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第1章什么是真正的通用串行总线。

通用串行总线（usb）是近来对个人计算机存储器扩展的、发展最快且广泛认可的一种总线。不可能买到一台没有通用串行端口总线的基于因特芯片的pc机（占个人计算机市场高达94%）。这并不是说usb仅限于pc界，这也并不夸张。

每一计算机硬件制造厂家都在它们自己的平台上采用了通用串行总线。

为什么突然间像串行端口这样平常的东西引起了人们的兴趣呢？原因是通用串行总线远不像串行端口那样简单，它是一种串行总线。这表明计算机背后的这个端口是一个连向大量设备的窗口（我这句话并不是双关语）。

这些设备可用菊花链方式连接在一起。各组设备可用称为集线器的集中式硬件独立开。当你考虑这种通用串行总线时，最好将其看作是一种设备连成的网络，就像是以太网那样。

图1-22形象地勾画了典型的usb设备网络。

乍看起来把一串设备连起来不太好。实际上，对大多数传统串行设备共享的那一点带宽来讲，这明显的是一个下策。毕竟，在rs-232端口上为正式连接的打印机提供的带宽都几乎不够，更不用说用于**图像的数码相机了。

问题还在于它是一个快速总线。我们这么说不太恰当，因为这种通用串行总线在计算机行业中被认为是中、低速总线，它的运行速率为10mpbs——是大多数企业计算机网络的速度。

通用串行总线比起其他总线是不能算作快的，比如光纤通道串行总线，其时钟速率可为300mpbs，还有即将推出的如可控制音频、**，达到广播级质量的ieee 1394“火线”总线技术等。因此我们认为usb是一种中速总线，并在继续向前发展着。

通用串行总线的设计目标是为现代计算机用户提供纯数字音频、**和远距离通信。它的速度足以支持这些类型的设备。

个人计算机的最大问题总是与你要使用的外围设备的连接有关。任何设备似乎都需要将它们自己的适配卡插入到该总线上。它们有高清晰度**卡、驱动操作杆的游戏卡、驱动话筒的声卡以及把**输入到计算机的**输入卡，还有很多类似的设备。

计算机正在缩小。每年都只有很少的几个插槽用于适配卡。个人计算机工业的真正目标是尽可能使计算机普及和不引人注目。

同时，现在的计算机含有足够的技术和天然的“马力”去运行各种应用程序和驱动要求精确的数字输入和带宽的各种类型的外围设备。用个人计算机举行**会议今日已成现实。个人计算机的环绕声立体声是一个标准功能。

计算机行业正在努力去包含正在向中、高速外围设备推广的甚至成为设备缩小象征的一种技术。这就是通用串行总线起作用之处。它真正的目标是将外围设备的输入和输出放在“机箱”之外，不使用任何插槽。

将智能化放入这些外围设备中而不是放入计算机中。

外围设备设计者们也正在从“一体化”中获得解脱——他们不必去对外围设备中的设备和接口卡的功能进行分割。这是他们的胜利。在这种情况下，你计算机的内部总线不会因为这些接口卡之间的业务和信息流而处于饱和状态。

这也是你的胜利；你会发现由于这种配置，你会获得整个系统的更好的性能。

扬声器的设计者们正在将声卡已有的功能直接放入扬声器中。**输入设计者正在把**数字化功能放入到通用串行总线中。连监视器制造厂也在把通用串行总线接口放入他们监视器的背板中，很少要使用**卡。

另外还有提供超高分辨率的数字操纵杆。

第2章为什么需要并行体系结构。

计算机体系结构中，技术和应用融合在一起，有着非常强的交互性。并行计算机体系结构也不例外。一种新维度加到设计空间中——处理器的数量，这种设计更强烈地受可接受的性价比驱动。

在特定的时期内无论单个处理器的性能如何，原则上使用多个这样的处理器可以获得更高的性能。

需要更高的应用性能是计算技术中各方面都熟悉的特性。硬件能力的发展促进了新的应用，这种发展在很大程度上对体系结构又提出了更高的要求。这种循环极大地推动了正在进行的设计、工程化和制造工作，使得微处理器的性能呈指数持续增长。

这也推动了并行体系结构技术的发展，即使难度较大，并行体系结构也要集中解决这些应用需求。如果处理器性能每年提高50%，则可预期100个处理器组成的并行机，能在今后10年内向应用提供广泛的计算能力，而1000个处理器则可支持将近20年。

应用需求也促使计算机商家提供一种模式，即在逐步增加成本的同时提高性能和增加功能。低端计算机拥有最大容量和用户数量，而最多的需求应用是由高端服务的。这种“平台金字塔”的影响之一是，在高端增加性能的压力最大，而压力是由少数重要的应用施加的。

在微处理时代以前，通过特殊的电路技术和机器组织来获得更高的性能。当今，要获得比先进的微处理器高得多的性能，主要方法是使用多处理器，大多数需求应用使用并行程序。因此，并行体系结构和并行应用程序是受高性能需求支配的。

对于体系结构和应用开发者来说，关键之处在于如何使用并行机制去改善应用性能，我们可以定义p个处理器的增速为。

对于单一的、固定的问题，该机器性能可简单地视为完成该问题的时间的倒数，因此我们有了下面的结果：

历史上，几个不同的体系结构阵营开发了并行机，而大多数这一主题的教科书是围绕着这些设计的分类学组织的。但是，通过对并行体系结构变革的观察，可以很清楚地看到，设计在很大程度上受某些技术发展和类似的应用要求影响的。因而在该领域产生了大量的交叉渗透也就不足为奇了。

本节的目的是为理解各种并行计算机体系结构的方方面面构建一个框架，并为自然的交叉渗透建立直观的模型。按这种方法，可从传统阵营开始，移动到交叉渗透点，快速浏览并行机制变革的情况。

假设一台并行计算机是“能进行通信和协同工作去快速解决大型问题的处理单元的集合”，我们有理由把并行体系结构视为能在处理单元之间解决通信和协同工作问题的传统的计算机体系结构的扩展。实际上，并行体系结构用通信体系结构扩展了计算机体系结构的一般概念。计算机体系结构有两个不同的方面。

一是临界抽象的定义，特别是指硬件/软件边界和用户/系统边界。该体系结构规定了一组对边界的操作和这些操作要运行的数据类型。另一方面是以好性价比方式提供高性能计算的、临界抽象的组织结构。

通信体系结构也有包含两方面，它定义了基本通信和同步操作，并说明了实现这些操作的组织结构。

并行机的最重要的一种类型是共享内存多处理器形式的。这种类型并行机的关键特性在于通信是用常规存储器存取指令（即取和存）实现的。这种类型有很长的历史，至少在2023年代初期，在大型主机的前身就有了，至今，它几乎在计算机工业每一阶段都起作用。

共享内存多处理器可对多道程序工作提供更高的吞吐量，并支持并行程序。因此，共享内存多处理器的规模，从几个到几百个处理器，范围很大。

共享内存多处理器设计的广泛应用始于2023年代中期的32位微处理器革新中，因为处理器，高速缓存，浮点运算单元和存储管理单元安装在一块芯片上（贝尔1985），甚至于将两块芯片合为一块芯片。包括小型计算机，服务器，工作站和个人计算机在内的大多数中等规模的机器都是围绕着**存储总线的，如图2-7所示，并且该总线也适合于支持多个处理器。这种标准总线访问机制也允许任一处理器访问系统内的任一物理地址。

类似于基于交换机的设计，所有内存单元对所有处理器是等距离的，因此，所有处理器对内存的访问所经历的访问时间（等待时间）是相同的。这种配置通常称为对称多处理器（smp）。对称多处理器多用于执行并行程序和多道程序。

更详细的基于总线的对称多处理器的典型结构如图2-8所示，它是市场上的第一个高度集成的对称多处理器。

带有本地高速缓存（用$表示）和i/o控制器的多处理器，互联到多内存模块时，应该经过总线。

很多用在多处理器服务器中的因特4处理器奔腾pro主板上，都画出了大多数小规模共享内存多处理器的主要设计元件。它的逻辑框图展示了该主板配置了4个处理器模块，每个模块包含有一个奔腾pro处理器，一级高速缓存，转换监视缓冲器，256kb二级高速缓存，中断控制器和一个直接连向64位内存总线的、在一个芯片上的总线接口。该总线运行在66mhz频率上，访问内存是流水线式的，能达到528mb/s的峰值带宽。

两片的内存控制器和四片内存交叉单元（miu）将该总线连到多个动态随机存储体上。桥连接了内存总线和两个独立的用于显示器、网络、scsi和较低速i/o连接的pci总线。奔腾pro包含支持多处理器通信体系结构的所有逻辑功能，包括所要求的内存和高速缓存的相容性。

奔腾pro的“4件装”结构类似于早期的大量对称多处理器设计，但具有更高的集成度，其目标是对准更高的容量。

第3章集合论导轮。

当代数学所有分支中集合的概念扮演着非常重要的角色。近几年，集合论已经成为研究的重要领域，因为其方法大大地渗透到当代数学思想中了。真正理解现代数学的任一分支都需要集合论的知识，因为它是数学中各领域的公共基础。

集合用于把不同的对象分成组。属于一个集合的各对象也需要良好定义，以便在决定一个具体对象是否属于某一集合时不产生多义性。因此对给定的一个对象，它或者属于或者不属于一个给定的集合，没有其他情况。

例如，英文字母表中的前5个字母可以构成一个集合，可以表示为集合。任一对象当、且仅当它是这5个字母之一时才属于这一集合。这5个不同的对象在这一表达中可以任何次序出现。

换句话说，这一集合也可用来表示。属于一个集合的各个对象不需要具有公共特性。因此，数字4，字母x和单词“book”可以构成集合s，可用s = 表示。

某一天对一个人来讲可能是冷天，但对另外一个人就不冷，所以“一个月内冷天的集合”就不是很清晰定义的集合。同样，“大的数字的集合”和“高个子人的集合”也不能是集合。

术语对象在这里也未精确地做出规定。从数学的观点来看，集合是一种技术术语，它含有我们设想的一些特性。这种基于一个对象的直观说明是非正式的对集合的描述，是德国数学家乔戈·坎特尔（1845－1918）直到19世纪末才首次提出的，而基于这一版本的集合理论又称为初级集合论。

用坎特尔自己的话说，“集合正在进入我们的感觉限定的良好定义对象的整体之中，这些对象是集合的元素”。本书所涉及的集合都可以视为来自坎特尔理论框架的。

因此，集合是不同对象的集合。一个集合中的对象称为元素或成员。如果x是集合a的元素，我们说x属于a，用符号表示为x∈a。而说明y不是集合a的元素表示为。

第4章典型的排序问题。

树型排序。树型排序需要两步。首先，元素被插入到二叉查找树中。第二，按顺序排序，使用无序检索方法对元素进行查找。

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