PowerPC System Architecture (PC System Architecture Series)

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出版者:Minshare Pr
作者:Tom Shanley
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1995-04
价格:USD 34.95
装帧:Paperback
isbn号码:9780201409901
丛书系列:
图书标签:
  • 计算机科学
  • System
  • Programming
  • PowerPC
  • Architecture
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具体描述

深入理解现代计算核心:基于 x86 架构的系统设计与优化 本书聚焦于当前主流计算平台——Intel 和 AMD x86 架构——的底层设计原理、指令集扩展、内存管理机制以及高性能系统构建的实践经验。 本书旨在为希望从底层理解现代计算机如何高效运行,并致力于开发高性能、高可靠性软件和硬件的工程师、高级学生和技术研究人员提供一本全面、深入的参考指南。 我们不探讨 PowerPC 体系结构(包括其历史版本、特定嵌入式应用或非主流的嵌入式系统实现),而是将全部篇幅致力于解析当前数据中心、个人计算和服务器领域占据绝对主导地位的 x86 家族。 --- 第一部分:x86 架构的基石与演进 第 1 章:从 8086 到 x86-64:架构的演变历程 本章追溯了 x86 架构的起源,从早期的 16 位实模式,到 32 位的保护模式,最终过渡到现代的 64 位扩展(x86-64,或 AMD64)。我们将详细分析这种演进如何权衡向后兼容性与性能提升的需求。重点关注保护模式中分段机制的局限性,以及分页机制(包括多级页表)如何成为现代操作系统内存管理的基础。 第 2 章:现代 x86 处理器微架构概览 本章深入剖析了当前高性能 Intel Core/Xeon 和 AMD Zen 处理器内部的微架构细节。内容涵盖指令预取、分支预测单元(BPU)的工作原理,如何通过复杂的乱序执行引擎(Out-of-Order Execution)最大化指令级并行性(ILP)。我们将对比不同代际微架构在执行端口配置、微操作(uOp)解码宽度和重排序缓冲(ROB)大小上的差异,理解这些硬件特性如何直接影响软件的性能表现。 第 3 章:指令集架构(ISA)的深度剖析 本章详细讲解了 x86-64 的核心指令集。不同于关注指令格式的简单罗列,我们侧重于指令操作的实际成本和对流水线的影响。我们将分析整数运算、浮点运算(SSE/AVX)在现代流水线中的延迟和吞吐量。特别强调如何识别“昂贵”的指令(如涉及内存屏障或跨域操作的指令)及其对延迟敏感型应用的影响。 --- 第二部分:内存层次结构与性能瓶颈分析 第 4 章:缓存系统的设计与优化 现代 x86 性能的核心在于对多级缓存(L1、L2、L3)的有效利用。本章详细描述了缓存的组织方式:直接映射、组相联、全相联的概念,以及写入策略(写回、写穿)。我们将通过性能计数器(如 Intel PCM 或 AMD uProf)来分析实际工作负载中的缓存命中率、冲突未命中和容量未命中,并提供代码重构策略以改善数据局部性和空间局部性。 第 5 章:x86 的内存访问模型与一致性 本章深入探讨 x86 处理器如何保证多核系统中内存操作的可见性和顺序性。内容聚焦于 x86 内存模型(Total Store Order, TSO) 的细节,以及它如何允许编译器和硬件进行一定程度的指令重排而不破坏单线程代码的逻辑。随后,我们将详细阐述实现严格同步所需的显式内存屏障指令(如 `LFENCE`, `SFENCE`, `MFENCE`),并将其置于更现代的同步原语(如 C++11/14/17 的原子操作)的上下文中进行对比。 第 6 章:虚拟内存与地址转换(TLB 机制) 本章完全专注于 x86 架构下的虚拟内存管理。我们将剖析四级或五级页表结构,并详细解释硬件如何通过 转换后备缓冲器(TLB) 加速地址翻译。讨论大页(Huge Pages)对 TLB 压力和性能的影响,以及操作系统内核如何通过页表操作(如 TLB 射出/Invalidation)来维护系统安全和隔离性。 --- 第三部分:高级特性与系统编程实践 第 7 章:向量化计算:SSE, AVX, AVX-512 深入解析 本章将 x86 体系结构中的 SIMD(单指令多数据)能力提升到实践层面。我们将不再停留在指令集列表,而是深入研究如何使用内联汇编或特定编译器 intrinsics 来充分利用 128 位 (SSE)、256 位 (AVX2) 乃至 512 位 (AVX-512) 寄存器。分析数据在不同向量宽度间的数据打包、解包操作的效率,以及 AVX-512 在不同核心/芯片设计中的功耗和热限制(如“AVX 降频”现象)。 第 8 章:并发与同步:硬件事务内存(HTM)与锁机制 除了传统的基于原子操作的锁,本章探讨 Intel TSX(事务性同步扩展)和 AMD TSX 的工作原理。分析硬件事务内存如何通过提供细粒度的乐观并发控制来减少锁竞争。深入讨论事务的冲突检测、回滚机制以及何时使用 HTM 能带来显著的性能提升,以及何时它可能引入新的调试复杂性。 第 9 章:I/O 虚拟化与中断处理 本章聚焦于操作系统与硬件交互的高速通道。我们将详细分析 直接内存访问(DMA) 的工作流程,以及现代 x86 平台上用于提高 I/O 效率的技术,如 消息信号化中断(MSI/MSI-X) 和 可编程中断控制器(APIC) 的架构。在虚拟化环境中,探讨 VT-x/AMD-V 扩展如何支持高效的 I/O 虚拟化(如 VT-d/AMD-Vi),以最小化管理程序开销。 第 10 章:性能分析与调试工具集 本章提供一套实用的 x86 系统性能调优工具箱。侧重于如何使用 硬件性能计数器(PMC) 来诊断瓶颈。涵盖诸如 Linux `perf` 工具的使用方法,如何解读诸如 IPC(每周期指令数)、分支失效率、缓存未命中率等关键指标。并提供针对性地优化建议,指导读者如何将理论知识转化为实际代码性能的提升。 --- 目标读者: 系统程序员、编译器开发者、高性能计算(HPC)工程师、计算机体系结构研究人员以及寻求超越操作系统的抽象层,理解其运行平台的资深开发者。 本书不包含任何关于 PowerPC 或其他非 x86 架构的指令集、内存模型或特定硬件实现的讨论。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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我不得不说,这本书对细节的关注程度达到了令人惊叹的地步。在讲解PowerPC的指令集时,作者并没有简单地列出指令的操作码和助记符,而是对每一条指令的执行周期、流水线表现、以及可能产生的副作用都进行了极其详尽的描述。当我第一次看到书中对一条简单算术指令的执行流程进行如此细致的分析时,我感到非常震撼。作者似乎对PowerPC的每一个角落都了如指掌,并且愿意将这份深刻的理解毫无保留地分享给读者。这种对细节的极致追求,让我相信这本书的作者一定是一位在PowerPC领域有着深厚造诣的专家。我尤其喜欢书中对指令集中的一些特殊指令的解释,这些指令往往是实现某些高级功能的核心,但又因为其独特性而常常被忽视。作者通过大量的图示和文字说明,将这些“隐藏”在冰山下的重要信息挖掘出来,让读者能够对PowerPC的强大功能有一个更全面的认识。这种对细节的挖掘和呈现,让这本书的价值远超一般的技术参考书,它更像是一本PowerPC的“百科全书”,任何关于这个架构的问题,都能在这里找到答案。

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这本书给我的整体感觉,就像是在与一位资深的架构师进行一对一的深度交流。作者的语言风格非常专业,但又不会显得过于生硬或遥不可及。他能够用一种非常清晰、准确且富有洞察力的方式,来阐述PowerPC系统架构的复杂性。我尤其欣赏书中那些“画龙点睛”的总结和评论,它们往往能够将一个复杂的技术点浓缩成一个简单的道理,或者从一个更高的维度来揭示其重要性。例如,在讲解PowerPC的指令集特性的过程中,作者会不时地插入一些关于RISC指令集优势的讨论,以及它在不同应用场景下的表现。这种“旁征博引”的写作方式,让我在学习PowerPC的同时,也能对计算机体系结构的发展有一个更全面的认识。我感觉,这本书不仅仅是关于PowerPC的,它更像是一本关于“如何思考和设计高性能计算机系统”的教程。它教会我如何去分析问题,如何去权衡各种设计选择,以及如何去理解技术背后的深层逻辑。

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我在阅读《PowerPC System Architecture》时,被其中包含的详实案例所深深吸引。书中的每一个理论概念,似乎都能找到与之对应的实际应用场景,这让学习过程不再是纸上谈兵,而是与真实世界的技术实践紧密相连。作者在描述一些核心功能时,并没有止步于抽象的描述,而是引入了具体的芯片型号、系统配置,甚至是一些性能测试的数据,这极大地增强了内容的真实性和可信度。我记得在学习PowerPC的指令集架构时,书中给出了大量的汇编代码示例,并且对每一行代码的含义进行了详细的注释和解释。这些示例代码,不仅仅是枯燥的字符组合,更是通往理解处理器如何执行指令的钥匙。通过分析这些代码,我能够直观地感受到指令的执行流程,以及如何通过优化指令序列来提升程序性能。更让我印象深刻的是,书中还穿插了一些实际项目开发中的挑战和解决方案,这些经验性的内容,往往是教科书中难以获得的宝贵财富。例如,在讨论内存管理单元(MMU)的配置时,书中就给出了一个在嵌入式系统中如何优化MMU页表项的案例,这对于实际的嵌入式系统开发者来说,无疑是极具参考价值的。这种将理论与实践巧妙融合的写作手法,让这本书的价值倍增,也让我在学习过程中能够触类旁通,举一反三。

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这本书的章节划分和内容组织,简直堪称经典。从最基础的PowerPC处理器家族概览,到深入的指令集架构、内存管理、中断处理,再到外围设备接口和系统总线,每一个环节都设计得非常到位,逻辑清晰,层层递进。我特别喜欢作者在引入新概念时,总是会先对相关背景知识进行铺垫,确保读者能够有足够的知识基础来理解接下来的内容。比如,在讲解MMU的原理之前,作者会先花一些篇幅介绍虚拟内存和物理内存的概念,以及它们在现代操作系统中的重要性。这种“搭积木”式的讲解方式,让我感觉学习的过程非常扎实,每一步都建立在坚实的基础之上。书中对于不同PowerPC处理器的特性对比分析也十分精彩,它不仅仅是简单地列出各个处理器的规格参数,而是深入分析了它们在设计理念、性能特点和应用领域上的差异,这对于我理解PowerPC家族的演进和选择合适的处理器非常有帮助。此外,书中还穿插了一些关于PowerPC历史和发展趋势的讨论,这让我在学习技术的同时,也能对这个重要的处理器架构有一个更宏观的认识。我非常欣赏这种能够从不同维度来解读技术的方式,它让学习过程充满了层次感和深度。

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这本《PowerPC System Architecture》的封面设计真是别具一格,带有浓郁的技术感,色彩的运用也相当考究,沉静的蓝色和明亮的白色交织,似乎在预示着书中内容的深度和广度。当我第一次翻开这本书,指尖拂过厚实的纸张,一股知识的厚重感扑面而来。书页散发出的淡淡油墨香,是那种只有真正技术书籍才有的味道,让人忍不住深吸一口气,仿佛能从中汲取到无数宝贵的智慧。我尤其喜欢书中对各种图表的处理方式,它们清晰、准确,并且巧妙地融入到文字叙述中,使得原本复杂抽象的系统架构概念变得生动形象。每一张图,无论是CPU的内部结构示意图,还是总线通信的时序图,都像是精心绘制的艺术品,让人在理解技术的同时,也能感受到设计者的匠心独运。书中的排版也十分合理,字体大小适中,行间距留白得当,即使是长时间阅读也不会感到疲惫。章节之间的过渡自然流畅,仿佛一条蜿蜒的小溪,引导着读者一步步深入PowerPC的世界。作者在内容的组织上也花了心思,从宏观的架构概览到微观的指令集详解,逻辑层层递进,循序渐进,即使是没有深厚背景的读者,也能在耐心阅读后逐渐掌握核心要领。我个人对这种循序渐进的学习方式情有独钟,它避免了信息轰炸式的学习体验,而是像一位循循善诱的老师,耐心解答每一个疑问,引导每一个思考。这本书不仅仅是一本技术手册,更像是一次深入的探索之旅,每一次翻页都充满了期待,每一次阅读都收获满满。

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这本书的语言风格真是让人眼前一亮,不同于许多晦涩难懂的技术文档,它以一种更为亲切和逻辑化的方式呈现给读者。作者似乎非常懂得如何与读者沟通,避免了生硬的术语堆砌,而是用一种娓娓道来的口吻,将PowerPC这个复杂的系统架构娓娓道来。我尤其欣赏书中对一些关键概念的解释,它们不会直接给出一个定义,而是先从一个实际的应用场景入手,引出这个概念的重要性,然后再逐步深入解析其原理。这种“情景化”的讲解方式,让我能够更好地理解技术背后的逻辑和价值。例如,在讲解缓存一致性协议时,作者并非一开始就抛出MESI、MOESI这些缩写,而是先描述了多核处理器环境下数据共享的常见问题,比如数据不一致的情况,然后才引出协议的作用,以及它是如何解决这些问题的。这种叙述方式,让整个学习过程充满了“发现”的乐趣,而不是枯燥的“记忆”。我喜欢这种能够激发我主动思考和探索的表达方式。作者在遣词造句上也颇有讲究,句子结构严谨而不失灵活,能够准确地传达技术信息,同时又富有感染力。即使遇到一些我不太熟悉的领域,通过阅读书中清晰的阐述,我也能逐渐建立起一个清晰的认识框架。总而言之,这是一本真正意义上的“好读”的技术书籍,它在保证技术深度的同时,极大地提升了阅读体验。

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这本书在插图和图表的运用上,可以说是到了出神入化的境界。很多复杂的概念,如果仅仅用文字来描述,可能会让人望而却步,但书中通过各种精心设计的图表,却能将这些概念清晰地呈现出来。例如,在讲解PowerPC的指令流水线时,书中会用一个多阶段的图来展示指令的取出、解码、执行、写回等过程,并且用不同颜色和箭头来表示数据的流动和依赖关系。这种可视化表达,比任何冗长的文字描述都更加直观和易懂。我特别欣赏书中对一些时序图的绘制,它们能够准确地展现总线信号的变化,以及不同模块之间的通信过程。这些时序图,就像是微观世界的“快照”,让我们能够清晰地看到处理器是如何工作的。而且,这些图表不仅仅是美观,更是充满了信息量,每一条线、每一个框,都蕴含着深刻的技术含义。这本书让我明白了,好的图表设计,不仅仅是辅助,更是理解技术的重要工具。

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这本书的引用和参考资料部分,展现了作者严谨的学术态度和深厚的知识底蕴。在每一个章节的结尾,作者都会列出相关的参考文献,这使得我对书中提到的某些更深入的话题,能够有进一步探究的方向。更让我惊喜的是,作者在正文中,也会时不时地引用一些经典的研究论文或技术文档,并且简要地说明其重要性。这种“溯本追源”的做法,让我感觉这本书不仅仅是作者个人的总结,更是站在了巨人的肩膀上的产物。我尤其喜欢书中对一些关键技术决策的讨论,比如,为什么PowerPC采用了某种特定的指令集编码方式,或者为什么在设计内存控制器时选择了某种特定的互连拓扑。作者会引用相关的设计文档或研究成果,来解释这些决策背后的考量和权衡。这让我感觉,我不仅仅是在学习“是什么”,更是在学习“为什么”。这种深入的探索,让我对PowerPC的理解更加透彻,也让我对计算机体系结构的设计有了更深刻的认识。

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这本书的叙事风格有一种独特的魅力,它不像是一本冷冰冰的教科书,反而更像是一位经验丰富的工程师,在向你娓娓道来他多年积累的宝贵经验。作者在讲解每一个技术点时,都会融入自己的一些思考和感悟,这使得原本枯燥的技术内容变得鲜活有趣。例如,在讨论PowerPC的流水线设计时,作者不仅仅是描述了各个阶段的功能,还会结合实际的性能瓶颈,分析为什么需要这样的设计,以及它在实际应用中可能遇到的挑战。这种“带着问题去看技术”的方式,让我能够更好地理解技术的设计初衷和工程上的权衡。我尤其欣赏书中那些“经验之谈”,这些话语往往蕴含着深刻的道理,并且能够帮助我避免在实际工作中走弯路。比如,在讲解中断处理时,作者就强调了中断服务例程(ISR)的长度和复杂度对系统实时性的影响,并给出了优化ISR的建议。这些实践性的指导,对于正在从事嵌入式开发的我来说,简直是及时雨。这本书让我感觉,我不仅仅是在学习PowerPC的知识,更是在学习一种解决问题的思路和工程实践的方法论。

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这本书的逻辑结构设计非常巧妙,每一部分的内容都像是精心打磨过的齿轮,精准地咬合在一起,共同驱动着读者对PowerPC系统架构的理解。当我开始阅读时,我注意到作者首先建立了一个清晰的整体框架,让我们能够对PowerPC的宏观图景有一个初步的认识。然后,他会逐步深入到各个子系统,比如CPU核心、内存控制器、I/O接口等,并且在讲解每个子系统时,都会与前面已经介绍过的部分建立联系。这种“由宏观到微观,再由微观回到宏观”的学习路径,让知识点之间的关联性非常强,避免了碎片化的学习体验。我特别欣赏书中对一些相互关联的概念的处理方式,比如,在讲解缓存一致性时,作者会将其与多核处理器架构、指令流水线等概念联系起来,让我们能够从一个更全面的角度去理解这个问题。这种“融会贯通”的学习方式,对于我这种希望能够真正理解技术原理的读者来说,简直是福音。我感觉,这本书不仅仅是提供了知识,更是教授了一种学习和理解复杂技术的方法。

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