可重构片上系统的系统级设计(影印版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:(希)沃尔斯

出品人:

页数:231 页

译者:

出版时间:2007年

价格:36.0

装帧:其他

isbn号码:9787870301826

丛书系列:

图书标签:

• 片上系统
• 可重构计算
• 系统级设计
• VLSI
• 数字电路
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• FPGA
• ASIC
• 影印版

计算机体系结构与并行计算前沿探索 本书旨在系统梳理和深入剖析当代计算机体系结构设计中的核心挑战与创新解决方案，重点关注高性能计算、异构系统集成以及能效优化等前沿议题。 本书内容涵盖了从底层硬件架构到上层软件优化的完整栈，旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解现代计算系统如何应对摩尔定律放缓带来的设计瓶颈，并持续推动计算能力的飞跃。 第一部分：深度解析现代处理器设计 本部分聚焦于当前主流和新兴处理器技术的设计原理与优化策略。 1. 超标量流水线与指令级并行（ILP）的极限： 详细阐述现代CPU中乱序执行（OoOE）、分支预测（BP）和投机执行机制的复杂性。探讨如何通过更深层次的流水线、更宽的发射宽度以及更智能的调度算法来最大化指令吞吐量。分析在深流水线中如何有效管理功耗与时序约束。 2. 内存层次结构与数据访问延迟优化： 深入探讨多级缓存（L1、L2、L3）的设计哲学，包括缓存一致性协议（如MESI、MOESI）的实现细节及其对系统性能的影响。重点分析非均匀内存访问（NUMA）架构下的内存控制器设计，以及软件如何通过数据布局优化和预取技术来隐藏内存延迟。 3. 向量化与SIMD加速技术： 全面介绍单指令多数据（SIMD）扩展，如AVX、SSE及其在高性能计算、多媒体处理中的应用。讨论向量化编译器的优化策略，包括循环展开、数据对齐以及如何有效地将串行代码转化为向量化指令。分析不同向量长度和内存访问模式对性能的敏感性。 4. 异步与低功耗核心设计： 鉴于功耗墙的严峻性，本书探讨了超越传统同步设计的思路。介绍事件驱动的异步电路设计原理，以及在边缘计算和物联网场景中，如何采用近阈值电压（Near-Threshold Computing, NTC）和动态电压频率调节（DVFS）技术，以实现极致的能效比。 第二部分：异构计算与系统集成技术 现代计算的性能增长越来越依赖于不同类型处理单元的协同工作。本部分详细阐述异构体系结构的构建、编程模型与互连技术。 1. GPU架构与大规模并行编程模型： 深入剖析现代GPU（如图形处理器）的流式多处理器（SM）结构、线程束（Warp/Wavefront）调度机制以及其海量并发的实现原理。详细讲解CUDA和OpenCL编程模型，重点分析数据并行、任务并行如何在GPU上高效映射，以及同步原语的开销分析。 2. 专用加速器设计与Domain-Specific Architectures (DSA)： 探讨针对特定计算领域（如AI推理/训练、加密、信号处理）设计的专用硬件加速器。分析硬件加速器设计流程，包括功能单元定制、流水线优化和片上资源分配。对比ASIC、FPGA和可重构计算阵列在设计权衡上的差异。 3. 高速片上互连（NoC）与片间通信： 阐述片上网络（Network-on-Chip, NoC）作为现代多核/异构芯片的主要通信骨干，其拓扑结构（如Mesh、Torus、Ring）的选择与性能影响。讨论NoC中的路由算法、流量控制机制以及质量服务（QoS）保证。同时，涵盖先进封装技术（如2.5D/3D集成）如何改变系统级的通信拓扑。 4. 内存墙的突破：高带宽内存（HBM）与存内计算（Processing-in-Memory, PIM）： 详细介绍高带宽内存（HBM）堆栈的物理结构、接口标准及其在GPU和加速器中的应用。探讨存内计算的概念，即在内存单元附近直接执行计算操作，以消除数据搬运的开销，分析其在稀疏矩阵运算和神经网络中的潜力与挑战。 第三部分：系统级软件优化与运行时环境 硬件的潜力必须通过高效的软件栈才能完全释放。本部分关注操作系统、编译器和运行时系统如何与底层硬件协同工作。 1. 现代操作系统的调度与资源管理： 分析实时操作系统（RTOS）和通用操作系统内核（如Linux）中的进程/线程调度策略，特别是如何为高优先级、低延迟任务提供保障。探讨虚拟化技术（Hypervisors）对硬件资源（如CPU、DMA、内存）的隔离与透传机制，及其对性能的影响。 2. 编译器优化与代码生成： 深入研究面向特定硬件架构的编译器后端。分析中级表示（IR）的构建、寄存器分配策略以及针对特定指令集的代码生成技术。重点讨论自动向量化、循环变换（如平铺、分块）和函数内联等关键优化步骤如何映射到异构硬件上。 3. 并行编程模型与中间件： 比较并分析主流的并行编程框架，如MPI、OpenMP、Charm++，以及新兴的基于Actor模型的框架。探讨如何使用运行时系统来动态地管理工作负载负载均衡，尤其是在大规模、节点间通信受限的环境中。 4. 性能分析工具与瓶颈定位： 介绍用于系统级性能评估的先进工具链，包括硬件性能计数器（PMC）的读取与解释，动态二进制插桩（如Pin/Valgrind）的应用，以及基于事件跟踪的系统级分析方法。强调如何通过深入的性能归因分析，指导体系结构设计和软件重构。 第四部分：面向未来的计算范式 本书最后部分展望了对现有冯·诺依曼架构构成挑战的下一代计算技术。 1. 量子计算基础与体系结构挑战： 概述量子比特（Qubit）的工作原理，介绍Shor算法和Grover算法。讨论构建容错量子计算机所需的物理层挑战，以及如何设计控制电子学和经典-量子接口。 2. 神经形态计算（Neuromorphic Computing）： 探讨模仿生物大脑结构和功能的脉冲神经网络（SNN）的计算模型。介绍基于忆阻器（Memristor）等新型器件的硬件实现，以及它们在事件驱动和极低功耗AI应用中的前景。 3. 可重构计算与FPGA应用深入： 虽然本书不专门讨论片上系统设计，但会从应用和系统集成的角度，分析现场可编程门阵列（FPGA）作为灵活的硬件重构平台，在快速原型验证和特定算法加速中的关键作用。讨论如何使用高层次综合（HLS）工具来提升FPGA的开发效率。 本书总结： 通过对以上四个层次的深入剖析，读者将能够建立一个横跨硬件、系统软件和算法的整体认知框架，为未来从事高性能计算系统设计、新型架构研究或复杂软件优化工作打下坚实的基础。

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这本书的封面设计得相当朴实，没有太多花哨的装饰，这让我一开始有些疑虑，担心内容会像封面一样平淡无奇。然而，翻开内页后，才发现这完全是“人不可貌相”的经典案例。书中的文字密度适中，排版清晰，即便是面对一些复杂的系统级概念，作者也尽量用清晰的逻辑链条来引导读者。我尤其欣赏作者在引入新概念时所采用的循序渐进的方式，没有急于抛出高深的理论，而是先从基础的系统架构图入手，逐步构建起对整个可重构系统的宏观认识。这种“搭积木”式的教学方法，对于我这种初学者来说，无疑是极大的福音。读完前几章，我对片上系统的基本构成和设计哲学有了扎实的理解，这为后续深入学习打下了坚实的基础。它不像有些教材那样堆砌术语，而是努力去解释“为什么”要这样做，这种对设计思想的剖析，远比单纯的技术描述来得更有价值。

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这本书的翻译质量，坦率地说，在技术书籍中算是相当优秀的。通常引进的国外技术原著，在术语的对应和句式的本土化处理上常常显得生硬拗口，读起来需要不断地在原文和译文之间切换来理解原意。但这本书的译者显然对芯片设计领域有深入的了解，他们不仅准确地传达了原文的技术内涵，更重要的是，他们成功地将那些复杂的英语技术表达转化成了符合中文读者阅读习惯的流畅表达。例如，对于一些专有名词的首次出现，译者通常会给出清晰的脚注或解释，避免了读者在理解概念时产生歧义。这种对细节的关注，极大地提升了阅读体验，让我的注意力能够完全集中在设计思想本身，而不是纠结于晦涩的文字。可以说，好的翻译是连接原著思想与读者理解的桥梁，而这本书的译者成功地架起了一座稳固而美观的桥梁。

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我必须得说，这本书的深度着实令人称赞，它绝非市面上那些肤浅的入门读物可比拟。作者显然是这一领域的资深专家，他不仅展示了“如何做”，更深入地探讨了“为什么现有方法存在局限性”以及“我们如何超越这些局限”。其中关于功耗优化和时序闭环控制的章节，内容尤为精彩。那些详尽的数学推导和仿真结果，虽然初看有些吃力，但一旦静下心来仔细推敲，便能体会到其中蕴含的精妙权衡艺术。特别是作者对不同设计流派的批判性分析，让我对当前业界主流方案的优缺点有了更成熟的认识，不再盲目崇拜某种技术栈。这本书的价值在于它提供了一个批判性思考的框架，引导读者不满足于表面的解决方案，而是去探究底层机制的本质。对于希望从“实现者”跃升为“架构师”的读者而言，这部分内容简直是醍醐灌顶，提供了宝贵的战略视角。

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这本书的结构设计，堪称教科书级别的典范，清晰、逻辑严谨，就像一个精心规划的数字电路。全书内容划分层次分明，从最顶层的系统抽象开始，逐步下钻到寄存器传输级（RTL）的设计细节，最终落脚于验证和综合的实践考量。每一章的衔接都非常自然，前一章遗留的问题往往会在后一章得到解答或深化。我发现作者在每个章节末尾设置的“思考题”非常具有启发性，它们不是简单的知识点复述，而是要求读者运用所学知识去解决一个小型设计挑战。这使得阅读不再是被动的接收信息，而是一个主动的探索过程。这种主动学习的模式，极大地巩固了知识的吸收，也让我在阅读过程中保持了高度的参与感和探索欲，而不是仅仅做了一个知识的搬运工。

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说实话，这本书的实用性远超我的预期，它不是一本停留在理论高地的学术专著，而是紧密贴合工程实践的宝典。作者花费了大量篇幅来讨论在实际流片过程中会遇到的各种“陷阱”和折衷方案，比如跨时钟域交互的同步机制，以及如何在高频率下处理信号完整性问题。书中列举的多个真实案例分析，详细展示了从需求分析到最终实现过程中，设计团队是如何权衡性能、面积和功耗的。这些实践经验的分享，对于身处工业界、急需解决实际问题的工程师来说，其价值几乎是无可估量的。它就像一位经验丰富的前辈，在你面前铺开了无数次踩过的坑，让你能够少走很多弯路。这本书的价值在于它弥补了学术界与工业界之间存在的巨大鸿沟，真正做到了理论指导实践，让设计变得更加健壮和可靠。

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