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　　配套教程：

本书由国防科技大学“计算机体系结构”课程教学团队编著而成，该课程是国内首批的国家精品课程。本书与《计算机体系结构（第2版）》和《计算机体系结构实验（第2版）》3本配套教材同时被评为“十二五”普通高等教育国家级规划教材，也是国家精品课程配套教材。该教材体现了作者多年来在国防科技大学从事计算机体系结构课程教学和科研的丰富积累。本书内容新颖、充实，结构清晰、完整，文字通俗、简洁。各章按教学指南、主要内容、例题、习题及参考答案4个部分。教学指南对每一章学习内容进行总结，理清学习的重点、要点、难点和范围。主要内容包括每一章的基本理论、基本概念、基本公式、基本方法等内容摘要，对每一章的主要内容进行总结，检查每一章基本内容的掌握情况。例题对课程中的典型习题进行指导性分析，重在题目类型、解题方法、解题思路和解题要点，学生也可以根据这一部分的内容对照检查自己的学习情况，检查自己计算机系统结构的解题能力。

　　总之，该教材内容先进、结构严谨、重点突出、语言流畅、通俗易懂、难度适中，系统性、完整性和严谨性好，理论与实践紧密结合，强化系统能力、实践能力培养，配套的教学资源丰富，便于教师讲授和学生学习。该教材是多年教学改革研究的成果，在全国高校的课程改革与建设中发挥了很好的辐射作用。

　　l 国内第1门计算机体系结构国家精品课的教学和习题指导教材，充分结合了作者在国防科学技术大学计算机学院多年的教学经验和科研成果。

　　l 本书作为计算机体系结构的配套教学用书，各章按教学指南、主要内容、例题、习题及参考答案4个部分组织。

　　l 内容的可读性好，语言简练，深入浅出，通俗易懂。

　　l 适合作为高校计算机专业教师、本科生及研究生计算机体系结构课程的教材。

　　教学资源：

　　l 《计算机体系结构（第2版）》：本书是国家精品课程“计算机体系结构”的指定教材，同时也是高等学校计算机专业本科生及研究生计算机体系结构课程的通用教材。在内容的选择上，本书重点论述了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。同时借鉴了国际上公认的计算机系统结构高水平教材。

　　l PPT电子课件：主教材配套的PPT电子讲稿可在清华大学出版社网站下载。

　　l 《计算机体系结构实验》：考虑到完成实验的工作量，我们选择32位DLX结构的处理器作为实验对象，因为DLX指令系统具有规整、简洁等优点，且具有开源的模拟器和编译器等软件工具供大家使用。除了包含流水线、指令级并行、cache等经典实验内容外，本书还特别面向指令集的设计与优化专门设计了实验。

　　本书是学习“计算机体系结构”课程的优秀教材，配套教学资源丰富。本书的PPT电子课件、实验模拟程序等，可到清华大学出版社官网下载。

内容简介

　　本书是国家精品课程主讲教材《计算机体系结构》的配套教学用书。各章包括教学指南、主要内容、典型题目解析、习题及习题解答4个部分。教学指南对每一章学习内容进行总结，理清学习的重点、要点、难点和范围。主要内容包括每一章的基本理论、基本概念、基本公式、基本方法等内容摘要，对每一章的主要内容进行总结，检查每一章基本内容的掌握情况。例题对课程中的典型习题进行指导性分析，重在题目类型、解题方法、解题思路和解题要点，学生也可以根据这一部分的内容对照检查自己的学习情况，检查自己计算机系统结构的解题能力。

　　本书是教师讲授“计算机体系结构”课程的教学参考书，也可以作为学生学习本课程的参考用书。

作者简介

　　张春元，1996年在国防科学技术大学计算机系获工学博士学位，现任国防科学技术大学计算机学院教授，博士生导师，享有国务院颁发的政府特殊津贴。长期从事计算机体系结构、计算机应用等科研和教学工作。主持国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家863高技术研究项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目及企业合作等20多项，发表科研论文100余篇，出版学术专著2部，已获授权专利10项。主讲过10多门本科生和研究生课程，是国家精品课程“计算机体系结构”主讲人之一，撰写教材3本，其中《计算机体系结构》获得“2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖”，发表教学研究文章10余篇，主编出版有《学位与研究生教育信息管理实践与探索》。获得国家科技进步二等奖1次，省部级科技进步奖多次，国家教学成果二等奖1次，省部级教学成果奖多次。

　　罗 莉，1997年在国防科学技术大学计算机系获工学博士学位。现任国防科学技术大学计算机学院教授、硕士生导师，国家精品课程“计算机体系结构”和“计算机原理”主讲人之一。国防科学技术大学计算机学院高性能计算机创新团队的核心成员，该团队获“军队首届科技创新群体奖”。中国计算机学会会员，主要研究方向包括高性能微处理器体系结构、SOC设计技术等，作为项目负责人和主要完成人参加国家自然科学基金、国家863高技术项目、国家973安全重大基础研究项目、国家重点型号项目等20余项。近五年发表论文40余篇，参与撰写教材三本，获军队科技进步一等奖2次、二等奖2次、三等奖2次，获国家授权专利3项。

　　肖晓强，2000年在国防科学技术大学计算机学院获得博士学位。现任国防科学技术大学计算机学院教授、硕士研究生导师，计算机学院计算机教学实验中心主任，军队专业技术三类岗位津贴获得者，军队育才奖银奖获得者，“计算机学报”、“计算机研究与发展”等多个期刊的审稿人。国家精品课程“计算机体系结构”和“计算机原理”主讲人之一，先后为本科生主讲了“大学计算机基础”、“计算机原理与设计”、“微型计算机原理”、“计算机体系结构”、“嵌入式系统课程设计”等8门本科课程，为研究生主讲了“系统模型与模拟”课程。已编写出版了《计算机原理与设计》和《计算机体系结构》等本科教材和3部教学辅导书。主要从事无线网络与移动计算、网络可靠性分析以及计算机仿真等方面的科研工作，在车载网络、网络性能参数测量、可靠性分析以及计算机建模与仿真等方面有较深入的研究。主持国家自然科学基金项目1项，参与多项科研项目，取得了多项研究成果，获军队科技进步二等奖、三等奖各1次。近年来，在国际会议、国内期刊发表论文10余篇，教学研究论文10余篇。

内页插图

目录

第1章计算机体系结构的概念/1

1.1教学指南/1

1.2主要内容/1

1.2.1计算机体系结构的概念/2

1.2.2计算机体系结构的发展/7

1.2.3计算机系统设计和分析/14

1.2.4基本的可靠性模型/19

1.3典型题目解析/20

1.4习题及习题解答/21第2章指令系统/30

2.1教学指南/30

2.2主要内容/30

2.2.1指令系统的分类/30

2.2.2寻址方式/32

2.2.3指令系统的设计和优化/34

2.2.4指令系统的发展和改进/37

2.2.5操作数的类型和大小/41

2.2.6MIPS指令系统结构/42

2.3习题及习题解答/47第3章流水线技术/52

3.1教学指南/52

3.2主要内容/52

3.2.1流水线的基本概念/52

3.2.2MIPS的基本流水线/56

3.2.3流水线中的相关/65

3.2.4流水线计算机实例分析

(MIPS R4000)/79

3.2.5向量处理机/84

3.3典型题目解析/85

3.4习题及习题解答/88第4章指令级并行/92

4.1教学指南/92

4.2主要内容/92

4.2.1指令级并行的概念/92

4.2.2指令的动态调度/95

4.2.3控制相关的动态解决技术/103

4.2.4多指令流出技术/109

4.3典型题目解析/113

4.4习题与习题解答/119第5章存储层次/130

5.1教学指南/130

5.2主要内容/130

5.2.1存储器的层次结构/130

5.2.2Cache基本知识/134

5.2.3降低Cache失效率的方法/144

5.2.4减少Cache失效开销的方法/153

5.2.5减少Cache命中时间的方法/159

5.2.6主存/164

5.2.7虚拟存储器/167

5.2.8存储层次实例/173

5.3典型题目分析/176

5.4习题及习题解答/184第6章输入输出系统/190

6.1教学指南/190

6.2主要内容/190

6.2.1存储设备/190

6.2.2I/O系统的性能分析/197

6.2.3I/O系统的可靠性/200

6.2.4RAID技术/201

6.2.5总线技术/205

6.2.6通道技术/207

6.2.7I/O系统性能与操作系统的

关系/211

6.3典型题目分析/212

6.4习题及习题解答/212第7章多处理机/218

7.1教学指南/218

7.2主要内容/218

7.2.1并行计算机体系结构的分类/218

7.2.2多处理机中的存储器一致性/221

7.2.3对称式共享存储器体系结构中的

监听协议/222

7.2.4分布式共享存储器体系结构中的

目录协议/224

7.2.5静态互联网络与动态互联网络/226

7.2.6同步/231

7.3典型题目分析/233

7.4习题及习题解答/234第8章机群计算机/240

8.1教学指南/240

8.2主要内容/240

8.2.1机群的基本概念和结构/241

8.2.2机群的特点/241

8.2.3机群的分类/241

8.3习题及参考答案/242参考文献/244

前言/序言

　　本书是与王志英主编的“国家精品课程教材”中的《计算机体系结构》(主教材)一书完全配套的教师参考用书，也可以作为计算机科学与技术专业本科生、研究生和相关专业学生学习计算机体系结构课程的参考用书。

　　“计算机体系结构”是计算机科学与技术学科的一个重要方向，是重要的计算机专业课程，主要讨论计算机系统设计技术，涉及较多的计算机专业知识。在计算机科学与技术学科中，计算机体系结构是一个理论性和实践性很强的研究方向，由于多种原因，无论本科生还是研究生都认为学习的难度较大，不易掌握。本书根据作者数十年从事“计算机体系结构”领域的科研和本科生、研究生课程的教学经验和体会整理编写而成，也是国防科大计算机学院计算机体系结构教学小组多年教学的工作总结，是集体智慧的结晶，以满足讲授“计算机体系结构”课程教师的需要。本书的使用将有助于教师对主教材的理解和运用，对于改进教学方法，提高教学质量都有着积极的意义。为了便于学习，书中每一章都按教学指南、主要内容、典型题目解析、习题及习题解答四个部分进行组织。作为第2版，本书在内容上依据主教材的变化，进行了更新和增加。

　　考虑到本书的主要读者对象应该是讲授“计算机体系结构”课程的教师和学习相应课程的学生，所以在本书每一章的最后一节给出了主教材中全部习题的详细解答，以供讲授、辅导和练习时参考。要注意的是，有些习题的答案并不唯一，设计也不一定最优，读者可以根据解题思路自己解答，不要受到参考答案的限制和束缚。

　　“计算机体系结构”课程的教材在国内已经出版有多种，近年来也出现了一些面向学生的学习指导用书，但目前还没有见到有针对主讲和辅导教师编写的教师用书面世，本书的出版可以说是填补了一个空白，相信它会为广大讲授该课程的教师提供有益的帮助。还需要特别指出的是，学生在使用本书的过程中，我们不提倡仅仅简单地查阅这一部分的内容，核实自己练习的正确性，而是要给自己留下一个独立思考的空间。其实是否给学生提供习题的详细解答，一直是教育界颇有争议的问题，除了考虑培养学生独立思考的因素，如何保持练习题的生命周期也是教师们经常考虑的一个因素，因为设计一套较满意的习题是非常消耗精力的工作，而一旦公布习题详细解答，将导致练习题的生命周期缩短。由于时间的原因以及个人的水平限制，书中难免有不妥之处，欢迎同行专家学者和广大读者批评指正。

　　作者2016年5月

　　于长沙国防科技大学