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出版者:Morgan Kaufmann

作者:Inc. Apple Computer

出品人:

页数:309

译者:

出版时间:1995-10-15

价格:USD 54.95

装帧:Paperback

isbn号码:9781558603943

丛书系列:

图书标签:

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芯片设计领域前沿探索：深度剖析现代微处理器架构与实现 在日新月异的数字时代，微处理器作为信息世界的基石，其设计理念和技术迭代的速度不断刷新着人们的认知。从最初简单的计算单元，到如今集成了海量晶体管、具备复杂运算能力和高效能的尖端芯片，微处理器的演进史就是一部浓缩的科技发展史。本书旨在为读者提供一个深入理解现代微处理器架构的全面视角，特别聚焦于那些驱动着高性能计算、嵌入式系统以及新兴技术发展的关键设计原理与工程挑战。 本书并非局限于某一特定系列的处理器，而是从更宏观、更具普适性的角度出发，剖析构成高性能微处理器的核心要素。我们将首先探讨处理器设计的基石——指令集架构（ISA）。ISA是硬件与软件之间的接口，定义了处理器能够理解和执行的基本指令集。本书将深入分析不同ISA的设计哲学，例如RISC（精简指令集计算）与CISC（复杂指令集计算）的优劣，以及现代处理器如何融合两者的优点，以实现更高的性能和更低的功耗。我们会详细阐述流水线（Pipelining）技术，这是一种将指令执行过程分解为多个阶段，并让不同阶段的指令并行工作的核心技术，以此显著提升指令吞吐量。此外，乱序执行（Out-of-Order Execution）和预测执行（Speculative Execution）等高级技术也将成为本书探讨的重点，它们能够最大限度地隐藏指令执行的延迟，进一步压榨处理器性能。 在深入理解指令执行的微观层面之后，本书会将视角拓展至处理器与内存系统之间的交互。缓存（Cache）是现代处理器性能的关键决定因素之一。我们将详细讲解多级缓存的设计，包括其容量、延迟、相联度（Associativity）等参数的权衡，以及各种缓存替换策略（如LRU、FIFO）的工作原理。一致性协议（Cache Coherence Protocols），如MESI、MOESI等，在多核处理器环境中至关重要，它们确保了所有处理器核心都能看到一致的内存视图。本书将深入解析这些协议的机制，以及它们如何应对缓存一致性带来的复杂挑战。同时，内存管理单元（MMU）和虚拟内存（Virtual Memory）的设计也是本书的重要组成部分，它们实现了地址空间的隔离与管理，为操作系统提供了强大的内存抽象能力，并提升了系统的安全性和灵活性。 除了核心的计算单元和内存接口，本书还将深入研究处理器设计的其他关键方面。功耗管理（Power Management）在现代芯片设计中扮演着越来越重要的角色，尤其是在移动设备和物联网领域。我们将探讨动态电压频率调整（DVDF）、时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）等技术，以及如何通过这些手段在满足性能需求的同时，最大地降低功耗。此外，并行处理（Parallel Processing）是提升计算能力的重要途径。本书将介绍不同形式的并行，包括指令级并行（ILP）、数据级并行（DLP）和线程级并行（TLP）。针对多核处理器，我们将深入探讨多核架构的设计，包括共享内存模型、多核通信机制以及同步机制（如互斥锁、信号量）。 新兴的处理器技术也将是本书的关注点。例如，片上系统（SoC）的集成理念，将CPU、GPU、DSP、内存控制器、I/O接口等多种功能模块集成在同一块芯片上，以实现更高的集成度和更低的功耗，这已成为现代电子设备的主流设计模式。本书将探讨SoC设计的挑战与机遇，以及不同功能模块之间的协同工作。此外，专为特定应用优化的处理器，如数字信号处理器（DSP）、图形处理单元（GPU）以及神经网络处理器（NPU），它们在特定领域的卓越表现，也将在本书中得到探讨，揭示其在架构设计上与通用CPU的差异化之处。 本书的写作风格将力求严谨而不失深度，通过清晰的逻辑结构和丰富的实例，引导读者逐步掌握复杂的处理器设计概念。我们不会回避其中的技术细节和工程难题，而是希望通过详实的讲解，帮助读者建立起对现代微处理器设计全貌的深刻理解。无论是对计算机体系结构感兴趣的学生，还是致力于处理器设计的工程师，亦或是希望了解驱动现代数字世界核心技术的专业人士，本书都将是一份宝贵的参考资料。 我们将从最基本的逻辑门电路出发，逐步构建起复杂的算术逻辑单元（ALU）、寄存器堆、控制器等基础模块，然后再将这些模块有机地组合成指令译码器、执行单元，最终形成一个完整的处理器核心。在此过程中，我们还会引入硬件描述语言（HDL）的概念，并结合实际的设计流程，展示如何使用Verilog或VHDL等语言来描述和验证处理器设计。EDA（Electronic Design Automation）工具在芯片设计中的作用也将被提及，它们是实现从概念到物理版图的必不可少的技术支撑。 本书的另一个重要维度是对处理器性能评估与优化的探讨。我们将介绍各种性能分析工具和方法，如性能计数器（Performance Counters）、性能分析器（Profilers），以及如何利用这些工具来识别性能瓶颈。基于对性能瓶颈的分析，我们将深入探讨各种优化策略，包括指令调度优化、缓存访问优化、功耗优化以及并行化策略等。理解如何有效地评估和优化处理器性能，对于设计出满足应用需求的高效能芯片至关重要。 此外，安全性和可靠性是现代处理器设计不可或缺的考量因素。本书也将触及处理器安全性的相关议题，例如对侧信道攻击（Side-Channel Attacks）的防御机制，以及如何通过硬件设计来提升指令执行的安全性。可靠性方面，我们将讨论纠错码（ECC）在内存和缓存中的应用，以及处理器设计中如何考虑容错性和故障检测。 总而言之，本书的目标是提供一个关于现代微处理器架构设计的全面、深入且与时俱进的指南。它不仅涵盖了处理器设计的核心原理和技术，还延伸至了新兴技术和工程实践。我们希望通过这本书，能够激发读者对芯片设计这一迷人领域的兴趣，并为他们在相关领域的研究和实践提供坚实的基础和有益的启示。在这个信息爆炸的时代，理解并掌握微处理器的设计精髓，意味着掌握了数字世界运行的脉搏。

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作为一本参考书，它的索引和交叉引用系统做得堪称典范。我经常需要在不同章节之间快速跳转，查找特定指令集操作码的详细时序图，或者某个特定地址空间的定义。以往的参考资料常常需要我来回翻阅厚厚的目录和页码，效率低下。但这本书的排版师显然也理解技术人员的工作流程，页眉和页脚的信息密度恰到好处，关键术语的标注清晰醒目，使得“定位”工作变得异常高效。而且，书中附带的那些详尽的表格，比如操作码速查表、特殊功能寄存器（SPR）的位域定义，简直是为我桌上的咖啡渍提供了最坚实的备份——我不再需要频繁地去查阅那些PDF文档了。这些辅助性的材料，体现了作者对目标读者日常工作流程的深刻理解，使得这本书从一本“阅读材料”升华为一本“工作工具”。它的实用性，已经超越了简单的技术描述范畴。

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这本书的真正价值，体现在它对底层实现的深入剖析上，这简直是为那些渴望“刨根问底”的硬核工程师准备的宝藏。它没有停留在停留在API调用的层面，而是毫不留情地扎进了时钟周期、中断处理的硬件逻辑中。我花了整整一个周末来研读关于缓存一致性（Cache Coherency）的章节，作者用极其精妙的图示和逐步推导的方式，阐述了多处理器系统中数据同步的复杂机制。这些内容往往是教科书中一带而过或者含糊其辞的地方，但这本书却提供了详细的硬件状态转换图。更让我惊喜的是，书中穿插了大量的“设计权衡”（Design Trade-offs）的讨论。例如，在性能优化与功耗控制之间的取舍，PowerPC的设计师们是如何在不同实现路径中做出关键决策的，这些第一手的见解，比单纯的规范描述要生动和深刻得多。它不仅仅告诉你“是什么”，更告诉你“为什么是这样设计的”，这种深度的剖析，极大地提升了阅读的满足感和对整个平台的敬畏之心。

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这本书的封面设计实在是太吸引人了，那种带着一丝复古未来感的蓝色调，加上清晰有力的字体排版，一下子就抓住了我的眼球。我原本以为这会是一本极其晦涩难懂的技术手册，毕竟“微处理器”和“参考平台”这些词汇听起来就让人头皮发麻。然而，翻开扉页后，我的担忧瞬间烟消云散。作者似乎深谙如何将复杂的技术概念“翻译”成更易于理解的语言。开篇几章对整个系统架构的宏观介绍，就像一位经验丰富的工程师在为你绘制一张详尽的地图，每一个关键模块的功能、它们之间的数据流向，都描绘得井井有条。我特别欣赏作者在引入具体细节之前，总是先提供一个清晰的上下文背景，这使得我在阅读涉及寄存器、总线协议或内存管理单元（MMU）的内容时，能够迅速定位到它们在整个硬件生态中的作用。这本书的组织结构极其严谨，章节之间的逻辑过渡自然流畅，仿佛在引导你进行一次有规划的探险，而不是让你在技术的丛林中迷失方向。这种以用户体验为核心的编排方式，让我这个初学者也能以相对舒适的节奏深入理解PowerPC架构的精髓。

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我必须承认，这本书的某些部分对于非专业人士来说，可能具有一定的“劝退”效果。特别是涉及到浮点运算单元（FPU）的向量扩展（Vector Extensions）那一章，密集的数学公式和位操作描述，让我的脑子像过载了一样。但有趣的是，即便是这些最硬核的部分，作者也努力地提供了一些类比和实际应用场景来佐证这些复杂理论的必要性。比如，通过一个简短的图形渲染示例，来展示向量指令集如何大幅加速矩阵运算。这让我明白，这些看似枯燥的底层细节，正是支撑起我们日常所见高性能计算和多媒体处理的基石。与其说这是一本读物，不如说它是一门高度浓缩的微处理器设计哲学课。它强迫你慢下来，去尊重每一个逻辑门的运作，去理解每一个时钟周期的价值。这种对技术深度的不妥协，反而成了它最值得称赞的品质。

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这本书的语言风格非常具有辨识度，它不像某些学术著作那样板着面孔，而是带有一种沉稳且充满自信的权威感。作者在解释复杂的硬件特性时，偶尔会使用一些精炼的、略带幽默的比喻，这极大地缓解了阅读过程中的认知疲劳。例如，在描述总线仲裁机制时，他将其比作一个高效的交通警察，精确地指挥着各个设备抢占道路的顺序，既保证了效率，又杜绝了混乱。这种人性化的叙述方式，使得原本冰冷的硅片世界变得立体可感。它不像是在阅读一份冷冰冰的规范文档，更像是在听一位业界资深专家在你耳边娓娓道来他参与设计这个平台的经验与感悟。总的来说，这本书的价值远超其纸张的重量，它为我构建了一个清晰、坚实且富有层次感的PowerPC硬件理解框架，是深入理解现代处理器架构不可或缺的参考指南。

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