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出版者:

作者:潘焕成

出品人:

页数:293

译者:

出版时间:2005-8

价格:23.90元

装帧:

isbn号码:9787040175592

丛书系列:

图书标签:

• Intel
• x86
• 32位
• 计算机体系结构
• 汇编语言
• CPU
• 处理器
• 底层技术
• 硬件
• 编程
• 计算机原理

现代计算的基石：微处理器架构与高性能系统设计 图书简介 本书深入剖析了当代高性能计算系统的核心——微处理器架构的演进、设计原理与实现技术。我们聚焦于现代CPU内部复杂的功能单元、指令集的精妙设计、存储器的层次结构管理以及并行处理能力的实现，为读者构建起一座理解现代计算机性能瓶颈与优化策略的桥梁。本书旨在为计算机科学、电子工程专业的学生以及系统软件、嵌入式开发领域的工程师提供一套全面而深入的理论与实践指导。 第一部分：微处理器架构基础与指令系统 本部分奠定了理解复杂处理器设计的基础。我们从最基本的冯·诺依依曼与哈佛架构对比开始，详细阐述了CPU的核心部件，包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、算术逻辑单元（ALU）和通用寄存器堆。 随后，我们进入指令集架构（ISA）的核心探讨。本书不会局限于某一特定指令集，而是着重分析CISC（复杂指令集计算机）与RISC（精简指令集计算机）的设计哲学差异及其对硬件实现的影响。我们将深入解析指令的操作码、操作数的编码方式，以及指令的寻址模式（立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等）如何影响指令执行的灵活性与复杂性。特别地，我们会详细介绍RISC-V作为一种开放、模块化指令集的设计理念，及其在现代教育和研究中的重要地位。 流水线技术：性能提升的关键一跃 指令的串行执行是性能的天然瓶颈。本章的核心内容是对指令流水线技术的透彻解析。我们将从最基础的五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）开始，剖析流水线带来的吞吐量提升，同时重点讨论其固有的数据冒险、控制冒险（分支）和结构冒险。针对这些冒险，我们将详尽讲解数据前递（Bypassing）机制如何减少停顿，以及分支预测单元（Branch Predictor）的复杂算法，如一步法、两步法（Gshare/Gselect）以及更先进的基于历史记录的预测器，如何最大限度地掩盖分支的延迟。 第二部分：数据通路与控制单元的精妙设计 现代处理器的性能极大地依赖于其内部数据流的高效管理。本部分专注于数据通路的设计，研究如何构建高速的ALU，以及如何设计多端口、高带宽的寄存器文件以支持多操作数的并行获取。 时序与控制：同步与异步的平衡 我们详细探讨了控制器的设计。对于硬布线逻辑控制器（Hardwired Control）与微程序控制（Microprogrammed Control）的优劣进行了对比分析。重点关注时钟周期的管理，以及如何设计稳健的时序逻辑电路来确保指令在多个时钟周期内的正确、同步执行。 异常与中断处理 一个健壮的处理器必须能够可靠地响应外部事件和内部错误。本章将系统梳理中断（Interrupts）和异常（Exceptions）的生命周期，包括陷阱的触发条件、CPU状态的保存与恢复机制（上下文切换），以及系统调用（System Calls）在用户态和内核态之间的安全转换过程。 第三部分：存储器层次结构与缓存系统优化 处理器速度的飞速增长，使得内存延迟成为计算系统中最显著的性能瓶颈。本部分将存储器系统视为处理器性能的关键延伸。 缓存的原理与实现 我们对CPU缓存（Cache）进行了系统性的拆解。从局部性原理（时间局部性和空间局部性）出发，解释了为什么缓存是必需的。本书详尽分析了缓存的映射方式：直接映射（Direct Mapped）、全关联映射（Fully Associative）以及集合关联映射（Set-Associative）的优缺点及硬件开销。 深入讨论块替换策略（如LRU、FIFO、随机替换），以及写操作策略（写直达Write-Through与写回Write-Back）对总线带宽和数据一致性的影响。我们还将探讨多级缓存系统（L1, L2, L3）的设计目标和交互机制。 虚拟内存与地址翻译 本部分的核心是内存管理单元（MMU）。我们详细解析了虚拟地址到物理地址的转换过程，包括页表（Page Table）的结构、快表（TLB）的作用及其对地址翻译延迟的优化。关于页表管理，本书会涉及多级页表、反向页表等高级概念，以及缺页中断（Page Fault）的处理流程。 一致性与同步：多核世界的挑战 随着多核处理器的普及，缓存一致性（Cache Coherence）成为系统设计的核心难题。本书将聚焦于缓存一致性协议，特别是MSI、MESI、MOESI等协议的工作原理，分析其如何通过监听（Snooping）或目录（Directory-based）机制维护跨核心数据视图的一致性。 第四部分：超越单核：并行计算与多核架构 现代性能的真正驱动力在于并行化。本部分将视角从单个处理器核心扩展到多核、多处理器系统。 指令级并行性（ILP） 我们回顾了超标量（Superscalar）处理器的概念，即在一个时钟周期内可以同时发射多条独立指令的能力。重点分析乱序执行（Out-of-Order Execution, OOO）的实现细节，包括重排序缓冲区（Reorder Buffer, ROB）、保留站（Reservation Stations）以及指令调度器如何动态地将指令从指令流中提取出来，进行并行执行，并在指令完成后确保结果的顺序性提交。 显式与隐式多线程 探讨如何在单个核心内部实现并发：同步多线程（SMT，如Intel的Hyper-Threading）如何通过共享执行资源来提高核心利用率。随后转向更广泛的多核处理器设计，分析片上缓存（On-Chip Cache）如何划分和共享，以及核心间的互联网络（Interconnect）拓扑结构（如环形、网格、交叉开关）对通信延迟的影响。 第五部分：性能评估与未来趋势 本书最后一部分着眼于如何量化和预测处理器的性能，并展望未来的发展方向。 性能度量标准 介绍如何使用CPI（Cycles Per Instruction）、IPC（Instructions Per Cycle）和时钟频率来构建处理器性能模型。我们将讨论基准测试（Benchmarks）的局限性，并介绍如SPEC CPU等行业标准测试集的设计哲学。 超越硅基的限制 探讨当前CMOS技术的物理限制（如功耗墙、散热瓶颈），并概述下一代计算范式的探索，包括异构计算（GPU、FPGA的融合）、近存计算（Processing In Memory, PIM）的初步概念，以及量子计算对传统计算模型的潜在颠覆。 本书结构严谨，内容全面，不仅详述了指令集的编码细节、数据通路的设计逻辑，还深入剖析了现代处理器如何克服流水线冲突、管理存储器层次，以及实现大规模并行性。通过对这些底层机制的掌握，读者将能够深刻理解软件性能的物理根源，并设计出更高效的算法和系统级优化方案。

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我购买这本书的初衷，其实是希望能够找到一本能系统梳理Intel x86架构演进中那些关键技术转折点的参考书。这本书在这方面确实没有让我失望，它对16位到32位转换过程中，操作系统内核必须进行的架构调整有着深入的洞察。作者对于“段式内存管理”向“页式内存管理”的转变过程的描述，生动地展示了软件对硬件抽象层的进化需求。阅读这本书最大的收获在于，它让我明白，我们今天习以为常的“一切皆可寻址”的便捷背后，是先辈们在资源极其有限的情况下所做的巨大妥协与创新。书中对异常和陷阱处理的深入探讨，也让我对系统安全性的源头有了更深的理解。然而，这本书在内容侧重上显得有些偏科，它将大量的篇幅投入到对特定处理器型号的微架构细节的还原上，而对于更宏观的系统软件栈，例如早期的DOS扩展器或OS/2的内核特性，提及略显单薄。这使得全书的重心略微偏向硬件实现细节，而对上层应用环境的联系不够紧密。

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这本书的封面设计得颇具年代感，那种深蓝色的底色配上略显粗犷的字体，一下子把我拉回了那个个人电脑刚刚起步的时代。我原本是冲着对计算机底层架构的好奇心来的，希望能从中窥见32位处理器的辉煌岁月。然而，读完前几章后，我发现它似乎更像是一部技术史的侧写，而非一本操作手册。书中对早期的Intel处理器家族的演变，尤其是奔腾系列如何从实模式过渡到保护模式的叙述，着实引人入胜。作者花了大量篇幅去描绘当时软件开发环境的局限性，以及工程师们是如何在这些限制下“榨干”每一个CPU周期的故事。我特别欣赏它对于寄存器组、中断处理机制的详尽剖析，那些经典的汇编指令，在作者的笔下仿佛重新获得了生命力，不再是枯燥的字符组合，而是构建起宏伟软件大厦的砖石。不过，对于那些期待了解现代操作系统内核是如何在这些老旧架构上运行的读者来说，这本书的深度可能稍显不足，它更侧重于“如何搭建”而不是“如何优化现代运行”。那种对技术细节的执着，让我仿佛置身于90年代的机房，感受着那股原始而纯粹的计算力量。

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说实话，这本书的装帧和排版很有怀旧感，拿在手里沉甸甸的，仿佛捧着一个时代的记忆。我更倾向于把它视为一本技术哲学著作，而不是一本纯粹的技术手册。作者的笔触中流露出一种对早期计算美学的推崇，他并不只是在罗列事实，而是在解读“为什么是这种设计”。他探讨了在那个时代背景下，功耗、成本和性能之间的残酷平衡，以及Intel工程师们如何在高压下做出那些影响深远的决策。例如，书中关于浮点运算单元的引入和标准化过程的论述，就非常到位地展示了标准制定对整个行业生态的深远影响。对于那些对“架构思维”感兴趣的读者来说，这本书无疑是一座宝库。但对于实际需要进行现代嵌入式系统开发，或者需要快速掌握最新指令集特性的工程师来说，这本书的实用价值会大打折扣。它更像是供人缅怀和学习设计思想的典籍，而非解决当前具体技术难题的工具书。阅读它，更多的是一种对计算历史的致敬和沉思。

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坦白讲，我是在朋友的极力推荐下才翻开这本厚厚的书的，主要目的是想搞清楚现代高性能计算的根基到底在哪里。这本书的叙事风格非常古典，那种严谨到近乎学院派的论证方式，读起来确实需要静下心来。它似乎并不在乎读者的学习曲线是否平缓，而是直接将读者抛入了那个充满逻辑严密性的技术世界。我发现书中对于内存管理单元（MMU）的讲解尤为精彩，那种层层递进、将虚拟地址映射到物理地址的全过程，被作者用非常精妙的图表和文字组合展现出来，即便是一个初学者也能从中领悟到其中奥妙。然而，这本书的“时效性”问题是无法回避的。在谈论特定指令集和缓存策略时，我总有一种“隔着玻璃看历史”的感觉。虽然理解了历史的脉络对打下基础至关重要，但对于当前主流的并行处理和多核优化，这本书的视角显得有些遥远和间接。它更像是一份详尽的“祖父级”技术文档，记录了黄金时代的辉煌成就，但对于如何在新时代的应用场景中复用这些智慧，则需要读者自己去架设桥梁。

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这本书的阅读体验是极其两极分化的。一方面，它的内容组织结构清晰，像是一部精心编排的交响乐，每一章都在为下一章积蓄力量。我特别喜欢作者在介绍特定硬件特性时，总是会穿插一些当时业界遇到的真实工程难题，这使得理论不再悬空。比如，它详细阐述了流水线技术初期的设计哲学，以及如何通过指令级并行性来提升吞吐量。这部分内容对于任何想从事底层驱动或编译器开发的人来说，都是一份不可多得的财富。但另一方面，这本书的语言风格过于书面化和晦涩，很多关键概念的引入缺乏足够的铺垫，使得非专业人士很容易在半途迷失方向。我常常需要停下来，对照着其他参考资料来反刍其中的复杂术语。它更像是一本“专家对专家”的交流录，而不是一本面向大众的科普读物。阅读过程中，我时常感到自己像一个学徒，站在一位技艺高超的工匠面前，既敬佩其技艺，又为自己无法完全领会其精髓而感到一丝挫败。

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