本书结合计算机技术现状，系统地讲述现代计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，并简要介绍当前系统结构领域的主要进展。

本书共8章：第1章介绍计算机系统结构的基础知识；第2章简要介绍冯·诺依曼体系结构中CPU、存储系统、输入输出系统以及系统总线的基本知识；第3章在介绍常用的数据表示方法和寻址方式的基础上，讲解指令系统的优化设计方法及其最新进展；第4章介绍虚拟存储系统、Cache存储系统以及Cache-主存-辅存三级存储系统的工作原理和相关的地址映像及变换方法；第5章介绍基本输入输出方式、总线控制方式以及中断方式的基本工作原理；第6章介绍标量流水线、非线性流水线的基本概念与工作原理和调度策略，并简要介绍指令级上高度并行的超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机和超长指令字处理机的工作原理；第7章是并行处理机技术，介绍SIMD计算机、MIMD计算机的基本组成原理、类型和特点，以及与它们相关的互连网络的工作原理；第8章介绍计算机系统结构进展。每一章的内容均包括内容简介、学习内容、本章小结和习题。

本书重点讲述现代主流计算机采用的比较成熟的设计思想、结构和方法等，力求内容重点突出、论述简洁、贴近实际。本书可以作为计算机专业本科生“计算机系统结构”课程的教材，或者相关专业本、专科学生“计算机组成与体系结构”课程的教材，也可以作为有关专业研究生和相关领域科技人员的参考书。

计算机系统结构也称计算机体系结构，是计算机及相关专业的一门重要课程，在学科领域中，“计算机系统结构”是计算机学科中的一个二级学科。

计算机系统结构从外部研究计算机系统，是使用者所看到的物理计算机的抽象，是编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。计算机系统结构主要研究计算机系统中软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件实现。它强调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，对于培养系统地、自上而下地分析和解决问题的能力，以及培养抽象思维能力有非常重要的作用。通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“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，学习针对计算机系统的分析方法和设计方法，掌握现代计算机系统的基本结构及工作原理。

近年来，由于流水线技术、高速缓存技术、并行处理技术、多核处理器技术、片上系统、网格计算等新技术的出现，使得计算机系统结构领域发生了重大变化。为适用这种变化，同时结合教学应用型大学的培养目标和学生特点，我们编写了本书。参加本书编写的人员来自不同本科院校，均为担任计算机系统结构课程的主讲教师。在本书的编写过程中，编写者充分考虑了讲授本课程的切身体会，以及学生在学习本课程时遇到的普遍性问题。贴近实际是本书的最大特色。本书除了着重论述体系结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以外，还强调量化的分析方法，这种方法使学生能够更具体、实际地分析和理解计算机体系结构。本书最后一章简要介绍系统结构当前的主要研究进展。为了便于因材施教和学生自学，对于偏难或者非基础性的内容，书中在相应的章节的标题前标注了“※" 。教师可以根据具体学时，选择本书的教学内容进行讲授。针对这些内容的习题编号前则以“”标注。

  本书内容编排大体是按照计算机系统结构的发展历程：冯·诺依曼体系结构→改进的冯·诺依曼体系结构→非冯·诺依曼体系结构这条线索。以经典冯·诺依曼体系结构（第2章）为基础，介绍现代通用计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以及相关领域的最新研究成果，主要包括：数据表示与指令系统设计（第3章），存储系统（第4章），输入输出系统（第5章），流水线技术（第6章），并行处理机技术（第7章），以及计算机系统结构进展（第8章）. 

本书由秦杰博士任主编，郑丽萍任副主编，第2章由周口师范学院乔蕊老师编写，第3、7章由河南工业大学郑丽萍老师编写，第4章由华北水利水电学院孙全红老师编写，第5章由河南农业大学孙昌霞老师编写，第6章由河南工业大学王献荣老师编写，秦杰完成第1、8章的编写，以及全书的统稿工作。限于作者的水平，错误和不当之处在所难免，请读者批评指正。

本书的内容参考了国内外有影响的相关书籍和教材，以及计算机系统结构方面最新的研究论文，在此向相关作者表示感谢！

本书的出版得到清华大学出版社领导以及战晓雷编辑等相关人员的大力支持，在此表示感谢！

秦 杰 2009年1月

第1章 计算机系统结构导论1

  1.1 计算机系统结构的基本概念1

1.1.1 计算机系统的层次结构1

1.1.2 计算机系统结构、组成与实现3

1.1.3 计算机系统结构的发展历程7

1.1.4 计算机系统结构的分类14

  1.2 影响计算机系统结构的因素16

1.2.1 应用对计算机系统结构的影响16

1.2.2 算法对计算机系统结构发展的影响17

1.2.3 软件对计算机系统结构的影响18

1.2.4 器件对计算机系统结构发展的影响20

  1.3 计算机系统性能分析与系统结构的评价标准21

1.3.1 计算机性能的分析与评价21

1.3.2 系统结构的评测标准22

  1.4 定量分析技术基础25

1.4.1 大概率事件优先原则 25

1.4.2 Amdahl定律 26

1.4.3 CPU性能公式27

1.4.4 程序的局部性原理 30

  1.5 本章小结30

  习题131

第2章 现代计算机组成33

  2.1 中央处理机34

2.1.1 CPU的组成34

2.1.2 数据表示35

2.1.3 寻址方式概述36◆计算机系统结构目 录  2.2 存储系统37

2.2.1 存储系统概述38

2.2.2 存储系统的层次结构39

2.2.3 并行存储器41

2.2.4 程序访问的局部性43

  2.3 输入输出系统44

2.3.1 输入系统45

2.3.2 输出系统46

2.3.3 通道处理机和I/O处理机47

  2.4 总线49

2.4.1 总线系统概述50

2.4.2 总线基本工作原理51

2.4.3 设备的连接52

2.4.4 CPU和I/O处理的匹配52

  2.5 本章小结53

  习题254

第3章 数据表示与指令系统设计55

  3.1 数据表示55

3.1.1 数据表示与数据结构55

3.1.2 定点数据表示56

3.1.3 浮点数据表示57

3.1.4 自定义数据表示61

  3.2 寻址技术65

3.2.1 编址方式65

3.2.2 常用寻址方式65

3.2.3 寻址技术在指令中的指明68

3.2.4 定位方式68

  3.3 指令格式的优化设计68

3.3.1 指令格式的组成69

3.3.2 操作码的优化69

3.3.3 地址码优化设计73

3.3.4 指令格式优化设计方法75

3.3.5 DLX指令格式设计76

  3.4 指令系统的功能设计78

3.4.1 指令系统的发展78

3.4.2 复杂指令系统79

3.4.3 精简指令系统82

  3.5 本章小结85

  习题385

第4章 存储系统87

  4.1 存储系统的技术指标87

4.1.1 存储系统的基本要求87

4.1.2 存储系统的性能指标88

  4.2 虚拟存储器89

4.2.1 虚拟存储器的原理89

4.2.2 虚拟存储器的管理方式91

4.2.3 加快地址变换的方法97

4.2.4 页面替换算法101

4.2.5 堆栈型替换算法104

4.2.6 虚拟存储器的性能分析106

  4.3 高速缓冲存储器109

4.3.1 基本结构和工作原理110

4.3.2 地址映像及变换方式111

※4.3.3 替换算法119

※4.3.4 Cache性能分析123

4.3.5 提高Cache性能的方法127

  4.4 Cache-主存-辅存三级存储系统128

4.4.1 三级存储系统的组织方式128

※4.4.2 虚拟地址Cache130

  4.5 存储系统实例131

4.5.1 主存保护131

※4.5.2 主存保护实例134

  4.6 本章小结134

  习题4135

第5章 输入输出系统139

  5.1 输入输出工作原理139

5.1.1 输入输出系统的特点139

5.1.2 输入输出系统的组织方式140

5.1.3 基本输入输出方式141

  5.2 总线系统145

5.2.1 总线的分类145

5.2.2 总线结构的特点147

5.2.3 总线仲裁148

5.2.4 总线的控制方式148

5.2.5 总线的通信方式150

5.2.6 总线标准及发展152

5.2.7 总线的指标154

  5.3 中断系统155

5.3.1 中断源155

5.3.2 中断优先级156

5.3.3 中断处理过程157

5.3.4 中断系统的软硬功能分配159

5.3.5 中断屏蔽161

  5.4 通道处理机163

5.4.1 通道的工作过程164

5.4.2 通道的种类及相应的数据宽度、数据传送过程166

5.4.3 通道的流量分析169

  5.5 输入输出处理机171

5.5.1 输入输出处理机的特点172

※5.5.2 输入输出处理机的种类172

  5.6 本章小结173

  习题5173

第6章 流水线技术178

  6.1 指令重叠与先行控制178

6.1.1 重叠方式178

6.1.2 先行控制方式的结构180

6.1.3 先行控制方式的原理182

  6.2 流水线处理机183

6.2.1 流水线工作原理183

6.2.2 流水线的分类185

6.2.3 流水线的性能分析186

  6.3 标量流水线处理机中的相关195

6.3.1 资源相关195

6.3.2 数据相关196

6.3.3 控制相关200

  6.4 非线性流水线的调度技术207

6.4.1 非线性流水线的表示207

6.4.2 非线性流水线的调度209

  6.5 多指令流水线技术212

6.5.1 超标量处理机212

6.5.2 超流水线处理机215

6.5.3 超标量超流水线处理机216

※6.5.4 超长指令字（VLIW）处理机216

  6.6 向量处理机218

6.6.1 向量处理方式218

6.6.2 向量处理机结构219

6.6.3 向量计算机实例分析222

  6.7 本章小结226

  习题6227

第7章 并行处理机技术231

  7.1 互连网络231

7.1.1 互连函数231

7.1.2 互连网络的性能和特征234

7.1.3 静态互连网络235

7.1.4 动态互连网络238

  7.2 SIMD计算机244

7.2.1 SIMD计算机模型与特点244

7.2.2 SIMD计算机结构245

7.2.3 SIMD计算机实例247

7.2.4 SIMD处理机的算法举例253

  7.3 MIMD计算机256

7.3.1 MIMD计算机结构256

7.3.2 MIMD计算机的特点257

7.3.3 多处理机的Cache一致性259

  7.4 本章小结266

  习题7267

第8章 计算机系统结构进展269

  8.1 计算机系统结构新发展概述269

8.1.1 片上系统270

8.1.2 网格化的高性能计算机系统结构274

  8.2 新一代处理器体系结构280

8.2.1 多核处理器技术281

8.2.2 同构多核处理器架构284

8.2.3 异构多核处理器290

8.2.4 新一代处理器体系结构的研究趋势294

 ※8.3 几种专用的计算机系统结构介绍299

8.3.1 脉动阵列机300

8.3.2 数据流计算机305

8.3.3 归约机315

8.3.4 人工智能计算机320

  8.4 本章小结333

  习题8334

参考文献335