计算机系统结构

　　本书系统地论述了计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本方法，并强调采用量化的分析方法，使读者能够更具体、实际地分析和理解计算机系统结构。
　　 全书共分为9章：计算机系统结构的基本概念，计算机指令集结构，流水线技术，指令级并行，存储层次，输入/输出系统，互连网络，多处理机，机群计算机。第1章讲述计算机系统结构的基本概念以及定量分析基础。第2章讲述计算机指令集的设计、risc 技术以及 mips 指令集结构。第3章讲述流水线及其性能分析、流水线中的相关和冲突及其解决方法、向量处理机的结构及其性能评价。第4章讲述指令级并行性开发，包括指令动态调度、指令分支预测、超标量技术、超流水技术以及超长指令字技术等。第5章讲述 cache 的基本知识、降低 cache 失效率的方法、减少 cache 失效开销的方法以及减少命中时间的方法，并对虚拟存储器进行讨论。第6章讲述总线、通道外理机及其流量分析、廉价磁盘冗余阵列（raid）。第7章讲述互连网络及其特性参数、静态互连网络以及动态互连网络等。第8章讲述对称式共享存储器系统结构、分布式共享存储器系统结构、多 cache 一致性、同步以及同时多线程技术。第9章讲述机群的结构、软件模型以及分类。
　　 本书内容丰富，实例具体，语言简练，通俗易懂，可读性好。本书可作为高等院校计算机相关专业的教学用书。也可供相关科技人员参考。

第1章 计算机系统结构的基本概念
1.1 引言
1.2 计算机系统结构的概念
1.2.1 计算机系统的层次结构
1.2.2 计算机系统结构的定义
1.2.3 计算机组成和计算机实现
1.2.4 计算机系统结构的分类
1.3 定量分析技术
1.3.1 计算机系统设计的定量原理
1.3.2 计算机系统的性能评测
1.4 计算机系统结构的发展
1.4.1 冯·诺依曼结构
1.4.2 软件对系统结构的影响
1.4.3 器件发展对系统结构的影响
1.4.4 应用对系统结构影响
1.4.5 系统结构的生命周期
1.5 计算机系统结构中并行性的发展
1.5.1 并行性的概念
1.5.2 提高并行性的技术途径
1.5.3 单机系统中并行性的发展

　　本书可作为高等院校计算机、自动化以及电子工程等相关专业本科生、研究生的教材。在内容的选择上，本书不打算覆盖计算机系统结构的所有各个方面，不想成为大而全的参考手册，而是重点讲述现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等。.
　　“计算机系统结构”是计算机领域的一门重要学科。它强调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统。通过学习这本书，读者能把在“计算机组成原理”、“数据结构”、“操作系统”、“汇编语言程序设计”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。
　　本书的前身是由高等教育出版社出版的“十五”国家级规划教材，该教材于2002年获得全国普通高等学校优秀教材二等奖。为了跟踪和反映计算机技术的新发展，我们重新编写了本书，不仅补充了新内容，而且在很大程度上进一步提高了可读性和系统性，并开发了相应的多媒体课件。本教材是国家级精品课程“计算机体系结构”以及上海市精品课程“计算机系统结构”的指定教材。
　　本教材的主要特点有：
　　（1）可读性好，语言简练，深入浅出，通俗易懂；
　　（2）重点讲述现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等，重点突出，避免面面俱到；
　　（3）借鉴国际上最经典的系统结构教材，强调采用量化的分析方法。这种方法使我们能更具体、实际地分析和设计计算机系统结构。
　　全书共包括9章。第1章讲述计算机系统结构的概念以及系统结构和并行性的发展，并介绍定量分析基础。第2章讲述计算机指令集结构设计中的一些问题，包括寻址技术、指令集的功能设计、操作数的类型和大小、指令格式的设计，并且介绍RISC技术以及一个指令集结构的实例——MIPS。第3章为“流水线技术”，讲述流水线的基本概念、分类和性能分析，介绍流水线中的相关和冲突问题及其解决方法等，并对向量处理机的结构及特点、关键技术以及性能评价进行讨论。第4章为“指令级并行”，讲述利用硬、软件技术开发程序中指令间并行性的技术和方法，包括指令动态调度、指令分支预测、超标量技术、超流水技术以及超长指令字技术等。第5章为“存储层次”，讲述Cache的基本知识、降低Cache失效率的方法、减少Cache失效开销的方法以及减少命中时间的方法，并对虚拟存储器做简要的讨论。第6章为“输入输出系统”，讲述总线及其与CPU/存储器的连接、通道处理机及其流量分析、廉价磁盘冗余阵列RAID。第7章为“互连网络”，讲述互连函数、互连网络的特性参数、静态互连网络以及动态互连网络等。第8章为“多处理机”，讲述对称式共享存储器系统结构、分布式共享存储器系统结构、多Cache一致性、同步以及同时多线程技术，并介绍了一个多处理机实例。第9章为“机群计算机”，讲述机群的结构、软件模型以及机群的分类，并介绍了4个典型的机群系统。..
　　作为教材，使用者可以根据自己的需求，选取相应的内容进行教学。有三种建议方案：
　　第一方案：
　　全部9章的内容，根据具体要求，可以安排60～70小时的教学课时。
　　第二方案：
　　第1章→第2章→第3章→第5章→第6章→第7章→第8章
　　这个方案去掉了难度较大的第4章“指令集并行”和第9章“机群计算机”，安排48～54小时的教学课时为宜。
　　第三方案：
　　第1章→第2章→第3章→第5章→第7章→第8章
　　对于仅仅需要建立基本系统结构概念的读者，可以采用本方案。本方案在对第3章、第5章和第7章内容略作删减的情况下，只需约36教学课时。如果读者已经了解指令集的有关概念，还可以跳过第二章。这种情况下，可以安排约32小时的短课程。
　　本书的大部分内容由同济大学软件学院的张晨曦教授编写，包括第1章、第2章、第5章、第7章的全部内容以及第3章、第4章、第6章的部分内容。国防科技大学计算机学院的王志英教授编写了第8章，张春元教授编写了第4章的部分内容，戴葵副教授编写了第3章的部分内容，沈立副教授编写了第9章，肖晓强副教授编写了第6章的部分内容。
　　本书附有光盘一张，其内容包括配套的带动画的ppt讲稿、动画视频课件、概念总汇、问答题等。其中的200多个精选动画和视频形象生动地讲解和演示了教学内容，使一些抽象难懂的结构、原理和流程等易于理解和掌握。这些课件由张晨曦教授设计和开发。
　　以后若课件有更新或者有新的教学资料，我们将在以下网站上发布消息，敬请关注：

　　计算机和通信技术的迅猛发展，不仅形成了融合度最高、潜力最大、增长最快的信息产业，而且成为推动全球经济快速增长和全面变革的关键因素。进入21世纪，我国的信息产业虽然已取得了长足的发展，但与发达国家相比，还有不小的差距。国家信息化的发展和信息产业国际竞争能力的提高，迫切需要高素质、创新型的计算机专业人才。.
　　高素质计算机专业人才的培养离不开高质量的计算机教育。我们的专业虽然机会多，处于非常有利的条件，但是我们同样面临着一件事，就是从规模发展向质量提高的转变。怎么提高质量?专业素质的教育和应用素质的训练非常重要。尤其是我国高等教育进入大众化发展阶段，社会对计算机专业人才呈现出了多样化的需求。而与此同时，计算机学科的发展已极大地突破了原有的学科体系框架，形成了在“计算机科学与技术”之下向多个专业方向发展的新格局。在这种背景下，教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会编制了《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》(以下简称“专业规范”)。专业规范按照“培养规格分类”的指导思想，提出了三种类型、四个方向，即科学型(计算机科学方向)，工程型(计算机工程方向、软件工程方向)，应用型(信息技术方向)的计算机专业发展建议，体现了社会对不同人才类型的需求，对于指导我国计算机教学改革与建设，规范计算机教学工作，促进计算机教学质量的提高都具有重要的意义。..
　　高水平的教材是一流教育质量的重要保证。为了配合专业规范的试行，便于广大高校教．师按照新的专业规范组织实施教学，高等教育出版社在大力支持专业规范研究与起草工作的同时，还邀请规范起草小组的有关专家成立“高等学校计算机科学与技术系列教材编审委员会”，组织规划了结合计算机专业规范、面向全国高等学校计算机专业本科生的“高等学校计算机科学与技术系列教材”。令人高兴的是，一批有创新、改革精神，且有丰富教学经验的高等学校教师投身到新体系计算机专业教材的编写中来，他们用自己创造性的思维、辛勤的汗水诠释专业规范的思想，把新的课程体系和教学内容生动地传达给师生，并进行着有意义的教学实践。
　　“高等学校计算机科学与技术系列教材”以专业规范和CC2001-CC2005有关教程为依据一以强化基础、突出实践、注重创新为原则，体现了学科课程体系和教学内容改革的新成果。此外，这一系列教材还配有丰富的教学辅助资源，并与现代教育技术手段相结合，充分发挥网络平台的作用，使教材更有利于广大教师和学生使用。目前，这一系列教材有不少选题已列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材，希望这些教材的出版能够对新形势下我国高等学校计算机专业课程改革与建设起到积极的推动作用，使我国高校的计算机专业教学质量再上一个台阶。...
　　中国科学院院士2006-2010年教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会主任
　　二OO七年十一月