超標量處理器設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

姚永斌 著

圖書標籤:

• 處理器設計
• 超標量
• 計算機體係結構
• 高性能計算
• 並行處理
• 流水綫
• 指令級並行
• 微處理器
• 數字邏輯設計
• VLSI設計
• 硬件設計

店鋪： 清華大學齣版社旗艦店

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302347071

商品編碼：1361329761

包裝：平裝

齣版時間：2014-03-31

基本信息

書名：超標量處理器設計

原價：49.00元

作者：姚永斌

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2014-03-31

ISBN：9787302347071

字數：

頁碼：373

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

---

隨著智能手機的興起，處理器這個詞逐漸齣現在人們的視野中，越來越多的公司希望通過自行設計的處理器來提供差異化的産品，在處理器的陣營中，超標量（SuperScalar）處理器的性能最好，但是復雜度也最高，《超標量處理器設計》重點講述的就是超標量處理器。處理器的設計是一門交叉學科，設計者不但要懂計算機體係結構，還要懂微電子和集成電路設計的相關知識，本書力求以通俗易懂的語言將讀者帶入處理器設計的世界，書中以RISC指令集為基礎，涉及到瞭Cache、分支預測、指令集體係、寄存器重命名和亂序執行等內容，並使用VerilogHDL作為基本的硬件描述語言，通過閱讀本書，讀者可以瞭解超標量處理器的運行過程，從而為設計齣更高性能的處理器打下基礎。

內容提要

---

《超標量處理器設計》講述超標量（SuperScalar）處理器的設計，現代的高性能處理器都采用瞭超標量結構，大至服務器和高性能PC的處理器，小至平闆電腦和智能手機的處理器，無一例外。《超標量處理器設計》以超標量處理器的流水綫為主綫展開內容介紹。《超標量處理器設計》主要內容包括超標量處理器的背景知識、流水綫、順序執行和亂序執行兩種方式的特點；Cache的一般性原理、提高Cache性能的方法以及超標量處理器中的Cache，尤其是多端口的Cache；虛擬存儲器的基礎知識、頁錶、TLB和Cache加入流水綫後的工作流程；分支預測的一般性原理、在超標量處理器中使用分支預測時遇到的問題和解決方法以及如何在分支預測失敗時對處理器的狀態進行恢復；一般的RISC指令集體係的簡單介紹；指令解碼的過程，尤其是超標量處理器中的指令解碼；寄存器重命名的一般性原理、重命名的方式、超標量處理器中使用寄存器重命名時遇到的問題和解決方法以及如何對寄存器重命名的過程實現狀態恢復；指令的分發（Dispatch）和發射（Issue）、發射過程中的流水綫、選擇電路和喚醒電路的實現過程；處理器中使用的基本運算單元、旁路網絡、Cluster結構以及如何對Load/Store指令的執行過程進行加速；重排序緩存（ROB）、處理器狀態的管理以及超標量處理器中對異常的處理過程；經典的Alpha21264處理器的介紹。在本書中使用瞭一些現實世界的超標量處理器作為例子，以便於讀者加深對超標量處理器的理解和認識。
《超標量處理器設計》可用作高等院校電子及計算機專業研究生和高年級本科生教材，也可供自學者閱讀。

目錄

---

第1章 超標量處理器概覽
1.1 為什麼需要超標量
1.2 普通處理器的流水綫
1.2.1 流水綫概述
1.2.2 流水綫的劃分
1.2.3 指令間的相關性
1.3 超標量處理器的流水綫
1.3.1 順序執行
1.3.2 亂序執行

第2章 Cache
2.1 Cache的一般設計
2.1.1 Cache的組成方式
2.1.2 Cache的寫入
2.1.3 Cache的替換策略
2.2 提高Cache的性能
2.2.1 寫緩存
2.2.2 流水綫
2.2.3 多級結構
2.2.4 Victim Cache
2.2.5 預取
2.3 多端口Cache
2.3.1 True Multi�瞤ort
2.3.2 Multiple Cache Copies
2.3.3 Multi�瞓anking
2.3.4 真實的例子： AMD Opteron的多端口Cache
2.4 超標量處理器的取指令

第3章 虛擬存儲器
3.1 概述
3.2 地址轉換
3.2.1 單級頁錶
3.2.2 多級頁錶
3.2.3 Page Fault
3.2.4 小結
3.3 程序保護
3.4 加入TLB和Cache
3.4.1 TLB的設計
3.4.2 Cache的設計
3.4.3 將TLB和Cache放入流水綫

第4章 分支預測
4.1 概述
4.2 分支指令的方嚮預測
4.2.1 基於兩位飽和計數器的分支預測
4.2.2 基於局部曆史的分支預測
4.2.3 基於全局曆史的分支預測
4.2.4 競爭的分支預測
4.2.5 分支預測的更新
4.3 分支指令的目標地址預測
4.3.1 直接跳轉類型的分支預測
4.3.2 間接跳轉類型的分支預測
4.3.3 小結
4.4 分支預測失敗時的恢復
4.5 超標量處理器的分支預測

第5章 指令集體係
5.1 復雜指令集和精簡指令集
5.2 精簡指令集概述
5.2.1 MIPS指令集
5.2.2 ARM指令集
5.3 Load/Store指令
5.3.1 Load指令
5.3.2 Store指令
5.4 計算指令
5.4.1 加減法
5.4.2 移位指令
5.4.3 邏輯指令
5.4.4 乘法指令
5.4.5 乘纍加指令
5.4.6 特殊計算指令
5.5 分支指令
5.6 雜項指令
5.7 異常

第6章 指令解碼
6.1 指令緩存
6.2 一般情況
6.3 特殊情況
6.3.1 分支指令的處理
6.3.2 乘纍加/乘法指令的處理
6.3.3 前/後變址指令的處理
6.3.4 LDM/STM指令的處理
6.3.5 條件執行指令的處理

第7章 寄存器重命名
7.1 概述
7.2 寄存器重命名的方式
7.2.1 使用ROB進行寄存器重命名
7.2.2 將ARF擴展進行寄存器重命名
7.2.3 使用統一的PRF進行寄存器重命名
7.3 重命名映射錶
7.3.1 基於SRAM的重命名映射錶
7.3.2 基於CAM的重命名映射錶
7.4 超標量處理器的寄存器重命名
7.4.1 解決RAW相關性
7.4.2 解決WAW相關性
7.5 寄存器重命名過程的恢復
7.5.1 使用Checkpoint
7.5.2 使用WALK
7.5.3 使用Architecture State
7.6 分發

第8章 發射
8.1 概述
8.1.1 集中式VS分布式
8.1.2 數據捕捉VS非數據捕捉
8.1.3 壓縮VS非壓縮
8.2 發射過程的流水綫
8.2.1 非數據捕捉結構的流水綫
8.2.2 數據捕捉結構的流水綫
8.3 分配
8.4 仲裁
8.4.1 1�瞣f�睲的仲裁電路
8.4.2 N�瞣f�睲的仲裁電路
8.5 喚醒
8.5.1 單周期指令的喚醒
8.5.2 多周期指令的喚醒
8.5.3 推測喚醒

第9章 執行
9.1 概述
9.2 FU的類型
9.2.1 ALU
9.2.2 AGU
9.2.3 BRU
9.2.4 其他FU
9.3 旁路網絡
9.3.1 簡單設計的旁路網絡
9.3.2 復雜設計的旁路網絡
9.4 操作數的選擇
9.5 Cluster
9.5.1 Cluster IQ
9.5.2 Cluster Bypass
9.6 存儲器指令的加速
9.6.1 Memory Disambiguation
9.6.2 非阻塞Cache
9.6.3 關鍵字優先
9.6.4 提前開始

第10章 提交
10.1 概述
10.2 重排序緩存
10.2.1 一般結構
10.2.2 端口需求
10.3 管理處理器的狀態
10.3.1 使用ROB管理指令集定義的狀態
10.3.2 使用物理寄存器管理指令集定義的狀態
10.4 特殊情況的處理
10.4.1 分支預測失敗的處理
10.4.2 異常的處理
10.4.3 中斷的處理
10.4.4 Store指令的處理
10.4.5 指令離開流水綫的限製

第11章 真實世界的例子： Alpha 21264處理器
11.1 概述
11.2 取指令和分支預測
11.2.1 line/way的預測
11.2.2 分支預測
11.3 寄存器重命名
11.4 發射
11.5 執行單元
11.5.1 整數的執行單元
11.5.2 浮點數的執行單元
11.6 存儲器的訪問
11.6.1 Speculative Disambiguation
11.6.2 Load hit/miss Prediction
11.7 退休
11.8 結論
參考文獻

作者介紹

---

暫時沒與相關內容

文摘

---

暫時沒與相關內容

序言

---

暫時沒與相關內容

《高效能計算架構：從基礎到前沿》 導讀 在信息爆炸的時代，計算能力已成為驅動科技進步和社會發展的核心引擎。從智能手機的普及到大數據分析的興起，再到人工智能的飛速發展，我們對計算性能的需求正以前所未有的速度增長。麵對這一挑戰，計算架構的創新成為提升性能、降低功耗、實現更高效計算的關鍵。《高效能計算架構：從基礎到前沿》正是這樣一本深入探討計算架構演進、核心原理以及未來發展方嚮的著作。它旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，理解現代計算係統是如何構建的，以及未來計算將走嚮何方。 本書內容涵蓋瞭計算架構的方方麵麵，從最基礎的處理器設計原理，到支撐大規模並行計算的先進技術，再到麵嚮未來新興應用場景的創新架構。我們不會止步於理論的闡述，更會結閤實際案例，分析不同架構在性能、功耗、成本等方麵的權衡，幫助讀者理解真實世界的計算挑戰與解決方案。 第一部分：計算架構的基石 本部分將帶領讀者迴顧計算架構的曆史演進，從早期簡單指令集架構（ISA）的誕生，到馮·諾依曼體係結構的經典迴顧。我們將深入解析指令集架構（ISA）的設計哲學，探討RISC（精簡指令集計算機）與CISC（復雜指令集計算機）的優劣，以及它們如何在現代處理器設計中融閤與發展。 指令集架構（ISA）的演進與設計原理： RISC vs. CISC： 詳細分析兩種指令集架構的設計理念、指令格式、尋址模式等，以及它們在不同應用場景下的優勢和劣勢。例如，RISC架構傾嚮於使用簡單的、固定長度的指令，易於流水綫化和並行執行，而CISC架構則提供更復雜的指令，可以完成更復雜的操作，減少程序代碼量。我們將追溯RISC的起源，例如MIPS和ARM架構，以及CISC的代錶x86架構，並分析它們各自的成功之道。 指令流水綫（Instruction Pipelining）： 深入講解流水綫技術如何提高指令的吞吐量，分解指令執行過程中的各個階段（取指、譯碼、執行、訪存、寫迴），以及存在的結構冒險、數據冒險和控製冒險，並介紹解決這些冒險的技術，如分支預測（Branch Prediction）、亂序執行（Out-of-Order Execution）、延遲槽（Delay Slot）等。通過具體的例子，讓讀者理解流水綫工作機製的精妙之處。 超標量架構（Superscalar Architecture）： 探討超標量處理器如何通過同時執行多條不相關的指令來提升性能。我們將講解超標量架構的關鍵組件，如多條指令發射（Multiple Instruction Issue）、多個執行單元（Multiple Execution Units）、分支預測單元、重排序緩衝區（Reorder Buffer）等。並通過實際的指令流示例，展示亂序執行和指令級並行（Instruction-Level Parallelism, ILP）的實現過程，理解如何最大化利用處理器資源。 內存層次結構（Memory Hierarchy）： 深入分析現代處理器如何利用多級緩存（Cache）來彌閤處理器速度與內存速度之間的巨大鴻溝。我們將詳細講解緩存的工作原理、緩存一緻性協議（Cache Coherence Protocols），如MESI協議，以及緩存映射方式（直接映射、全相聯、組相聯）和替換策略（LRU、FIFO）。理解緩存的工作機製對於優化程序性能至關重要。 內存管理單元（MMU）與虛擬內存： 講解MMU如何實現虛擬地址到物理地址的轉換，以及虛擬內存技術如何擴展係統的可用內存，並提供內存保護機製。我們將分析頁錶（Page Table）的結構、TLB（Translation Lookaside Buffer）的作用，以及缺頁中斷（Page Fault）的處理過程。 第二部分：大規模並行計算的挑戰與機遇 隨著對性能需求的不斷提升，單核處理器的性能提升逐漸遇到瓶頸。本書將重點探討如何通過並行計算來突破這一限製，並介紹支撐大規模並行計算的各種架構。 並行計算模型： SIMD（Single Instruction, Multiple Data）架構： 講解SIMD指令集如何在一個時鍾周期內對多個數據元素執行相同的操作，在多媒體處理、科學計算等領域發揮著重要作用。我們將分析SIMD指令的格式、工作原理，以及在x86（MMX, SSE, AVX）和ARM（NEON）等架構中的具體實現。 多核處理器（Multi-core Processors）： 深入分析多核處理器的設計，包括共享緩存、多級緩存架構，以及核心之間的通信機製。我們將探討多核處理器帶來的挑戰，如任務調度、綫程同步、功耗管理等。 共享內存與分布式內存係統： 區分共享內存和分布式內存兩種典型的並行計算模型。在共享內存係統中，所有處理器共享同一內存空間；而在分布式內存係統中，每個處理器擁有獨立的內存，處理器之間通過消息傳遞進行通信。我們將分析這兩種模型的優缺點，以及在不同規模的係統中如何選擇和應用。 高性能互連網絡（High-Performance Interconnects）： 網絡拓撲結構： 介紹各種網絡拓撲結構，如星型、環形、網格、超立方體等，以及它們在通信延遲、帶寬、可擴展性方麵的特點。 通信協議： 探討在分布式係統中常用的通信協議，如MPI（Message Passing Interface）和RDMA（Remote Direct Memory Access），以及它們如何實現高效的數據傳輸。 GPU（Graphics Processing Unit）架構： GPU的並行處理能力： 詳細介紹GPU的設計理念，其海量綫程、SIMT（Single Instruction, Multiple Threads）執行模型，以及其在並行計算中的巨大優勢。我們將分析GPU的計算單元（Streaming Multiprocessors, SMs）、綫程塊（Thread Blocks）、綫程（Threads）以及工作組（Warps/Wavefronts）等概念。 GPU內存模型： 講解GPU的顯存（Global Memory）、共享內存（Shared Memory）、寄存器（Registers）等不同層次的內存結構，以及它們對性能的影響。 GPU編程模型： 介紹CUDA（Compute Unified Device Architecture）和OpenCL（Open Computing Language）等主流的GPU編程模型，以及如何利用它們來開發高性能的並行應用程序。 第三部分：麵嚮未來的計算架構 隨著計算需求的不斷演進，新的應用場景和技術趨勢正在推動計算架構朝著更加多樣化和智能化的方嚮發展。本部分將探討這些前沿方嚮。 異構計算（Heterogeneous Computing）： CPU、GPU、FPGA、ASIC的協同工作： 探討將不同類型的處理器（CPU、GPU、FPGA、ASIC）集成到同一係統中，並根據任務特點分配到最適閤的處理器上執行，以實現更高的性能和能效。我們將分析異構計算的挑戰，如任務調度、數據一緻性、軟件開發等，並介紹一些典型的異構計算平颱和應用。 FPGA（Field-Programmable Gate Array）在加速計算中的應用： 介紹FPGA的可重構特性，以及其在特定任務加速方麵的優勢，特彆是在深度學習推理、網絡處理等領域。 人工智能（AI）與機器學習（ML）加速器： 專用AI芯片（TPU, NPU）： 詳細介紹為AI和ML任務設計的專用硬件加速器，如Google的TPU（Tensor Processing Unit）和各類NPU（Neural Processing Unit）。我們將分析這些芯片的架構特點，如張量計算單元（Tensor Cores）、矩陣乘法單元，以及它們如何高效地執行神經網絡的計算。 內存計算（In-Memory Computing）與近內存計算（Near-Memory Computing）： 探討將計算邏輯移至內存附近，甚至集成到內存中，以剋服“內存牆”問題的研究方嚮。這將顯著降低數據搬運的開銷，提升計算效率。 存內計算（Processing-in-Memory, PIM）： 基於DRAM和SRAM的存內計算： 深入研究如何在DRAM和SRAM單元內部或附近實現簡單的計算功能，以實現極緻的能效比。我們將探討PIM麵臨的技術挑戰，如精度、功耗、集成度等。 新興計算範式： 量子計算（Quantum Computing）： 簡要介紹量子計算的基本原理，如量子比特（Qubit）、疊加（Superposition）、糾纏（Entanglement）等，以及它在解決某些特定問題上的潛在優勢，例如藥物發現、材料科學、密碼學等。 神經形態計算（Neuromorphic Computing）： 探討模仿人腦神經元和突觸結構設計的計算架構，以實現更低功耗、更高能效的感知和學習能力，特彆是在邊緣計算和物聯網領域。 結論 《高效能計算架構：從基礎到前沿》旨在為讀者構建一個關於計算架構的完整認知框架。從微觀的指令執行，到宏觀的係統設計，再到未來的發展趨勢，本書力求全麵而深入地展示計算架構的魅力與挑戰。通過對本書的學習，讀者將能夠更深刻地理解當前高性能計算係統的設計原理，洞察未來計算技術的發展方嚮，並為在相關領域進行研究和開發打下堅實的基礎。本書適閤計算機體係結構、計算機科學、電子工程等相關專業的學生，以及在高性能計算、人工智能、嵌入式係統等領域工作的工程師和研究人員閱讀。

評分☆☆☆☆☆

作為一名在相關領域工作瞭幾年的工程師，我深知理論與實踐之間的鴻溝。很多時候，在課堂上或者教材裏學到的知識，在實際項目落地時會遇到各種意想不到的問題。我購買《超標量處理器設計》這本書，是希望它能提供更貼近實際工程應用的視角。我個人比較關注處理器設計中的一些工程實現細節，比如如何優化流水綫的深度，如何設計高效的取指和訪存單元，以及如何處理錯誤恢復和容錯機製。我也很想知道，在實際的設計過程中，權衡性能、功耗和麵積之間是如何進行的。這本書的書名給我一種感覺，它可能不僅僅停留在理論層麵，而是會深入到實現層麵，比如在設計中會用到哪些EDA工具，或者在芯片流片過程中會遇到哪些挑戰。雖然我不會直接拿這本書去指導我的設計工作，但我相信，它所提供的洞見和思路，能夠幫助我拓寬視野，更深刻地理解現有設計的優劣，甚至啓發我思考更優化的解決方案。畢竟，理論的最終目的還是為瞭更好的實踐。

評分☆☆☆☆☆

我之所以選擇購買這本書，很大程度上是因為“超標量”這個詞本身就帶有極高的技術含量和前沿性。我一直覺得，理解現代計算設備的底層邏輯，是深入理解整個科技發展趨勢的關鍵。我希望通過這本書，能夠係統地學習到關於超標量處理器設計的核心原理和關鍵技術。我尤其期待在書中看到對指令級並行性（ILP）的深入剖析，以及各種實現ILP的技術，如超流水綫、超長指令字（VLIW）和亂序執行。我猜測書中可能會詳細介紹各種指令調度算法，例如基於寄存器重命名和重排序緩衝區的亂序執行機製。同時，我對於指令衝突的檢測和解決，以及如何最大化執行單元的利用率，也抱有濃厚的興趣。當然，我也希望書中能夠涉及一些與超標量設計相關的配套技術，比如高性能的內存層次結構設計、多核處理器中的緩存一緻性協議，甚至是一些功耗優化和性能調試的策略。總而言之，我期待這本書能夠成為我深入瞭解高性能處理器設計領域的一扇窗口。

評分☆☆☆☆☆

我對處理器的體係結構一直充滿好奇，尤其是在“超標量”這個領域，感覺它代錶著當前處理器技術的一個重要發展方嚮。這本書的書名很直接，讓我聯想到它可能是在深入探討如何實現多條指令的並行執行。我比較想知道的是，書中對於指令預取、指令解碼、指令調度以及執行單元的劃分和設計，會有怎樣的介紹。畢竟，要實現高效的超標量處理，這些環節的優化至 মস্তি。我還對分支預測技術很感興趣，因為我知道它在避免流水綫停頓方麵起著至關重要的作用。希望這本書能夠提供一些關於不同分支預測算法的原理和優劣的對比，以及它們在超標量處理器設計中的具體應用。另外，對於現代處理器來說，緩存係統的重要性不言而喻。我希望書中能夠對多級緩存的設計、寫策略、替換算法等方麵進行詳細的闡述，以及它們如何與超標量執行相結閤，共同提升整體性能。

評分☆☆☆☆☆

老實說，我買這本書的初衷，更多的是想瞭解當前處理器技術發展的前沿動態，以及未來可能的發展方嚮。雖然我不是專業的硬件工程師，但作為一名對科技發展有著濃厚興趣的讀者，我希望能夠通過這本書，對“超標量”這個概念有更係統、更深入的理解。我理解“超標量”意味著在一個時鍾周期內執行多條指令，這背後涉及到的技術挑戰一定是巨大的。我特彆關注書中是否會深入探討那些能夠最大化指令級並行性的關鍵技術，比如多發射單元的設計、指令窗口的管理、以及如何有效地避免數據冒險和控製冒險。另外，我還在想，這本書會不會也涉及一些當前主流處理器（比如Intel的Core係列或者AMD的Ryzen係列）在超標量設計上的具體實現和權衡？當然，我知道詳細的商業秘密可能不會公開，但如果能提供一些通用的設計原則和演進思路，那就非常寶貴瞭。我希望這本書能像一位經驗豐富的老師，把我從基礎概念一步步引領到更復雜的體係結構層麵，讓我能夠清晰地認識到，是什麼讓現代處理器如此強大，以及在追求更高性能的道路上，又麵臨著哪些新的挑戰。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就很有吸引力，硬殼裝幀，紙張厚實，觸感也很好，給人一種學術研究的專業感。我一直對高性能計算的底層架構很感興趣，也曾翻閱過一些相關的書籍，但總覺得內容有些碎片化，或者過於理論化，難以觸及實際的設計層麵。這本《超標量處理器設計》雖然我還沒來得及深入閱讀，但從目錄和前言來看，它似乎能夠填補這一塊的空白。我尤其期待它在超標量指令調度、亂序執行、分支預測以及緩存一緻性等核心技術的講解上，能否提供更深入、更細緻的剖析。市麵上很多處理器設計方麵的書籍，要麼過於偏重理論模型，要麼僅介紹現有處理器的流水綫結構，而這本書的名字直接點齣瞭“設計”二字，讓我看到瞭它在揭示“如何構建”這些復雜邏輯上的潛力。我希望它能用清晰的圖示和生動的案例，將那些抽象的概念具象化，讓讀者能夠一步步理解一個高性能處理器的設計脈絡，甚至能夠從中獲得一些實際的設計思路和工程上的啓發。目前隻是初步印象，但已讓我對接下來的閱讀充滿期待。