计算机系统结构

　　《计算机系统结构（第五版）》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。
　　该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。
　　该书内容丰富，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。
　　《计算机系统结构（第五版）》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。

第1章 计算机系统结构基础及并行性的开发
1．1 计算机系统的层次结构
1．2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
1．2．1 计算机系统结构的定义和内涵
1．2．2 计算机组成和计算机实现的定义及内涵
1．2．3 计算机系统结构、组成和实现的相互影响
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
1．3．1 软、硬件取舍的基本原则
1．3．2 计算机系统的性能评测及定量设计原理
1．3．3 计算机系统设计的主要任务和方法
1．4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
1．4．1 软件的发展对系统结构的影响
1．4．2 应用的发展对系统结构的影响
1．4．3 器件的发展对系统结构的影响
1．5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
1．5．1 并行性的概念和开发
1．5．2 计算机系统的分类
1．6 本章小结
1．6．1 知识点和能力层次要求
1．6．2 重点和难点
习题1

第2章 数据表示、寻址方式与指令系统
2．1 数据表示
2．1．1 数据表示与数据结构
2．1．2 高级数据表示
2．1．3 引入数据表示的原则
2．1．4 浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择
2．2 寻址方式
2．2．1 寻址方式的三种面向
2．2．2 寻址方式在指令中的指明
2．2．3 程序在主存中的定位技术
2．2．4 物理主存中信息的存储分布
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 指令操作码的优化
2．3．3 指令字格式的优化
2．4 指令系统的发展和改进
2．4．1 两种途径和方向（CISC和RISC）
2．4．2 按CISC方向发展和改进指令系统
2．4．3 按RISC方向发展和改进指令系统
2．5 本章小结
2．5．1 知识点和能力层次要求
2．5．2 重点和难点
习题2

第3章 存储、中断、总线与输入／输出系统
3．1 存储系统的基本要求和并行主存系统
3．1．1 存储系统的基本要求
3．1．2 并行主存系统
3．2 中断系统
3．2．1 中断的分类和分级
3．2．2 中断的响应次序与处理次序
3．2．3 中断系统的软、硬件功能分配
3．3 总线系统
3．3．1 总线的分类
3．3．2 总线的控制方式
3．3．3 总线的通信技术
3．3．4 数据宽度与总线线数
3．4 输入／输出系统
3．4．1 输入／输出系统概述
3．4．2 通道处理机的工作原理和流量设计
3．4．3 外围处理机
3．5 本章小结
3．5．1 知识点和能力层次要求
3．5．2 重点和难点
习题3

第4章 存储体系
4．1 基本概念
4．1．1 存储体系及其分支
4．1．2 存储体系的构成依据
4．1．3 存储体系的性能参数
4．2 虚拟存储器
4．2．1 虚拟存储器的管理方式
4．2．2 页式虚拟存储器的构成
4．2．3 页式虚拟存储器实现中的问题
4．3 高速缓冲存储器
4．3．1 工作原理和基本结构
4．3．2 地址的映像与变换
……
第5章 标量处理机
第6章 向量处理机
第7章 多处理机
第8章 数据流计算机和归约机
附录 习题参考答案
参考文献

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。

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李学干 

2011年8月