本书以程序控制单处理器计算机为主体，围绕并行处理技术，阐述计算机体系结构的概念理论、分析设计方法和属性优选技术，分析提高信息加工、存储和传输等并行性的处理技术及其应用实现的组织方法、结构模型和对性能提高的度量评测，讨论细粒度高度并行处理机的组织模型、结构特点和性能评测。本书共7章，分为3部分，第1章为总论基础部分，第2～5章为技术方法部分，第6～7章为高性能结构部分。

本书以高等院校应用型本科人才培养的目标要求为宗旨，在总结长期教学经验和参考国内外经典教材的基础上，依据计算机体系结构研究任务(软硬件功能分配和硬件功能实现的**方法)来组织内容，面向PBL(基于问题学习)线上线下混合式教学模式来编写。本书结构逻辑清晰、内容研读性强、语言精练易懂，可以作为高等院校计算机类各专业本科生“计算机系统结构”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。

“数字逻辑电路”“计算机组成原理”“计算机体系结构”和“嵌入式计算机及其接口技术”是计算机类专业本科生“硬件一条线”的课程，其中“计算机体系结构”属于专业课。但是，“计算机体系结构”并不是纯硬件课程，它是唯一一门把软硬件知识融合在一起的课程，以帮助理解计算机类核心课程的学习目的及其相应知识属于计算机工作过程中的哪一个环节，由此才能将各课程知识融会贯通，构建起完整的计算机系统。如通过2.1节的学习，可以使学生认识到： 存储器的结构实现与复合类型数据的结构模型存在差异，因而难以甚至无法由0和1(即硬件)直接表示，只有通过软件映像方法来组织存储，所以“数据结构”课程就是讨论复合数据的组织存储及其查找方法，其作用如同图书馆管理员的工作。因此，在掌握计算机的结构原理与工作机制及其设计实现技术的基础上，学习软硬件功能分配和硬件功能实现的最佳方法是计算机设计实现及其应用能力建构的必备知识。

“高级计算机体系结构”是计算机科学与技术一级学科和计算机体系结构二级学科的硕士研究生的基础课程，它与本科段的学习内容完全不同。计算机经过70多年的发展，体系结构已复杂多样，技术知识体系已很庞大。本科段以单处理机并行处理技术为主线，讲述计算机体系结构的基本概念、硬件功能实现的通用成熟的并行处理方法（含信息加工流水线技术、信息存储层次与并行技术以及信息传输互联网络技术）和单处理机组织结构。硕士研究生段则以多处理机体系结构为主线，讲述并行计算机体系结构的基本概念、组织结构及其相应的特殊专用技术，如性能评价方法、Cache之间一致性实现方法以及通信延迟处理方法等。

本教材共7章，分为3部分。第1章为总论基础部分，讨论计算机体系结构与并行处理、计算模型与数据驱动等系列概念，介绍计算机体系结构的分类与实现并行处理的历程，分析冯·诺依曼计算机体系结构存在的问题及其改进与发展技术途径，阐述计算机体系结构设计的原理准则、策略途径和分析方法。第2～5章为技术方法部分，其中第2章从软硬件功能分配出发，讨论计算机体系结构属性（含数据表示、指令系统、存储部件管理、总线和输入输出控制等）的优化或选择技术；第3章以用于信息加工的处理机流水线为基础，介绍流水线的基本概念，阐述流水线处理机实现的基本结构，分析线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，讨论流水线相关及其处理方法；第4章介绍存储系统的概念及其组织结构，讨论Cache存储体系的结构原理和组织实现技术，分析提高Cache存储体系性能的方法，阐述并行存储器种类及其结构原理；第5章介绍互连网络的基本概念，讨论常用互连函数、静态互连网络及其结构特性、动态互连网络及其组成逻辑，分析常用多级交叉开关的结构特点与寻径控制，阐述互连网络信息传递的控制方法。第6章和第7章为性能结构部分，其中第6章介绍指令级高度并行处理机的系列概念，分析指令调度及其实现途径和策略方法，讨论4种指令级高度并行处理机的结构组织及其性能；第7章阐述3种数据操作级高度并行处理机的组织结构、工作机理和性能特点，介绍各种数据操作级高度并行处理机的典型结构，讨论提高向量处理机性能的方法和适用于阵列处理机的几个算法。特别地，每章附有大量的复习题和练习题，其中复习题即是复习要点，用于帮助学生检查自己对基本知识掌握是否全面，以便于查漏补缺；练习题用于检查学生对基本知识理解的状态，以便于提高基本知识的应用能力。

本书的最大特点是研读性强。为了使教材适应当前提倡的以学生为中心的教学理论，与线上线下混合教学模式相匹配，依据基于问题学习(PBL)的教学方法，通过场景或知识关联、模拟类比等途径，在每一节开始处配置“问题小贴士”，提出本节需要讨论的知识和解决的问题，有利于激发学生进行自主研究性学习。

在本书出版过程中，得到清华大学出版社、江西师范大学计算机信息工程学院与教务处的大力支持与帮助。清华大学出版社的编辑付出了大量辛勤劳动，特别是龙启铭编辑提出了许多宝贵建议。在本书编写过程中，许多从事一线教学的同仁给出了不少建设性意见。本书还直接或间接引用了许多专家学者的文献著作(已在参考文献中列出)，在此一并表示衷心感谢与敬意。

限于编者的知识、经验与能力水平，书中难免存在错误与疏漏，敬请同行专家学者和广大读者批评指正。

编者2021年7月

第1章计算机体系结构导论/1

1.1计算机体系结构及其系列概念1

1.1.1影响计算机（硬件）性能的根本因素1

1.1.2广义计算机语言与虚拟计算机2

1.1.3计算机体系结构及其范畴4

1.1.4计算机组成与计算机实现6

1.1.5软件移植与软件兼容7

1.1.6计算机体系结构的特性10

1.2计算机体系结构的改进和演变11

1.2.1计算模型及其数据驱动原理11

1.2.2计算机体系结构原型及其改进13

1.2.3计算机体系结构演变的影响因素15

1.2.4计算机体系结构的演变17

1.3计算机体系结构的并行性及其发展19

1.3.1并行计算机与并行性19

1.3.2并行性实现等级划分21

1.3.3提高计算机并行性的技术途径22

1.3.4多处理机与多计算机23

1.3.5计算机实现并行处理的历程24

1.3.6计算机体系结构分类26

1.4计算机体系结构设计基础28

1.4.1体系结构设计的原理准则29

1.4.2体系结构设计的策略途径31

1.4.3体系结构设计的量化分析32

1.4.4计算机评价及其量化计算33

1.4.5基准测试程序及其测试统计35

复习题39

练习题40计算机体系结构第2章计算机体系结构属性优选/44

2.1数据表示及其表示格式44

2.1.1数据表示及其选取原则44

2.1.2标志符数据表示47

2.1.3描述符数据表示50

2.1.4浮点数尾数基值与格式参数51

2.1.5原子类型数据字位数54

2.2指令系统功能配置及其支持55

2.2.1指令系统构建的基本原则56

2.2.2指令系统功能配置分类57

2.2.3复杂指令系统功能配置及其特点59

2.2.4精简指令系统功能配置及其特点60

2.2.5RISC实现的关键技术61

2.3指令字格式及其优化设计64

2.3.1指令字格式优化的目标与策略65

2.3.2CPU存储特性及其分类66

2.3.3指令字长度结构及其分类67

2.3.4地址码长度的缩短70

2.3.5操作码的编码71

2.3.6控制指令字中有关信息的表示75

2.4存储部件的结构配置79

2.4.1存储部件的编址79

2.4.2主存储器的数据存放81

2.4.3操作数寻址83

2.4.4程序定位85

2.4.5主存储器保护87

2.5输入输出与系统总线的结构配置89

2.5.1输入输出的操作控制89

2.5.2中断实现功能的软硬件分配91

2.5.3系统总线的定时与仲裁94

复习题97

练习题100

第3章信息加工的流水线技术/104

3.1流水线及其特点与分类104

3.1.1指令序列处理及其流水线概念104

3.1.2流水线的表示106

3.1.3流水线的分类108

3.1.4流水线的特点111

3.2流水线处理机的实现结构112

3.2.1重叠处理的实现结构及其访问冲突113

3.2.2先行控制及其实现结构114

3.2.3不同级别的流水线结构117

3.2.4流水线结构中存在的问题118

3.3线性流水线性能及其最佳段数选取119

3.3.1线性流水线的性能指标119

3.3.2流水线最佳段数的选取123

3.3.3流水线瓶颈段的处置124

3.3.4条件转移对流水线效率的影响125

3.4指令流水线相关及其处理129

3.4.1流水线相关及其分类与处理策略129

3.4.2资源相关及其处理131

3.4.3操作数相关及其处理133

3.4.4变址相关及其处理137

3.4.5条件转移相关及其处理137

3.4.6中断转移相关及其处理145

3.5非线性流水线的任务调度147

3.5.1任务调度及其时间间隔147

3.5.2任务调度属性及其生成150

3.5.3最小启动循环调度策略的生成与实现152

3.5.4非线性流水线的优化调度154

3.5.5多功能非线性流水线的调度156

复习题159

练习题160

第4章信息存储的层次与并行技术/166

4.1存储系统及其存储层次技术166

4.1.1存储系统及其组织原理166

4.1.2存储系统的性能指标169

4.1.3三层二级存储系统170

4.1.4Cache存储体系概述173

4.2并行存储器及其并行访问技术177

4.2.1并行存储器及其带宽扩展177

4.2.2双端口存储器178

4.2.3相联存储器179

4.2.4单体多字存储器182

4.2.5多体多字存储器183

4.3Cache存储体系功能操作的实现189

4.3.1物理地址Cache的地址变换189

4.3.2虚拟地址Cache的地址变换198

4.3.3Cache块替换算法200

4.3.4Cache数据一致性及其维护203

4.4提高Cache存储体系性能的方法208

4.4.1Cache未命中的类型208

4.4.2降低Cache未命中率的方法209

4.4.3减少Cache未命中开销的方法215

4.4.4减少Cache命中时间的方法218

4.4.5提高Cache性能的方法比较219

复习题220

练习题222

第5章信息传输的互连网络技术/229

5.1系统域互连网络概述229

5.1.1互连网络及其属性229

5.1.2互连网络的组成231

5.1.3互连网络的描述方法232

5.1.4常用互连函数233

5.1.5互连网络的结构特性与传输性能参数238

5.2静态互连网络240

5.2.1静态互连网络及其选用要求240

5.2.2静态互连网络的结构特性241

5.2.3静态互连网络的结构特性比较244

5.3动态互连网络245

5.3.1动态互连网络与总线246

5.3.2交叉开关互连网络246

5.3.3多级交叉开关互连网络247

5.3.4动态互连网络性能比较250

5.4常用多级交叉开关互连网络251

5.4.1Ω多级交叉开关网络251

5.4.2STARAN多级交叉开关网络252

5.4.3间接方体多级交叉开关网络256

5.4.4δ多级交叉开关网络257

5.4.5DM多级交叉开关网络259

5.4.63级Clos交叉开关网络260

5.4.7Benes多级交叉开关网络262

5.5系统域互连网络消息传递265

5.5.1消息及其传递格式266

5.5.2消息包传递方式266

5.5.3路由选择与虚拟通道268

5.5.4路由选择算法及其分类270

5.5.5算术寻径算法270

5.5.6死锁及其解除和避免方法272

5.5.7流量控制及其控制策略277

5.5.8选播和广播路径选择279

复习题281

练习题283

第6章指令级高度并行处理机/288

6.1指令级高度并行及其静态指令调度288

6.1.1标量处理机及其指令级高度并行288

6.1.2指令发射与指令调度289

6.1.3软件静态指令调度290

6.2硬件动态指令调度293

6.2.1动态指令调度概述294

6.2.2CDC记分牌指令调度方法295

6.2.3Tomasulo指令调度方法301

6.3基于动态指令调度的多发射处理机307

6.3.1超标量处理机307

6.3.2超流水线处理机311

6.3.3超标量超流水线处理机313

6.3.44种流水线处理机的性能比较316

6.4基于静态指令调度的多发射处理机317

6.4.1超长指令字处理机及其结构原理318

6.4.2超长指令字处理与超标量处理的比较319

6.4.3超长指令字处理机实例——Cydra 5处理器320

复习题321

练习题322

第7章数据操作级高度并行处理机/325

7.1向量处理机325

7.1.1向量处理机与向量处理方式325

7.1.2向量处理机的指令集327

7.1.3向量处理机的组织结构330

7.1.4提高向量处理机性能的常用技术332

7.1.5向量处理机的性能参数336

7.1.6向量处理机实例338

7.2阵列处理机346

7.2.1阵列处理机及其体系结构346

7.2.2阵列处理机的特点与PE结构348

7.2.3阵列处理机并行算法举例349

7.2.4阵列处理机实例351

7.3脉动阵列处理机358

7.3.1脉动阵列处理机及其特点358

7.3.2特定脉动阵列处理机361

7.3.3通用脉动阵列处理机363

复习题364

练习题365

参考文献/369

本书以本科高等院校应用型人才培养的目标要求为宗旨，在总结长期教学经验和参考国内外经典教材的基础上，依据计算机体系结构研究任务(软硬件功能分配和硬件功能实现的**方法)来组织内容，面向PBL(基于问题学习)线上线下混合式教学模式来编写内容。本书结构逻辑清晰、内容研读性强、语言精炼易懂，可以作为高等院校计算机类各专业本科生“计算机系统结构”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。

刘超，男，出生于1963年10月，现为江西师范大学计算机信息工程学院教授，研究方向为控制网络与嵌入式系统等。主持完成省级及以上科研项目十余项，发表论文50余篇，主编教材二部，获得江西省科技进步奖二次。