很多具体的修改意见。在教材编写过程中，还得到了北京航空航天大学杨文龙教授的具体指导，并提出了宝贵的意见。在此向他们表示诚挚的感谢。由于作者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。我们会在本教材重印时，及时改正。作者 E-mail：。编著者 V 目 录 第 1 章 计算机系统结构导论（1）1.1 计算机系统的基本概念（1）1.2 计算机系统的发展（1）1.2.1 冯诺依曼体系结构的特点（2）1.2.2 器件发展对系统结构的影响（3）1.2.3 应用对系统结构的影响 （5）1.2.4 算法对系统结构的影响 （6）1.2.5 价格对系统结构的影响 （7）1.2.6 现代计算机系统的分类和 发展过程（8）1.3 计算机系统的功能和结构（8）1.3.1 计算机系统的层次结构 （8）1.3.2 计算机系统结构定义（11）1.3.3 计算机组成与实现（12）1.3.4 计算机系统结构、组成和 实现三者的关系（12）1.3.5 计算机系统的特性（13）1.4 计算机系统设计的方法（15）1.4.1 软、硬件取舍的基本原则（15）1.4.2 计算机系统设计的定量 原则（16）1.4.3 计算机系统的设计任务 （19）1.4.4 计算机系统的设计步骤 （20）1.5 现代计算机系统结构的研究领域（21）1.5.1 计算机系统结构分类（21）1.5.2 现代计算机系统结构 研究方向（24）1.5.3 计算机系统结构发展趋势（25）第 2 章 计算机系统结构的合成（29）2.1 中央处理器（29）2.1.1 CPU 组成（29）2.1.2 数据表示 （30）2.1.3 寻址方式分析（36）2.1.4 指令优化 （38）2.2 总线结构（40）2.2.1 总线的分类（41）2.2.2 总线结构的特点（41）2.2.3 总线通信方式（41）2.2.4 总线仲裁（45）2.2.5 总线标准（47）2.3 存储系统概述（54）2.3.1 存储器容量、速度与价格 的关系（55）2.3.2 存储系统的层次结构（56）2.3.3 存储系统的性能参数（58）2.3.4 程序访问的局部性（60）2.4 输入/输出系统（62）2.4.1 输入系统（62）2.4.2 输出系统（63）2.4.3 中断系统（65）2.4.4 通道处理机和 I/O 处理机（67）第 3 章 存储系统结构（74）3.1 地址映像与变换（74）3.1.1 程序的定位（74）3.1.2 全相联映像及其变换（79）3.1.3 直接映像及其变换（80）3.1.4 组相联映像及其变换（81）3.1.5 段相联映像及其变换（82）3.1.6 位选择组相联映像及其 变换（85）3.1.7 对标志表的分析（86）3.1.8 散列概念在地址变换中 的应用（86）3.2 替换算法及其实现（88）3.2.1 替换算法的分析（88）3.2.2 LRU 替换算法的实现（91）3.3 并行主存系统（94）3.3.1 并行主存系统频宽分析（94）3.3.2 单体多字存储器（96）VI 3.3.3 多体交叉存储器（96）3.3.4 并行主存系统（98）3.4 高速缓冲存储器（Cache）（101）3.4.1 Cache 基本结构和工作 原理（101）3.4.2 Cache 的替换算法分析（103）3.4.3 Cache 的透明性（105）3.4.4 任务切换对失效率的 影响（106）3.4.5 多处理机系统的 Cache 结构（106）3.4.6 “Cache-主存”层次性能 分析（107）3.4.7 Cache 性能计算（109）3.5 虚拟存储器（114）3.5.1 虚拟存储器基本结构和 工作原理（114）3.5.2 虚地址和辅存实地址的 变换（115）3.5.3 多用户虚拟存储器（116）3.5.4 加快地址变换的方法（120）3.5.5 虚拟存储器性能分析（122）3.6 主存保护与控制（125）3.6.1 主存保护（125）3.6.2 主存控制部件（128）3.6.3 磁盘冗余阵列（129）第 4 章 流水线结构（133）4.1 流水线结构原理（133）4.1.1 重叠方式（133）4.1.2 先行控制（136）4.1.3 流水线处理机（138）4.2 线性流水线技术指标（142）4.2.1 吞吐率（142）4.2.2 加速比（143）4.2.3 效率（143）4.2.4 流水线段数选择（144）4.3 非线性流水线处理机（147）4.3.1 预约表和等待时间分析（147）4.3.2 无冲突调度（150）4.3.3 流水线调度优化（152）4.4 流水线相关处理（154）4.4.1 局部相关及处理（154）4.4.2 全局相关及处理（156）4.4.3 流水线中断处理（156）4.5 向量的流水处理和向量处理机（156）4.5.1 向量处理基本概念（156）4.5.2 向量处理机的结构（159）4.5.3 提高向量处理机性能的 方法（162）4.5.4 向量处理机的技术指标（167）4.5.5 多向量多处理机概述（170）4.6 超级流水处理机（177）4.6.1 超标量处理机（177）4.6.2 超流水线处理机（181）4.6.3 超长指令字处理机（182）4.6.4 超标量超流水 VLIW 处理机（186）4.6.5 P6 微结构（191）第 5 章 并行处理机（194）5.1 系统结构中的并行性概念（194）5.1.1 并行性概念（194）5.1.2 并行处理的发展（195）5.2 并行处理机基本结构（199）5.2.1 分布式存储器结构（200）5.2.2 共享式存储器结构（201）5.2.3 并行处理机特点（202）5.3 并行处理机互连网络（203）5.3.1 互连网络基本概念（203）5.3.2 单级互连函数（204）5.3.3 互连网络特性（209）5.3.4 静态互连网络（211）5.3.5 动态互连网络（215）5.3.6 多级互连网络（217）5.3.7 互连网络寻径（227）5.4 阵列处理机（232）5.4.1 阵列处理机结构（233）5.4.2 阵列处理机算法（237）5.4.3 阵列处理机举例（239）VII 5.5 相联处理机（249）5.5.1 相联处理机结构（249）5.5.2 相联检索算法（251）5.5.3 相联处理机举例（253）第 6 章 多处理机系统（256）6.1 多处理机的概念（256）6.1.1 多处理机系统的定义（256）6.1.2 多重处理对处理机特性 的要求（257）6.2 多处理机结构（258）6.2.1 多处理机的基本结构（258）6.2.2 多处理机的互连网络（259）6.2.3 多处理机系统的存储器 结构（266）6.2.4 多处理机系统的特点（268）6.3 多处理机的软件（270）6.3.1 算术表达式的并行算法（270）6.3.2 程序并行性分析（271）6.3.3 并行程序语言（272）6.3.4 多处理机的操作系统（275）6.4 多处理机系统实例（278）6.4.1 C*m多处理机（278）6.4.2 Cmmp多处理机（280）第 7 章 RISC 结构（283）7.1 RISC 结构