Ŀ¼CONTENTS µÚ1Õ¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹»ù´¡ÖªÊ¶1 1.1¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹µÄ»ù±¾¸ÅÄî1 1.1.1¼ÆËã»úϵͳµÄ²ã´Î½á¹¹2 1.1.2¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹µÄ¶¨Òå3 1.1.3¼ÆËã»ú×é³ÉºÍ¼ÆËã»úʵÏÖ3 1.1.4¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹µÄ·ÖÀà4 1.2¼ÆËã»úϵͳµÄÉè¼Æ7 1.2.1¼ÆËã»úϵͳÉè¼ÆµÄ¶¨Á¿Ô­Àí7 1.2.2¼ÆËã»úϵͳÉè¼ÆÕßµÄÖ÷ÒªÈÎÎñ10 1.2.3¼ÆËã»úϵͳÉè¼ÆµÄÖ÷Òª·½·¨12 1.3¼ÆËã»úϵͳµÄÐÔÄÜÆÀ²â13 1.4¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹µÄ·¢Õ¹17 1.4.1·ë¡¤ÅµÒÀÂü½á¹¹¼°Æä¸Ä½ø17 1.4.2Èí¼þ¶Ôϵͳ½á¹¹µÄÓ°Ïì19 1.4.3Æ÷¼þ·¢Õ¹¶Ôϵͳ½á¹¹µÄÓ°Ïì21 1.4.4Ó¦ÓöÔϵͳ½á¹¹µÄÓ°Ïì22 1.5¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹Öв¢ÐÐÐԵķ¢Õ¹23 1.5.1²¢ÐÐÐԵĸÅÄî23 1.5.2Ìá¸ß²¢ÐÐÐԵļ¼Êõ;¾¶25 1.5.3µ¥»úϵͳÖв¢ÐÐÐԵķ¢Õ¹25 1.5.4¶à»úϵͳÖв¢ÐÐÐԵķ¢Õ¹25 1.5.5²¢ÐлúµÄ·¢Õ¹±ä»¯26 ϰÌâ128 µÚ2ÕÂÖ¸ÁîϵͳµÄÉè¼Æ30 2.1Ö¸Áîϵͳ½á¹¹µÄ·ÖÀà30 2.2Ö¸ÁîϵͳµÄѰַ·½Ê½32 2.3Ö¸ÁîϵͳµÄÉè¼ÆºÍÓÅ»¯35 2.3.1Ö¸ÁîϵͳÉè¼ÆµÄ»ù±¾Ô­Ôò35 2.3.2¿ØÖÆÖ¸Áî36 2.3.3Ö¸Áî²Ù×÷ÂëµÄÓÅ»¯37 2.3.4Ö¸Áî×Ö¸ñʽµÄÓÅ»¯40 2.4Ö¸ÁîϵͳµÄ·¢Õ¹ºÍ¸Ä½ø42 2.4.1ÑØCISC·½Ïò·¢Õ¹ºÍ¸Ä½øÖ¸Áîϵͳ42 2.4.2ÑØRISC·½Ïò·¢Õ¹ºÍ¸Ä½øÖ¸Áîϵͳ43 2.5²Ù×÷ÊýµÄÀàÐͺʹóС45 2.6MIPSÖ¸Áîϵͳ½á¹¹47 2.6.1MIPSµÄ¼Ä´æÆ÷47 2.6.2MIPSµÄÊý¾Ý±íʾ47 2.6.3MIPSµÄÊý¾ÝѰַ·½Ê½47 2.6.4MIPSµÄÖ¸Áî¸ñʽ48 2.6.5MIPSµÄ²Ù×÷49 2.6.6MIPSµÄ¿ØÖÆÖ¸Áî50 2.6.7MIPSµÄ¸¡µã²Ù×÷51 ϰÌâ251 Ŀ¼¼ÆËã»úϵͳ½á¹¹½Ì³Ì(µÚ4°æ)µÚ3ÕÂÁ÷Ë®Ïß¼¼Êõ53 3.1Á÷Ë®ÏߵĻù±¾¸ÅÄî53 3.1.1ʲôÊÇÁ÷Ë®Ïß53 3.1.2Á÷Ë®ÏߵķÖÀà55 3.2Á÷Ë®ÏßµÄÐÔÄÜÖ¸±ê58 3.2.1Á÷Ë®ÏßµÄÍÌÍÂÂÊ58 3.2.2Á÷Ë®ÏߵļÓËÙ±È60 3.2.3Á÷Ë®ÏßµÄЧÂÊ61 3.2.4Á÷Ë®ÏßµÄÐÔÄÜ·ÖÎö¾ÙÀý62 3.2.5Á÷Ë®ÏßÉè¼ÆÖеÄÈô¸ÉÎÊÌâ64 3.3·ÇÏßÐÔÁ÷Ë®Ïߵĵ÷¶È64 3.3.1µ¥¹¦ÄÜ·ÇÏßÐÔÁ÷Ë®ÏßµÄ×îÓŵ÷¶È65 3.3.2¶à¹¦ÄÜ·ÇÏßÐÔÁ÷Ë®Ïߵĵ÷¶È67 3.4Á÷Ë®ÏßµÄÏà¹ØÓë³åÍ»70 3.4.1Ò»Ìõ¾­µäµÄ5¶ÎÁ÷Ë®Ïß70 3.4.2Ïà¹ØÓëÁ÷Ë®Ïß³åÍ»72 3.5Á÷Ë®ÏßµÄʵÏÖ83 3.5.1MIPSµÄÒ»ÖÖ¼òµ¥ÊµÏÖ83 3.5.2»ù±¾µÄMIPSÁ÷Ë®Ïß85 ϰÌâ390 µÚ4ÕÂÏòÁ¿´¦Àí»ú93 4.1ÏòÁ¿µÄ´¦Àí·½Ê½93 4.2ÏòÁ¿´¦Àí»úµÄ½á¹¹95 4.2.1¡°´æ´¢Æ÷ª²´æ´¢Æ÷¡±½á¹¹95 4.2.2¡°¼Ä´æÆ÷ª²¼Ä´æÆ÷¡±½á¹¹95 4.3Ìá¸ßÏòÁ¿´¦Àí»úÐÔÄܵij£Óü¼Êõ97 4.3.1ÉèÖöà¸ö¹¦Äܲ¿¼þ98 4.3.2Á´½Ó¼¼Êõ98 4.3.3·Ö¶Î¿ª²É¼¼Êõ101 4.3.4²ÉÓöദÀí»úϵͳ101 4.4ÏòÁ¿´¦Àí»úµÄÐÔÄÜÆÀ¼Û102 4.4.1ÏòÁ¿Ö¸ÁîµÄ´¦Àíʱ¼äTvp102 4.4.2×î´óÐÔÄÜR¡ÞºÍ°ëÐÔÄÜÏòÁ¿³¤¶Èn1/2104 4.4.3ÏòÁ¿³¤¶ÈÁÙ½çÖµnÿðþ½›105 4.5ÏòÁ¿´¦Àí»úʵÀý106 4.5.1¾ßÓдú±íÐÔµÄÏòÁ¿´¦Àí»ú106 4.5.2Cray Yª²MPºÍCª²90106 4.5.3NEC SXª²X44108 ϰÌâ4108 µÚ5ÕÂÖ¸Áî¼¶²¢Ðм°Æä¿ª·¢¡ª¡ªÓ²¼þ·½·¨110 5.1Ö¸Áî¼¶²¢ÐеĸÅÄî110 5.2Ïà¹ØÓëÖ¸Áî¼¶²¢ÐÐ111 5.3Ö¸ÁîµÄ¶¯Ì¬µ÷¶È112 5.3.1¶¯Ì¬µ÷¶ÈµÄ»ù±¾Ë¼Ïë112 5.3.2¼Ç·ÖÅÆ¶¯Ì¬µ÷¶È·½·¨114 5.3.3TomasuloËã·¨121 5.4¶¯Ì¬·ÖÖ§Ô¤²â¼¼Êõ131 5.4.1²ÉÓ÷ÖÖ§ÀúÊ·±í132 5.4.2²ÉÓ÷ÖÖ§Ä¿±ê»º³åÆ÷133 5.4.3»ùÓÚÓ²¼þµÄǰհִÐÐ135 5.5¶àÖ¸ÁîÁ÷³ö¼¼Êõ139 5.5.1»ùÓÚ¾²Ì¬µ÷¶ÈµÄ¶àÁ÷³ö¼¼Êõ140 5.5.2»ùÓÚ¶¯Ì¬µ÷¶ÈµÄ¶àÁ÷³ö¼¼Êõ142 5.5.3³¬³¤Ö¸Áî×Ö¼¼Êõ145 5.5.4¶àÖ¸ÁîÁ÷³ö´¦ÀíÆ÷Êܵ½µÄÏÞÖÆ146 5.5.5³¬Á÷Ë®Ïß´¦Àí»ú146 ϰÌâ5149 µÚ6ÕÂÖ¸Áî¼¶²¢ÐеĿª·¢¡ª¡ªÈí¼þ·½·¨151 6.1»ù±¾Ö¸Áîµ÷¶ÈºÍÑ­»·Õ¹¿ª151 6.1.1Ö¸Áîµ÷¶ÈµÄ»ù±¾·½·¨151 6.1.2Ñ­»·Õ¹¿ª153 6.2¿çÔ½»ù±¾¿éµÄ¾²Ì¬Ö¸Áîµ÷¶È155 6.2.1È«¾ÖÖ¸Áîµ÷¶È155 6.2.2×Ù¼£µ÷¶È157 6.2.3³¬¿éµ÷¶È160 6.3¾²Ì¬¶àÖ¸ÁîÁ÷³ö: VLIW¼¼Êõ161 6.4ÏÔʽ²¢ÐÐÖ¸Áî¼ÆËã163 6.4.1·Ç°ó¶¨·ÖÖ§164 6.4.2ν´ÊÖ´ÐÐ165 6.4.3ǰհִÐÐ167 6.5¿ª·¢¸ü¶àµÄÖ¸Áî¼¶²¢ÐÐ170 6.5.1ÍÚ¾ò¸ü¶àµÄÑ­»·¼¶²¢ÐÐ170 6.5.2ÈíÁ÷Ë®175 6.6ʵÀý: IAª²64Ìåϵ½á¹¹178 6.6.1IAª²64µÄÖ¸Áî¸ñʽ179 6.6.2IAª²64µÄν´ÊÖ´ÐлúÖÆ181 6.6.3IAª²64µÄǰհִÐлúÖÆ183 ϰÌâ6183 µÚ7Õ´洢ϵͳ185 7.1´æ´¢ÏµÍ³µÄ²ã´Î½á¹¹185 7.1.1´æ´¢ÏµÍ³µÄ²ã´Î½á¹¹¸ÅÊö185 7.1.2´æ´¢ÏµÍ³µÄÐÔÄܲÎÊý186 7.1.3Èý¼¶´æ´¢ÏµÍ³187 7.1.4´æ´¢²ã´ÎµÄ4¸öÎÊÌâ189 7.2CacheµÄ»ù±¾ÖªÊ¶189 7.2.1»ù±¾½á¹¹ºÍÔ­Àí189 7.2.2Ó³Ïñ¹æÔò190 7.2.3²éÕÒ·½·¨192 7.2.4CacheµÄ¹¤×÷¹ý³Ì194 7.2.5Ìæ»»Ëã·¨195 7.2.6д²ßÂÔ199 7.2.7CacheÐÔÄÜ·ÖÎö200 7.2.8¸Ä½øCacheÐÔÄÜ202 7.3½µµÍCacheµÄ²»ÃüÖÐÂÊ203 7.3.1ÈýÖÖÀàÐ͵IJ»ÃüÖÐ203 7.3.2Ôö¼ÓCache¿é´óС205 7.3.3Ôö¼ÓCacheµÄÈÝÁ¿206 7.3.4Ìá¸ßÏàÁª¶È206 7.3.5αÏàÁªCache207 7.3.6Ó²¼þԤȡ208 7.3.7±àÒëÆ÷¿ØÖƵÄԤȡ208 7.3.8±àÒëÓÅ»¯209 7.3.9¡°ÎþÉü¡±Cache211 7.4¼õÉÙCacheµÄ²»ÃüÖпªÏú212 7.4.1²ÉÓÃÁ½¼¶Cache212 7.4.2ÈöÁ²»ÃüÖÐÓÅÏÈÓÚд215 7.4.3д»º³åºÏ²¢215 7.4.4ÇëÇó×Ö´¦Àí¼¼Êõ216 7.4.5·Ç×èÈûCache¼¼Êõ216 7.5¼õÉÙÃüÖÐʱ¼ä217 7.5.1ÈÝÁ¿Ð¡¡¢½á¹¹¼òµ¥µÄCache217 7.5.2ÐéÄâCache217 7.5.3Cache·ÃÎÊÁ÷Ë®»¯220 7.5.4×Ù¼£Cache220 7.5.5CacheÓÅ»¯¼¼Êõ×ܽá220 7.6²¢ÐÐÖ÷´æÏµÍ³221 7.6.1µ¥Ìå¶à×Ö´æ´¢Æ÷222 7.6.2¶àÌå½»²æ´æ´¢Æ÷222 7.6.3±ÜÃâ´æ´¢Ìå³åÍ»226 7.7ÐéÄâ´æ´¢Æ÷228 7.7.1»ù±¾¸ÅÄî228 7.7.2¿ìËÙµØÖ·×ª»»¼¼Êõ229 7.7.3ҳʽÐéÄâ´æ´¢Æ÷ʵÀý: 64λOpteronµÄ´æ´¢¹ÜÀí229 7.8ʵÀý: AMD OpteronµÄ´æ´¢Æ÷²ã´Î½á¹¹232 ϰÌâ7236 µÚ8ÕÂÊäÈëÊä³öϵͳ239 8.1I/OϵͳµÄÐÔÄÜ239 8.2I/OϵͳµÄ¿É¿¿ÐÔ¡¢¿ÉÓÃÐԺͿÉÐÅÐÔ240 8.3Á®¼Û´ÅÅÌÈßÓàÕóÁÐ241 8.3.1RAID0243 8.3.2RAID1243 8.3.3RAID2244 8.3.4RAID3245 8.3.5RAID4245 8.3.6RAID5246 8.3.7RAID6246 8.3.8RAID10ÓëRAID01247 8.3.9RAIDµÄʵÏÖÓë·¢Õ¹247 8.4×ÜÏß248 8.4.1×ÜÏßµÄÉè¼Æ248 8.4.2×ÜÏß±ê×¼ºÍʵÀý250 8.4.3ÓëCPUµÄÁ¬½Ó251 8.5ͨµÀ´¦Àí»ú252 8.5.1ͨµÀµÄ×÷Óú͹¦ÄÜ252 8.5.2ͨµÀµÄ¹¤×÷¹ý³Ì253 8.5.3ͨµÀÖÖÀà255 8.5.4ͨµÀÁ÷Á¿·ÖÎö257 8.6I/OÓë²Ù×÷ϵͳ259 8.6.1DMAºÍÐéÄâ´æ´¢Æ÷259 8.6.2I/OºÍCacheÊý¾ÝÒ»ÖÂÐÔ260 ϰÌâ8262 µÚ9Õ»¥Á¬ÍøÂç264 9.1»¥Á¬º¯Êý264 9.1.1»¥Á¬º¯ÊýµÄ±íʾ·½·¨264 9.1.2¼¸ÖÖ»ù±¾µÄ»¥Á¬º¯Êý265 9.2»¥Á¬ÍøÂçµÄ½á¹¹²ÎÊýÓëÐÔÄÜÖ¸±ê269 9.2.1»¥Á¬ÍøÂçµÄ½á¹¹²ÎÊý269 9.2.2»¥Á¬ÍøÂçµÄÐÔÄÜÖ¸±ê270 9.3¾²Ì¬»¥Á¬ÍøÂç271 9.4¶¯Ì¬»¥Á¬ÍøÂç277 9.4.1×ÜÏßÍøÂç277 9.4.2½»²æ¿ª¹ØÍøÂç277 9.4.3¶à¼¶»¥Á¬ÍøÂç279 9.4.4¶¯Ì¬»¥Á¬ÍøÂçµÄ±È½Ï282 9.5ÏûÏ¢´«µÝ»úÖÆ283 9.5.1ÏûϢѰ¾¶·½°¸283 9.5.2ËÀËøÓëÐéÄâͨµÀ286 9.5.3Á÷¿ØÖƲßÂÔ287 9.5.4Ñ¡²¥ºÍ¹ã²¥Ñ°¾¶Ëã·¨291 ϰÌâ9292 µÚ10Õ¶ദÀí»ú294 10.1ÒýÑÔ294 10.1.1²¢ÐмÆËã»úϵͳ½á¹¹µÄ·ÖÀà294 10.1.2´æ´¢Æ÷ϵͳ½á¹¹ºÍͨÐÅ»úÖÆ296 10.1.3²¢Ðд¦ÀíÃæÁÙµÄÌôÕ½298 10.2¶Ô³ÆÊ½¹²Ïí´æ´¢Æ÷µÄϵͳ½á¹¹300 10.2.1¶à´¦Àí»úCacheÒ»ÖÂÐÔ300 10.2.2ʵÏÖÒ»ÖÂÐԵĻù±¾·½°¸301 10.2.3¼àÌýЭÒéµÄʵÏÖ304 10.3·Ö²¼Ê½¹²Ïí´æ´¢Æ÷µÄϵͳ½á¹¹308 10.3.1Ŀ¼ЭÒéµÄ»ù±¾Ë¼Ïë308 10.3.2Ŀ¼ЭÒéʵÀý311 10.3.3Ŀ¼µÄÈýÖֽṹ314 10.4ͬ²½316 10.4.1»ù±¾Ó²¼þÔ­Óï316 10.4.2ÓÃÒ»ÖÂÐÔʵÏÖËø318 10.4.3ͬ²½ÐÔÄÜÎÊÌâ320 10.5ͬʱ¶àÏß³Ì322 10.5.1½«Ï̼߳¶²¢ÐÐת»»ÎªÖ¸Áî¼¶²¢ÐÐ323 10.5.2ͬʱ¶àÏ̴߳¦ÀíÆ÷µÄÉè¼Æ324 10.5.3ͬʱ¶àÏ̵߳ÄÐÔÄÜ325 10.6´ó¹æÄ£²¢Ðд¦Àí»ú326 10.6.1²¢ÐмÆËã»úϵͳ½á¹¹326 10.6.2´ó¹æÄ£²¢Ðд¦Àí»ú328 10.7¶àºË´¦ÀíÆ÷¼°ÐÔÄܶԱÈ331 10.8¶à´¦Àí»úʵÀý¡ª¡ªOrigin 2000336 ϰÌâ10342 µÚ11Õ¶àºË¼Ü¹¹Óë±à³Ì344 11.1¶àºË¼Ü¹¹µÄÐèÇó344 11.1.1¹¦ºÄÓëÉ¢ÈÈÎÊÌâ344 11.1.2²¢ÐжÈÎÊÌâ345 11.1.3Ó¦ÓÃÈí¼þÎÊÌâ346 11.2¶àºË¼Ü¹¹346 11.2.1¶àºËµÄ×éÖ¯¼Ü¹¹347 11.2.2¶àºË¼Ü¹¹ÊµÀý348 11.3»ùÓÚ¶àºËµÄ²¢ÐгÌÐòÉè¼Æ351 11.3.1²¢Ðбà³ÌÄ£Ð͸ÅÊö351 11.3.2¹²Ïí´æ´¢Ä£ÐÍÓëÏûÏ¢´«µÝÄ£ÐÍ352 11.3.3²¢ÐÐÓïÑÔ354 11.3.4²¢ÐÐËã·¨355 11.4¶àºË±à³ÌʵÀý355 11.4.1Ò»¸ö¼òµ¥µÄOpenMP³ÌÐò356 11.4.2OpenMPÖеÄÅÅÐòËã·¨357 ϰÌâ11 359 µÚ12Õ»úȺϵͳ360 12.1»úȺµÄ»ù±¾½á¹¹361 12.1.1»úȺµÄÓ²¼þ×é³É361 12.1.2»úȺµÄÈí¼þ362 12.2»úȺµÄÌØµã363 12.3»úȺµÄ·ÖÀà364 12.4µäÐÍ»úȺϵͳ¼ò½é365 12.4.1Berkeley NOW365 12.4.2Beowulf366 12.4.3LAMP366 12.4.4IBM SP2367 12.4.5ÌìºÓ2ºÅ368 ϰÌâ12372 µÚ13ÕÂÁìÓòרÓÃÌåϵ½á¹¹373 13.1Ñ¡ÔñDSAµÄÔ­Òò373 13.2DSAµÄÉè¼ÆÔ­Ôò374 13.3Éî¶ÈÉñ¾­ÍøÂç376 13.3.1DNNµÄÉñ¾­µ¥Ôª376 13.3.2µäÐ͵ÄDNNÄ£ÐÍ378 13.4ÕÅÁ¿´¦ÀíÆ÷383 13.5΢ÈíCatapult390 ϰÌâ13399 µÚ14ÕÂÕóÁд¦Àí»ú400 14.1ÕóÁд¦Àí»úµÄ²Ù×÷Ä£ÐͺÍÌØµã400 14.2ÕóÁд¦Àí»úµÄ»ù±¾½á¹¹401 14.2.1·Ö²¼Ê½´æ´¢Æ÷µÄÕóÁлú401 14.2.2¹²Ïí´æ´¢Æ÷µÄÕóÁлú402 14.3ÕóÁд¦Àí»úʵÀý403 14.3.1ʵÀý1: Illiac ¢ôÕóÁд¦Àí»ú403 14.3.2ʵÀý2: BSP¼ÆËã»ú406 14.4ÕóÁд¦Àí»úµÄ²¢ÐÐËã·¨¾ÙÀý410 ϰÌâ14413 µÚ15ÕÂÊý¾ÝÁ÷¼ÆËã»ú415 15.1Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úµÄ»ù±¾Ô­Àí415 15.1.1Êý¾ÝÇý¶¯Ô­Àí415 15.1.2Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úÖÐÖ¸ÁîµÄÖ´Ðйý³Ì416 15.1.3Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úµÄÖ¸Áî½á¹¹417 15.2Êý¾ÝÁ÷³ÌÐòͼºÍÊý¾ÝÁ÷ÓïÑÔ417 15.2.1Êý¾ÝÁ÷³ÌÐòͼ417 15.2.2Êý¾ÝÁ÷ÓïÑÔ¼°ÆäÐÔÖÊ421 15.3Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»ú½á¹¹422 15.3.1¾²Ì¬Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»ú422 15.3.2¶¯Ì¬Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»ú424 15.4Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úµÄÆÀ¼Û427 15.4.1Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úµÄÓŵã427 15.4.2Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úµÄȱµã428 15.4.3Êý¾ÝÁ÷¼ÆËã»úÉè¼ÆÖÐÐè½â¾öµÄÎÊÌâ429 ϰÌâ15429 ²Î¿¼ÎÄÏ×431