具体描述
《超标量处理器设计》讲述超标量（SuperScalar）处理器的设计，现代的高性能处理器都采用了超标量结构，大至服务器和高性能PC的处理器，小至平板电脑和智能手机的处理器，无一例外。《超标量处理器设计》以超标量处理器的流水线为主线展开内容介绍。《超标量处理器设计》主要内容包括超标量处理器的背景知识、流水线、顺序执行和乱序执行两种方式的特点；Cache的一般性原理、提高Cache性能的方法以及超标量处理器中的Cache，尤其是多端口的Cache；虚拟存储器的基础知识、页表、TLB和Cache加入流水线后的工作流程；分支预测的一般性原理、在超标量处理器中使用分支预测时遇到的问题和解决方法以及如何在分支预测失败时对处理器的状态进行恢复；一般的RISC指令集体系的简单介绍；指令解码的过程，尤其是超标量处理器中的指令解码；寄存器重命名的一般性原理、重命名的方式、超标量处理器中使用寄存器重命名时遇到的问题和解决方法以及如何对寄存器重命名的过程实现状态恢复；指令的分发（Dispatch）和发射（Issue）、发射过程中的流水线、选择电路和唤醒电路的实现过程；处理器中使用的基本运算单元、旁路网络、Cluster结构以及如何对Load/Store指令的执行过程进行加速；重排序缓存（ROB）、处理器状态的管理以及超标量处理器中对异常的处理过程；经典的Alpha21264处理器的介绍。在本书中使用了一些现实世界的超标量处理器作为例子，以便于读者加深对超标量处理器的理解和认识。
《超标量处理器设计》可用作高等院校电子及计算机专业研究生和高年级本科生教材，也可供自学者阅读。
作者简介
目录信息
1.1 为什么需要超标量
1.2 普通处理器的流水线
1.2.1 流水线概述
1.2.2 流水线的划分
1.2.3 指令间的相关性
1.3 超标量处理器的流水线
1.3.1 顺序执行
1.3.2 乱序执行
第2章 Cache
2.1 Cache的一般设计
2.1.1 Cache的组成方式
2.1.2 Cache的写入
2.1.3 Cache的替换策略
2.2 提高Cache的性能
2.2.1 写缓存
2.2.2 流水线
2.2.3 多级结构
2.2.4 Victim Cache
2.2.5 预取
2.3 多端口Cache
2.3.1 True Multiport
2.3.2 Multiple Cache Copies
2.3.3 Multibanking
2.3.4 真实的例子： AMD Opteron的多端口Cache
2.4 超标量处理器的取指令
第3章 虚拟存储器
3.1 概述
3.2 地址转换
3.2.1 单级页表
3.2.2 多级页表
3.2.3 Page Fault
3.2.4 小结
3.3 程序保护
3.4 加入TLB和Cache
3.4.1 TLB的设计
3.4.2 Cache的设计
3.4.3 将TLB和Cache放入流水线
第4章 分支预测
4.1 概述
4.2 分支指令的方向预测
4.2.1 基于两位饱和计数器的分支预测
4.2.2 基于局部历史的分支预测
4.2.3 基于全局历史的分支预测
4.2.4 竞争的分支预测
4.2.5 分支预测的更新
4.3 分支指令的目标地址预测
4.3.1 直接跳转类型的分支预测
4.3.2 间接跳转类型的分支预测
4.3.3 小结
4.4 分支预测失败时的恢复
4.5 超标量处理器的分支预测
第5章 指令集体系
5.1 复杂指令集和精简指令集
5.2 精简指令集概述
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 计算指令
5.4.1 加减法
5.4.2 移位指令
5.4.3 逻辑指令
5.4.4 乘法指令
5.4.5 乘累加指令
5.4.6 特殊计算指令
5.5 分支指令
5.6 杂项指令
5.7 异常
第6章 指令解码
6.1 指令缓存
6.2 一般情况
6.3 特殊情况
6.3.1 分支指令的处理
6.3.2 乘累加/乘法指令的处理
6.3.3 前/后变址指令的处理
6.3.4 LDM/STM指令的处理
6.3.5 条件执行指令的处理
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进行寄存器重命名
7.2.2 将ARF扩展进行寄存器重命名
7.2.3 使用统一的PRF进行寄存器重命名
7.3 重命名映射表
7.3.1 基于SRAM的重命名映射表
7.3.2 基于CAM的重命名映射表
7.4 超标量处理器的寄存器重命名
7.4.1 解决RAW相关性
7.4.2 解决WAW相关性
7.5 寄存器重命名过程的恢复
7.5.1 使用Checkpoint
7.5.2 使用WALK
7.5.3 使用Architecture State
7.6 分发
第8章 发射
8.1 概述
8.1.1 集中式VS分布式
8.1.2 数据捕捉VS非数据捕捉
8.1.3 压缩VS非压缩
8.2 发射过程的流水线
8.2.1 非数据捕捉结构的流水线
8.2.2 数据捕捉结构的流水线
8.3 分配
8.4 仲裁
8.4.1 1ofM的仲裁电路
8.4.2 NofM的仲裁电路
8.5 唤醒
8.5.1 单周期指令的唤醒
8.5.2 多周期指令的唤醒
8.5.3 推测唤醒
第9章 执行
9.1 概述
9.2 FU的类型
9.2.1 ALU
9.2.2 AGU
9.2.3 BRU
9.2.4 其他FU
9.3 旁路网络
9.3.1 简单设计的旁路网络
9.3.2 复杂设计的旁路网络
9.4 操作数的选择
9.5 Cluster
9.5.1 Cluster IQ
9.5.2 Cluster Bypass
9.6 存储器指令的加速
9.6.1 Memory Disambiguation
9.6.2 非阻塞Cache
9.6.3 关键字优先
9.6.4 提前开始
第10章 提交
10.1 概述
10.2 重排序缓存
10.2.1 一般结构
10.2.2 端口需求
10.3 管理处理器的状态
10.3.1 使用ROB管理指令集定义的状态
10.3.2 使用物理寄存器管理指令集定义的状态
10.4 特殊情况的处理
10.4.1 分支预测失败的处理
10.4.2 异常的处理
10.4.3 中断的处理
10.4.4 Store指令的处理
10.4.5 指令离开流水线的限制
第11章 真实世界的例子： Alpha 21264处理器
11.1 概述
11.2 取指令和分支预测
11.2.1 line/way的预测
11.2.2 分支预测
11.3 寄存器重命名
11.4 发射
11.5 执行单元
11.5.1 整数的执行单元
11.5.2 浮点数的执行单元
11.6 存储器的访问
11.6.1 Speculative Disambiguation
11.6.2 Load hit/miss Prediction
11.7 退休
11.8 结论
参考文献
· · · · · · (收起)
读后感
评分
评分
评分
评分
用户评价
这本书的真正价值，也许在于它对“未来趋势”的洞察力，它并非仅仅是对现有技术的总结复盘，更像是一份对未来十年计算范式转变的路线预演。作者对于内存墙问题的探讨，已经超越了传统的DRAM优化范畴，而是聚焦于近存计算（Near-Memory Computing）的架构挑战，特别是如何在I/O带宽受限的情况下，设计出真正高效的片上互连网络（NoC）。书中对Mesh、Torus等拓扑结构的性能对比，清晰地展示了在三维堆叠和异构集成的大背景下，传统平面设计思路的局限性。更令人眼前一亮的是，作者大胆地引入了概率计算和类脑计算的硬件接口问题。他探讨的不是如何完美模拟神经元，而是如何构建一个能够容忍误差、并且能高效处理稀疏数据流的通用计算单元，这为那些正在探索后冯·诺依曼架构的工程师提供了极具启发性的理论基础。整本书的行文风格带着一种沉稳的学者气质，但字里行间又流露出对技术革新的强烈激情，读完后，你不会觉得你掌握了某个具体的芯片设计技巧，但你会对“如何设计下一代计算引擎”这个问题有了更深刻的敬畏和理解。
评分这部著作的视角相当独特，它没有直接深入到那些让人望而生畏的微架构细节中去，反而巧妙地搭建了一个宏观的理解框架。初读之下，你会发现作者似乎更侧重于从系统整体的性能瓶颈和资源分配的哲学层面来探讨现代计算的挑战。比如，它花费了相当大的篇幅去分析缓存一致性协议在多核环境下的实际开销，但讨论的方式不是枯燥的协议流程图，而是结合了实际应用场景中数据竞争导致的延迟惩罚，这种“以终为始”的讲解方式，对于那些希望快速抓住核心矛盾的工程师来说，无疑是一剂良药。书中对于指令集架构（ISA）的演进路线进行了深刻的反思，特别是关于RISC与CISC哲学之争在新兴异构计算单元面前所展现出的局限性，分析得鞭辟入里。它没有急于给出技术路线图，而是引导读者去思考“为什么我们需要新的指令集”，这种对底层设计动机的挖掘，比单纯罗列新的指令操作码要深刻得多。此外，关于功耗与性能的权衡，书中提出的“动态裁剪”策略，并非简单的频率调整，而是基于对实时任务负载的预测性建模，这部分内容展示了作者深厚的跨学科背景，将操作系统的调度理论与硬件资源管理进行了令人耳目一新的融合。
评分从装帧和排版来看，这本书的制作水准也值得称赞，清晰的图表和恰到好处的留白，让长时间阅读的眼睛不容易疲劳，这在技术书籍中是难得的品质。内容上，它采取了一种“螺旋上升”的讲解模式，初期引入基础概念，但随后在后续章节中，会不断地用更复杂的场景去重新审视和深化这些概念。例如，当它首次介绍乱序执行单元（OoOE）时，只是给出了一个基本的数据流图，但直到讨论到多线程并发和中断处理时，才回过头来，详细解释了重排序缓冲区（ROB）如何处理跨越多个指令周期的复杂依赖链和异常恢复逻辑。这种设计确保了读者不会因为早期对某个模块理解不深而卡住，同时也保证了随着阅读深入，知识的密度和复杂度会同步提升。书中对模拟（Analog）电路与数字逻辑接口的探讨也颇为精妙，它揭示了在信号完整性和低噪声设计方面，硬件实现的精妙妥协是如何影响到最终指令执行的准确性的，这使得读者能够跳出纯粹的算法思维，进入到物理实现的真实世界。
评分这本书的阅读体验，更像是和一位经验极其丰富的架构师进行了一场为期数周的深度研讨会，充满了挑战性的思考和富有建设性的辩论。它最大的特点在于对“设计空间探索”的强调。作者似乎更关注于为什么某一项技术被放弃，而不是仅仅罗列成功被采用的技术。例如，对于某种早期非常流行的预取算法，书中用详尽的性能模型证明了在特定I/O延迟模型下，它的边际收益递减，甚至开始引入负面开销，这使得读者能够形成一种批判性的评估视角，而不是盲目追逐“最新特性”。这种对“成本效益分析”的重视，贯穿了全书，从寄存器堆的规模选择到功能单元的互联宽度，无一不体现出对有限资源最大化利用的极致追求。读完此书，我深刻认识到，现代处理器设计远非堆砌更多的晶体管，而是一门关于“如何在约束下创造出最优涌现行为”的艺术与科学的结合体。它成功地将一个技术领域划分得层次分明，让人即便在面对复杂的系统级问题时，也能迅速定位到问题的核心逻辑层面。
评分我得说，这本书的叙事节奏把握得相当到位，它像一部精心剪辑的纪录片，通过一系列环环相扣的案例研究，将抽象的硬件概念具象化。我印象最深的是其中关于“分支预测器”的章节，它没有停留在标准的GShare或TAGE结构上做表面文章，而是深入剖析了现代编译器如何通过代码重排和指令流动分析来“欺骗”或“辅助”预测器，从而达到峰值性能的实现。这种从软件层面反向作用于硬件优化的讨论，是市面上许多纯硬件书籍所忽略的盲点。作者的笔触非常细腻，尤其是在描述流水线冒险（Hazard）的处理机制时，他引入了类比——将复杂的寄存器重命名和转发逻辑比喻成一个高度精密的物流调度中心，每个“包裹”（数据）都必须在最优时间点送达，丝毫不能造成拥堵。这种生动的比喻极大地降低了理解门槛，但又丝毫没有牺牲专业性。全书的论证逻辑如同精密的钟表机械，层层递进，逻辑链条严丝合缝，让人在阅读过程中产生一种“原来如此”的豁然开朗感，而不是被一堆术语轰炸后的疲惫。
评分三年前看的，处理器内部的工作方式、Cache、流水线等知识讲很全面。
评分三年前看的，处理器内部的工作方式、Cache、流水线等知识讲很全面。
评分三年前看的，处理器内部的工作方式、Cache、流水线等知识讲很全面。
评分好书，关于超标量处理器设计的细节以及各种方案之间的trade off讲的很清楚，有时感觉甚至过于硬核（对普通程序员来说）
评分好书，关于超标量处理器设计的细节以及各种方案之间的trade off讲的很清楚，有时感觉甚至过于硬核（对普通程序员来说）
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