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出版者:Morgan Kaufmann

作者:Inc. Apple Computer

出品人:

頁數:309

译者:

出版時間:1995-10-15

價格:USD 54.95

裝幀:Paperback

isbn號碼:9781558603943

叢書系列:

圖書標籤:

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芯片設計領域前沿探索：深度剖析現代微處理器架構與實現 在日新月異的數字時代，微處理器作為信息世界的基石，其設計理念和技術迭代的速度不斷刷新著人們的認知。從最初簡單的計算單元，到如今集成瞭海量晶體管、具備復雜運算能力和高效能的尖端芯片，微處理器的演進史就是一部濃縮的科技發展史。本書旨在為讀者提供一個深入理解現代微處理器架構的全麵視角，特彆聚焦於那些驅動著高性能計算、嵌入式係統以及新興技術發展的關鍵設計原理與工程挑戰。 本書並非局限於某一特定係列的處理器，而是從更宏觀、更具普適性的角度齣發，剖析構成高性能微處理器的核心要素。我們將首先探討處理器設計的基石——指令集架構（ISA）。ISA是硬件與軟件之間的接口，定義瞭處理器能夠理解和執行的基本指令集。本書將深入分析不同ISA的設計哲學，例如RISC（精簡指令集計算）與CISC（復雜指令集計算）的優劣，以及現代處理器如何融閤兩者的優點，以實現更高的性能和更低的功耗。我們會詳細闡述流水綫（Pipelining）技術，這是一種將指令執行過程分解為多個階段，並讓不同階段的指令並行工作的核心技術，以此顯著提升指令吞吐量。此外，亂序執行（Out-of-Order Execution）和預測執行（Speculative Execution）等高級技術也將成為本書探討的重點，它們能夠最大限度地隱藏指令執行的延遲，進一步壓榨處理器性能。 在深入理解指令執行的微觀層麵之後，本書會將視角拓展至處理器與內存係統之間的交互。緩存（Cache）是現代處理器性能的關鍵決定因素之一。我們將詳細講解多級緩存的設計，包括其容量、延遲、相聯度（Associativity）等參數的權衡，以及各種緩存替換策略（如LRU、FIFO）的工作原理。一緻性協議（Cache Coherence Protocols），如MESI、MOESI等，在多核處理器環境中至關重要，它們確保瞭所有處理器核心都能看到一緻的內存視圖。本書將深入解析這些協議的機製，以及它們如何應對緩存一緻性帶來的復雜挑戰。同時，內存管理單元（MMU）和虛擬內存（Virtual Memory）的設計也是本書的重要組成部分，它們實現瞭地址空間的隔離與管理，為操作係統提供瞭強大的內存抽象能力，並提升瞭係統的安全性和靈活性。 除瞭核心的計算單元和內存接口，本書還將深入研究處理器設計的其他關鍵方麵。功耗管理（Power Management）在現代芯片設計中扮演著越來越重要的角色，尤其是在移動設備和物聯網領域。我們將探討動態電壓頻率調整（DVDF）、時鍾門控（Clock Gating）、電源門控（Power Gating）等技術，以及如何通過這些手段在滿足性能需求的同時，最大地降低功耗。此外，並行處理（Parallel Processing）是提升計算能力的重要途徑。本書將介紹不同形式的並行，包括指令級並行（ILP）、數據級並行（DLP）和綫程級並行（TLP）。針對多核處理器，我們將深入探討多核架構的設計，包括共享內存模型、多核通信機製以及同步機製（如互斥鎖、信號量）。 新興的處理器技術也將是本書的關注點。例如，片上係統（SoC）的集成理念，將CPU、GPU、DSP、內存控製器、I/O接口等多種功能模塊集成在同一塊芯片上，以實現更高的集成度和更低的功耗，這已成為現代電子設備的主流設計模式。本書將探討SoC設計的挑戰與機遇，以及不同功能模塊之間的協同工作。此外，專為特定應用優化的處理器，如數字信號處理器（DSP）、圖形處理單元（GPU）以及神經網絡處理器（NPU），它們在特定領域的卓越錶現，也將在本書中得到探討，揭示其在架構設計上與通用CPU的差異化之處。 本書的寫作風格將力求嚴謹而不失深度，通過清晰的邏輯結構和豐富的實例，引導讀者逐步掌握復雜的處理器設計概念。我們不會迴避其中的技術細節和工程難題，而是希望通過詳實的講解，幫助讀者建立起對現代微處理器設計全貌的深刻理解。無論是對計算機體係結構感興趣的學生，還是緻力於處理器設計的工程師，亦或是希望瞭解驅動現代數字世界核心技術的專業人士，本書都將是一份寶貴的參考資料。 我們將從最基本的邏輯門電路齣發，逐步構建起復雜的算術邏輯單元（ALU）、寄存器堆、控製器等基礎模塊，然後再將這些模塊有機地組閤成指令譯碼器、執行單元，最終形成一個完整的處理器核心。在此過程中，我們還會引入硬件描述語言（HDL）的概念，並結閤實際的設計流程，展示如何使用Verilog或VHDL等語言來描述和驗證處理器設計。EDA（Electronic Design Automation）工具在芯片設計中的作用也將被提及，它們是實現從概念到物理版圖的必不可少的技術支撐。 本書的另一個重要維度是對處理器性能評估與優化的探討。我們將介紹各種性能分析工具和方法，如性能計數器（Performance Counters）、性能分析器（Profilers），以及如何利用這些工具來識彆性能瓶頸。基於對性能瓶頸的分析，我們將深入探討各種優化策略，包括指令調度優化、緩存訪問優化、功耗優化以及並行化策略等。理解如何有效地評估和優化處理器性能，對於設計齣滿足應用需求的高效能芯片至關重要。 此外，安全性和可靠性是現代處理器設計不可或缺的考量因素。本書也將觸及處理器安全性的相關議題，例如對側信道攻擊（Side-Channel Attacks）的防禦機製，以及如何通過硬件設計來提升指令執行的安全性。可靠性方麵，我們將討論糾錯碼（ECC）在內存和緩存中的應用，以及處理器設計中如何考慮容錯性和故障檢測。 總而言之，本書的目標是提供一個關於現代微處理器架構設計的全麵、深入且與時俱進的指南。它不僅涵蓋瞭處理器設計的核心原理和技術，還延伸至瞭新興技術和工程實踐。我們希望通過這本書，能夠激發讀者對芯片設計這一迷人領域的興趣，並為他們在相關領域的研究和實踐提供堅實的基礎和有益的啓示。在這個信息爆炸的時代，理解並掌握微處理器的設計精髓，意味著掌握瞭數字世界運行的脈搏。

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作為一本參考書，它的索引和交叉引用係統做得堪稱典範。我經常需要在不同章節之間快速跳轉，查找特定指令集操作碼的詳細時序圖，或者某個特定地址空間的定義。以往的參考資料常常需要我來迴翻閱厚厚的目錄和頁碼，效率低下。但這本書的排版師顯然也理解技術人員的工作流程，頁眉和頁腳的信息密度恰到好處，關鍵術語的標注清晰醒目，使得“定位”工作變得異常高效。而且，書中附帶的那些詳盡的錶格，比如操作碼速查錶、特殊功能寄存器（SPR）的位域定義，簡直是為我桌上的咖啡漬提供瞭最堅實的備份——我不再需要頻繁地去查閱那些PDF文檔瞭。這些輔助性的材料，體現瞭作者對目標讀者日常工作流程的深刻理解，使得這本書從一本“閱讀材料”升華為一本“工作工具”。它的實用性，已經超越瞭簡單的技術描述範疇。

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這本書的語言風格非常具有辨識度，它不像某些學術著作那樣闆著麵孔，而是帶有一種沉穩且充滿自信的權威感。作者在解釋復雜的硬件特性時，偶爾會使用一些精煉的、略帶幽默的比喻，這極大地緩解瞭閱讀過程中的認知疲勞。例如，在描述總綫仲裁機製時，他將其比作一個高效的交通警察，精確地指揮著各個設備搶占道路的順序，既保證瞭效率，又杜絕瞭混亂。這種人性化的敘述方式，使得原本冰冷的矽片世界變得立體可感。它不像是在閱讀一份冷冰冰的規範文檔，更像是在聽一位業界資深專傢在你耳邊娓娓道來他參與設計這個平颱的經驗與感悟。總的來說，這本書的價值遠超其紙張的重量，它為我構建瞭一個清晰、堅實且富有層次感的PowerPC硬件理解框架，是深入理解現代處理器架構不可或缺的參考指南。

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這本書的封麵設計實在是太吸引人瞭，那種帶著一絲復古未來感的藍色調，加上清晰有力的字體排版，一下子就抓住瞭我的眼球。我原本以為這會是一本極其晦澀難懂的技術手冊，畢竟“微處理器”和“參考平颱”這些詞匯聽起來就讓人頭皮發麻。然而，翻開扉頁後，我的擔憂瞬間煙消雲散。作者似乎深諳如何將復雜的技術概念“翻譯”成更易於理解的語言。開篇幾章對整個係統架構的宏觀介紹，就像一位經驗豐富的工程師在為你繪製一張詳盡的地圖，每一個關鍵模塊的功能、它們之間的數據流嚮，都描繪得井井有條。我特彆欣賞作者在引入具體細節之前，總是先提供一個清晰的上下文背景，這使得我在閱讀涉及寄存器、總綫協議或內存管理單元（MMU）的內容時，能夠迅速定位到它們在整個硬件生態中的作用。這本書的組織結構極其嚴謹，章節之間的邏輯過渡自然流暢，仿佛在引導你進行一次有規劃的探險，而不是讓你在技術的叢林中迷失方嚮。這種以用戶體驗為核心的編排方式，讓我這個初學者也能以相對舒適的節奏深入理解PowerPC架構的精髓。

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這本書的真正價值，體現在它對底層實現的深入剖析上，這簡直是為那些渴望“刨根問底”的硬核工程師準備的寶藏。它沒有停留在停留在API調用的層麵，而是毫不留情地紮進瞭時鍾周期、中斷處理的硬件邏輯中。我花瞭整整一個周末來研讀關於緩存一緻性（Cache Coherency）的章節，作者用極其精妙的圖示和逐步推導的方式，闡述瞭多處理器係統中數據同步的復雜機製。這些內容往往是教科書中一帶而過或者含糊其辭的地方，但這本書卻提供瞭詳細的硬件狀態轉換圖。更讓我驚喜的是，書中穿插瞭大量的“設計權衡”（Design Trade-offs）的討論。例如，在性能優化與功耗控製之間的取捨，PowerPC的設計師們是如何在不同實現路徑中做齣關鍵決策的，這些第一手的見解，比單純的規範描述要生動和深刻得多。它不僅僅告訴你“是什麼”，更告訴你“為什麼是這樣設計的”，這種深度的剖析，極大地提升瞭閱讀的滿足感和對整個平颱的敬畏之心。

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我必須承認，這本書的某些部分對於非專業人士來說，可能具有一定的“勸退”效果。特彆是涉及到浮點運算單元（FPU）的嚮量擴展（Vector Extensions）那一章，密集的數學公式和位操作描述，讓我的腦子像過載瞭一樣。但有趣的是，即便是這些最硬核的部分，作者也努力地提供瞭一些類比和實際應用場景來佐證這些復雜理論的必要性。比如，通過一個簡短的圖形渲染示例，來展示嚮量指令集如何大幅加速矩陣運算。這讓我明白，這些看似枯燥的底層細節，正是支撐起我們日常所見高性能計算和多媒體處理的基石。與其說這是一本讀物，不如說它是一門高度濃縮的微處理器設計哲學課。它強迫你慢下來，去尊重每一個邏輯門的運作，去理解每一個時鍾周期的價值。這種對技術深度的不妥協，反而成瞭它最值得稱贊的品質。

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