1. 內容豐富、重點明顯。強調基本概念、基本理論和技術方法的系統完善，弱化體系結構的多樣性。

2. 內容實用。在保證知識體系完整的前提下，盡量避免與本科段其他課程內容重復，且留有知識空間以便碩士段開設“高級計算機體系結構”。

3. 適應性強。將理論方法與體系結構模型分開，突出前者來滿足不同學時的需要。

4. 邏輯性強、結構新穎。嚴格按照知識體系的前導后繼關系組織章節。

計算機體系結構又稱計算機系統結構。在學科領域中，計算機系統結構是計算機科學與技術的二級學科，高等院校在本科階段設置“計算機體系結構”課程是近十年才普及的。“數字邏輯”、“計算機組成原理”、“計算機體系結構”和“微型計算機及其接口技術”是計算機科學與技術專業本科生硬件一條線的必修課程，其中“計算機體系結構”屬于專業課。“高級計算機體系結構”是計算機科學與技術一級學科和二級學科——計算機體系結構的碩士研究生的基礎課程。

1．人們對“計算機體系結構”課程在概念認識上的誤區

在概念認識上，人們對“計算機體系結構”課程存在許多誤區。

首先，認為沒有必要單獨開設“計算機體系結構”課程，導致許多地方高等院校的計算機科學與技術專業本科階段還沒有開設該課程。①從計算機硬件系統設計來看，包含結構設計、邏輯設計和物理實現三個層次，這如同軟件系統設計一樣，包含概要設計、詳細設計和編程實現。硬件系統三個層次的結構設計雖然在內容上界限模糊，但學習時分別對應“計算機體系結構”、“計算機組成原理”和“微型計算機及其接口技術”三門課程，不僅極具科學性，還可使學生深刻理解它們的區別和對應的方法技術。②從“計算機體系結構”技術知識來看，教學內容覆蓋了“計算機組成原理”、“編譯技術”、“操作系統”、“數據結構”、“數字邏輯”、“微型計算機及其接口技術”等重要課程，是唯一一門把軟硬件技術知識融合在一起的課程。有了計算機體系結構方面的知識，程序員就能理解程序設計中不同選擇和取舍對程序效率的影響，迅速地查明故障來源，改善編程過程。使學生不僅知其然，還知其所以然。

其次，認為“計算機體系結構”與“計算機組成原理”兩門課程的知識重復度高，其實不然，計算機體系結構課程在知識層次上高于計算機組成原理，兩門課程的本質核心截然不同。①從概念結構來看，“計算機組成原理”僅介紹最原始最簡單的計算機結構模型，為各功能部件的講述做一個鋪墊；“計算機體系結構”則是以最簡單結構模型為基礎，以提高計算機性能為目的，提出改進的技術方法，為各種現代并行計算機體系結構的講述做一個鋪墊，比如指令多處理機、陣列處理機、向量處理機和多處理機系統等。②從課程內容組織來看，“計算機組成原理”是按功能部件展開的，講述部件的功能作用和采用原始簡單的技術方法實現其功能的工作原理與邏輯結構的設計；“計算機體系結構”則是按信息處理展開的，講述軟硬界面劃分的權衡策略與優化方法、分析設計技術及其對計算機性能提高的作用與支持其實現的概念性結構。③從同一技術知識來看，“計算機組成原理”、“微型計算機及其接口技術”和“計算機體系結構”在內容上有一定相似，但“計算機組成原理”講述的是普遍性，“微型計算機及其接口技術”講述的是特殊性，“計算機體系結構”講述的是將普遍性轉化到特殊性的思維方法，比如計算機中用到的尋址方式很多，微型計算機要選用哪些、如何選擇則是由計算機體系結構的技術知識來解決。

再次，認為“計算機體系結構”是碩士研究生的基礎課程，導致計算機科學與技術專業本科階段的知識體系“軟化”和“應用化”。①本科計算機科學與技術專業的“數字邏輯”、“計算機組成原理”、“計算機體系結構”硬件一條線課程與“數據結構”、“操作系統”、“編譯技術”軟件一條線課程依次相對應，“編譯技術”是本科課程，“計算機體系結構”也應設置。其根本原因在于“重軟輕硬”，事實上，計算機科學與技術在經過先硬后軟的發展過程之后，已進入了軟硬件協同優化設計階段，即計算機體系結構發展階段。②計算機科學與技術專業在應用軟件開發方面不如軟件工程專業，在硬件開發方面不如電子技術專業，唯有在系統軟件和嵌入式系統開發上有獨特的優勢。而系統軟件和嵌入式系統開發需要計算機體系結構的技術知識來支撐。③經過60多年的發展，計算機體系結構復雜多樣，技術知識體系已很龐大，需要分兩個階段學習，區分兩個階段的教學內容是關鍵。本科階段以并行處理技術為主線，講述計算機體系結構基本概念、通用技術方法（如加工（流水線）技術、存儲組織技術、信息交換（互聯網絡）技術）和單處理機的體系結構。碩士研究生階段以體系結構為主線，講述并行計算機體系結構基本概念、體系結構（如陣列處理機、向量處理機、多處理機、非程序控制計算機）及其相應的專用技術。

2．“計算機體系結構”課程的特點

“計算機體系結構”作為本科計算機科學與技術專業跨越軟硬件技術知識體系的高年級課程，具有以下特點：

（1）綜合性強，知識面廣。計算機體系結構所涉及的知識幾乎與所有計算機專業基礎和相關的前繼課程的知識有關，需要對各課程知識融會貫通，才能理解其中的基本概念和理論方法。比如講流水線技術，一定要以“計算機組成原理”中的指令執行過程和“微型計算機及其接口技術”中的8086處理機由EU和BIU兩個功能部件并行操作作為切入點，在提出一二次重疊的概念基礎上，才能使學生透徹理解流水線技術的基本概念、理論方法，以及應用對計算機并行性提高是基于時間并行的原理。

（2）理論性強，抽象繁雜。計算機體系結構所涉及的名詞不僅多，而且一般都是抽象的概念，沒有對應的實體。理論方法一般是應用到大中型計算機系統上，學生接觸不到相應的機器。實驗環境缺乏，實踐教學基本空白，學生對計算機體系結構改進的理論方法難以獲得直觀認識。

（3）教學內容變化快。計算機體系結構已進入了快速發展階段，原有的理論方法不斷深入，比如哪些多級交叉開關動態網絡是常用的等，新的理論方法不斷提出，比如模式匹配驅動的計算機模型等。

3．合理定位教學內容，使教材具有自身的特點

在課程內容的選擇上，按照學科知識體系的完整性、適時性和針對性原則來組織。在保證課程內容既沒有知識的簡單重復、又沒有重要知識缺失的前提下，適當補充新知識。尤其是對于地方性高等院校，應強調概念方法，減少量化分析；應強調成熟廣泛應用理論方法的深入完善，減少新概念、新方法的出現；應強調與微型計算機體系結構的結合，適當介紹大中型計算機的體系結構。本書作者長期從事“計算機體系結構”本科生與碩士研究生課程的教學，查閱和綜合分析了相關資料，吸收國內同類教材編寫思路，結合地方高等院校的實際，在2005年于中國水利水電出版社出版的《計算機系統結構》的基礎上，對教材內容進行大刀闊斧的改進并重組，構建了課程內容，編寫了本書。

本書以程序控制計算機的并行處理為主線，突出并行處理技術是改善計算機體系結構的關鍵技術。在系統介紹計算機體系結構的基本概念、整機體系結構分析設計的理論方法、計算機體系結構發展的方向架構基礎上，從實現并行性的技術途徑——時間重疊、資源重復和資源共享出發，詳細講述流水線技術（加工技術）、存儲組織技術（存儲技術）、互聯網絡技術（傳輸技術）、計算機屬性優化選擇技術等的基本概念和理論方法、實現的邏輯結構要求、提高計算機性能的評測，簡述指令級高度并行處理機、數據操作級并行處理機、多處理機等實現的技術基礎、結構模型和性能特點。

本書的主要特點是：①內容章節安排思路新，將計算機體系結構分析設計的理論方法與并行處理機體系結構模型分開，突出前者來滿足不同學時的需要；②強調基本概念、基本理論和技術方法的系統完善，削弱體系結構的多樣性；③注重基本概念的一般解釋，而不是典型狹義解釋；④在保證知識體系完整的前提下，盡量避免與其他課程內容的重復。

本書由劉超任主編，胡全連、吳克捷、鄭燚任副主編，參加編寫的還有楊印根、周琪云、周新、周一凡、葛瑋、羅文兵、樂兵、何春旺等。在編寫與出版過程中得到了江西師范大學甘登文教授等和中國水利水電出版社朱敦名教授的關心與幫助，在此表示感謝。

由于作者水平有限，書中疏漏甚至錯誤之處在所難免，敬請各位專家、讀者批評指正。

編 者

2010年9月

第二版前言
第一版前言

第1章 計算機體系結構導論 1
1.1 計算機體系結構的基本概念 1
1.1.1 提高計算機性能的硬件因素 1
1.1.2 廣義的計算機語言與虛擬計算機 2
1.1.3 計算機體系結構及其范疇 3
1.1.4 計算機組成與計算機實現 4
1.1.5 計算機體系結構的特性 6
1.2 計算機體系結構的演變 10
1.2.1 計算機體系結構的基本模型 10
1.2.2 計算機體系結構存在的主要問題
及其改進 12
1.2.3 計算機體系結構的演變過程 14
1.3 影響計算機體系結構的因素 16
1.3.1 影響計算機體系結構的基本因素 16
1.3.2 編譯技術與計算機體系結構的關系 20
1.3.3 算法與計算機體系結構的關系 23
1.3.4 計算機體系結構的分類 23
1.4 計算機體系結構中的并行性及其發展 27
1.4.1 并行性與并行處理 27
1.4.2 并行性等級的劃分 28
1.4.3 提高計算機并行性的技術途徑 29
1.4.4 多機系統及其耦合度 29
1.4.5 多處理機系統 30
1.4.6 計算機體系結構實現并行處理的歷程 31
1.5 計算機體系結構設計的基礎 34
1.5.1 計算機體系結構設計的原則 34
1.5.2 計算機體系結構設計的方法 35
1.5.3 軟件可移植性及其實現的方法 36
1.5.4 計算機體系結構設計的定量原理 38
1.5.5 CPU性能分析 39
1.6 計算機系統的評價 41
1.6.1 計算機系統評價的概念 41
1.6.2 計算機系統的性能 41
1.6.3 計算機系統的成本與價格 42
1.6.4 程序執行時間的測定 43
習題一 45
第2章 流水線技術 49
2.1 流水線的基本概念 49
2.1.1 多條指令的執行方式 49
2.1.2 什么是流水線 50
2.1.3 流水線的表示方法 51
2.1.4 流水線的分類 52
2.1.5 流水線的特點 55
2.2 處理機實現流水線的基本結構 56
2.2.1 重疊執行方式的基本結構 56
2.2.2 先行控制方式的基本結構 57
2.2.3 先行控制指令流水線的基本結構 60
2.2.4 運算操作流水線和宏流水線的
基本結構 61
2.2.5 流水線結構設計中的若干問題 61
2.3 線性流水線的性能及其分析 62
2.3.1 吞吐率（Through Put rate，TP） 62
2.3.2 加速比（Speedup ratio，S） 64
2.3.3 效率（Efficiency，E） 64
2.3.4 吞吐率、加速比和效率之間的關系 65
2.3.5 流水線“瓶頸”問題的解決方法 65
2.3.6 流水線最佳段數的選擇 67
2.4 流水線中的相關及其處理 70
2.4.1 流水線中相關的基本概念 70
2.4.2 資源相關 71
2.4.3 操作數相關 73
2.4.4 指令相關 76
2.4.5 變址相關 76
2.4.6 條件轉移相關及其對流水線效率的
影響 77
2.4.7 條件轉移相關的處理技術 79
2.4.8 無條件轉移相關 85
2.4.9 中斷轉移相關 85
2.5 非線性流水線的調度 86
2.5.1 問題的提出 86
2.5.2 非線性流水線調度的相關術語
及其計算方法 88
2.5.3 最小啟動循環調度策略的求解
及其實現 89
2.5.4 非線性流水線的優化調度方法 91
2.5.5 多功能非線性流水線的調度 93
習題二 95
第3章 互聯網絡技術 101
3.1 互聯網絡的基本概念 101
3.1.1 互聯網絡及其組成與特征 101
3.1.2 互聯網絡的描述工具 103
3.1.3 常用的基本互連函數 104
3.1.4 互聯網絡結構特性和傳輸性能參數 108
3.1.5 互聯網絡的分類 110
3.2 靜態互聯網絡 112
3.2.1 靜態互聯網絡及類型 112
3.2.2 靜態互聯網絡的結構 112
3.2.3 靜態互聯網絡特性的比較 116
3.3 動態互聯網絡 116
3.3.1 動態互聯網絡及其互連形式 116
3.3.2 總線互聯網絡 116
3.3.3 交叉開關互聯網絡 117
3.3.4 多級交叉開關互聯網絡 118
3.3.5 動態互聯網絡特性的比較 120
3.4 常用的多級交叉開關動態互聯網絡 121
3.4.1 多級動態網絡（Omega網絡） 121
3.4.2 STARAN多級動態網絡 123
3.4.3 間接二進制n方體多級動態網絡 127
3.4.4 多級動態網絡 128
3.4.5 DM多級動態網絡 129
3.4.6 基準多級動態網絡 130
3.4.7 可重排3級Clos網絡 131
3.4.8 Benes二進制置換網絡 132
3.5 互聯網絡的消息傳遞 135
3.5.1 消息傳遞的格式與方式 135
3.5.2 路由選擇及其方法 138
3.5.3 算術選路算法 140
3.5.4 虛擬通道 141
3.5.5 死鎖 142
3.5.6 流量控制策略 147
3.5.7 選播和廣播尋徑 150
習題三 152
第4章 計算機屬性優選技術 157
4.1 數據表示 157
4.1.1 數據表示的基本概念 157
4.1.2 引入數據表示的基本原則 159
4.1.3 自定義數據表示 159
4.1.4 向量與堆棧數據表示 163
4.1.5 浮點數的尾數基值及其格式設計 165
4.1.6 原子類型操作數的大小 168
4.2 尋址技術與存儲保護 169
4.2.1 編址方式 169
4.2.2 尋址方式 171
4.2.3 程序裝入與定位 172
4.2.4 存儲保護 174
4.3 指令格式的優化設計 176
4.3.1 指令系統設計的基礎 176
4.3.2 指令系統的結構分類 178
4.3.3 指令字的編碼格式 179
4.3.4 指令格式中的地址碼 181
4.3.5 指令格式中的操作碼編碼 183
4.3.6 指令系統中的控制指令 187
4.4 指令系統的功能設計 191
4.4.1 指令系統功能的發展與改進 191
4.4.2 復雜指令系統的功能設計 193
4.4.3 精簡指令系統的功能設計 195
4.4.4 精簡指令系統計算機 196
4.5 輸入輸出系統與總線 200
4.5.1 輸入輸出系統的概述 200
4.5.2 輸入輸出系統控制方式 202
4.5.3 輸入輸出系統組織方式 204
4.5.4 中斷系統的軟硬件功能分配 204
4.5.5 總線 210
習題四 217
第5章 并行存儲器與存儲系統的組織 224
5.1 并行存儲器與相聯存儲器 224
5.1.1 并行存儲器及其實現途徑 224
5.1.2 單體多字存儲器 224
5.1.3 多體多字交叉編址存儲器 226
5.1.4 多體多字存儲器的無訪問沖突 229
5.1.5 相聯存儲器 230
5.2 存儲系統的組織原理 233
5.2.1 存儲系統的基本概念 233
5.2.2 存儲系統組織的基本思想 234
5.2.3 存儲的基本層次和三級
存儲系統 236
5.2.4 三級存儲系統的組織方式 238
5.2.5 存儲系統的性能指標 239
5.3 Cache存儲系統的組織基礎 241
5.3.1 Cache存儲系統的工作原理 241
5.3.2 幾種地址映像和地址變換
的方法 242
5.3.3 替換算法及其實現 251
5.3.4 Cache存儲系統的一致性維護 255
5.3.5 Cache存儲系統的性能指標 257
5.4 提高Cache存儲系統性能的方法 261
5.4.1 不命中的類型 262
5.4.2 降低Cache不命中率的方法 262
5.4.3 減少Cache不命中開銷的方法 268
5.4.4 減少Cache命中時間的方法 272
5.4.5 Cache優化技術的比較 275
習題五 276
第6章 指令級高度并行處理機的組織 284
6.1 指令級高度并行處理機的基本概念 284
6.1.1 標量指令與標量處理機 284
6.1.2 指令級并行的實現方法
及其衡量指標 284
6.1.3 指令發射及其類型 285
6.1.4 指令調度及其基本方法 286
6.1.5 靜態指令調度——軟件方法 286
6.2 硬件動態指令調度——硬件方法 289
6.2.1 動態指令調度的基本思想 289
6.2.2 記分牌指令調度方法 290
6.2.3 Tomasulo指令調度方法 296
6.3 基于硬件技術的多發射處理機 303
6.3.1 超標量處理機
（Superscalar Processor） 303
6.3.2 超流水線處理機
（Superpipelining Processor） 308
6.3.3 超標量超流水線處理機 311
6.3.4 四種不同類型處理機的性能比較 314
6.4 基于軟件技術的多發射處理機 315
6.4.1 超長指令字處理機及其結構原理 315
6.4.2 超長指令字處理方式的特征 316
6.4.3 超長指令字與超標量兩種
處理方式的區別 317
6.4.4 超長指令字處理機實例——Cydra 5
處理機 318
習題六 318
第7章 數據操作級高度并行處理機 322
7.1 向量處理機 322
7.1.1 向量處理的基本概念 322
7.1.2 向量處理的基本方式 323
7.1.3 向量處理機的基本結構 325
7.1.4 向量處理機的指令 327
7.1.5 提高向量處理機性能的常用技術 329
7.1.6 向量處理機的性能 334
7.1.7 向量處理機實例 335
7.1.8 向量協處理器 340
7.2 陣列處理機 344
7.2.1 陣列處理機操作模型與特點 344
7.2.2 陣列處理機的基本結構 345
7.2.3 陣列處理單元的結構 347
7.2.4 陣列處理機的并行算法 348
7.2.5 陣列處理機的實例 351
7.3 脈動陣列處理機 362
7.3.1 脈動陣列處理機的基本原理 362
7.3.2 脈動陣列處理機的優缺點 363
7.3.3 特定算法的脈動陣列處理機結構 364
7.3.4 通用脈動陣列處理機結構 366
習題七 368
第8章 多處理機 371
8.1 多處理機的基本概念 371
8.1.1 多處理機及其一般模型 371
8.1.2 多處理機的分類 372
8.1.3 多處理機的特點 375
8.1.4 多處理機的操作系統 376
8.2 多處理機的Cache一致性 377
8.2.1 多處理機Cache間不一致性的由來 377
8.2.2 多處理機Cache不一致的處理方法 378
8.2.3 寫無效總線監聽協議法 379
8.2.4 基于目錄協議法 382
8.3 機群系統 384
8.3.1 機群系統及其特點 384
8.3.2 機群系統的軟硬件結構 386
8.3.3 機群系統的關鍵技術 388
習題八 391
參考文獻 393