High Performance Embedded Architectures and Compilers pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Seznec, Andre (EDT)/ Emer, Joel (EDT)/ O'Boyle, Michael (EDT)/ Martonosi, Margaret (EDT)/ Ungerer, T

出品人:

页数:436

译者:

出版时间:

价格:785.00元

装帧:

isbn号码:9783540929895

丛书系列:

图书标签:

• 嵌入式系统
• 高性能计算
• 编译器
• 体系结构
• 优化
• 代码生成
• 嵌入式软件
• 硬件软件协同设计
• 并行计算
• 低功耗设计

计算机系统设计与优化：从硬件到软件的深度剖析 本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角，探讨现代计算机系统在面对性能挑战时的设计哲学、实现技术以及优化策略。我们将聚焦于如何通过精妙的架构设计和高效的编译技术，最大化计算资源的利用率，从而驱动下一代高性能计算应用的发展。 第一部分：现代处理器架构的演进与核心原理 本部分将带领读者深入理解当代主流微处理器背后的复杂设计艺术。我们从最基本的冯·诺依依曼和哈佛架构出发，逐步过渡到现代超标量（Superscalar）和乱序执行（Out-of-Order Execution）处理器的内部结构。 第一章：流水线技术与指令级并行性（ILP） 我们将详细解析指令流水线的各个阶段——取指、译码、执行、访存和写回。重点讨论如何通过增加流水线深度来提高时钟频率，以及由此带来的结构冒险、数据冒险和控制冒险问题。为解决这些瓶颈，本书将深入探讨分支预测单元（Branch Prediction Unit）的各种高级算法，如两级预测器和基于历史的预测技术。同时，我们将剖析寄存器重命名（Register Renaming）和重排序缓冲（Reorder Buffer, ROB）在实现乱序执行和隐藏内存延迟中的关键作用。ILP的挖掘不仅仅依赖于硬件的复杂性，更需要软件（编译器）的配合，这一点将在后续章节中详细阐述。 第二章：内存层次结构与数据流管理 处理器速度的飞速发展与主存访问速度的相对滞后，使得内存墙（Memory Wall）成为性能提升的主要障碍。本章将系统地分析多级缓存系统（L1、L2、L3）的设计原理。我们将探讨缓存替换策略（如LRU、LFU、随机替换），以及如何通过数据预取（Data Prefetching）技术，在数据实际被引用前将其加载到高速缓存中。一致性协议，特别是MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）协议及其变种，是理解多核系统中数据同步和缓存一致性的基础，本章将对其进行详尽的数学建模和性能分析。此外，我们还会审视非均匀内存访问（NUMA）架构，并讨论如何通过优化内存访问模式来最小化跨域通信延迟。 第三章：向量处理与异构计算基础 随着摩尔定律的放缓，通用CPU的单核性能提升遭遇瓶颈，向量处理单元（Vector Processing Units）和专用加速器开始扮演越来越重要的角色。本章将介绍SIMD（Single Instruction, Multiple Data）指令集的演变，从早期的SSE、AVX到最新的AVX-512，分析其在数据并行任务中的应用。我们将讨论如何设计能够有效利用这些宽指令集的算法，并初步探讨GPU（图形处理器）的线程模型（如CUDA或OpenCL中的Grid/Block/Thread结构）与传统CPU模型之间的根本区别，为后续的并行程序设计打下基础。 第二部分：编译器技术：架构感知的代码生成 硬件的潜力只有通过正确的软件才能完全释放。本部分聚焦于编译器如何理解底层硬件特性，并生成高度优化的机器代码，以充分利用指令级并行性和内存层次结构。 第四章：中间表示（IR）与静态单赋值（SSA） 我们将首先深入研究编译器前端生成的中间表示（IR）。重点分析静态单赋值（SSA）形式的优势，它如何极大地简化数据流分析、常量传播和死代码消除等优化过程。本书将展示如何将复杂的控制流图（CFG）转换为SSA形式，以及如何利用SSA进行高效的寄存器分配。 第五章：指令调度与寄存器分配 这是编译器优化中直接影响执行效率的核心环节。指令调度（Instruction Scheduling）的目标是在不改变程序语义的前提下，重新排列指令的顺序，以最大化流水线利用率，避免数据依赖造成的停顿。我们将探讨基于列表调度的算法，以及如何结合硬件的特定窗口大小和延迟信息进行精确调度。紧随其后的是寄存器分配，使用图着色算法（Graph Coloring）来确定变量的最佳存放位置，并讨论溢出（Spilling）的策略，即如何将变量暂时存储到内存中，以应对有限的物理寄存器数量。 第六章：循环优化与数据流重组 大多数高性能计算应用程序的时间都消耗在循环结构中。本章将全面覆盖循环优化技术。这包括循环展开（Loop Unrolling）以增加指令级并行性，循环合并（Loop Fusion）和循环分离（Loop Fission）以改善数据局部性。最关键的是循环变换，如循环交换（Loop Interchange）、循环平铺（Loop Tiling/Blocking）和循环因子化（Loop Peeling）。这些技术的目标是确保数据尽可能停留在高速缓存中，并使数据访问模式与底层内存访问模式（如缓存行对齐）完美匹配。我们将分析这些变换对数据依赖性的影响，确保程序的正确性。 第七章：并行化编译与向量化 本部分将探讨编译器如何自动或半自动地将串行代码转换为并行代码。我们将详细研究数据依赖分析，特别是流依赖、反依赖和输出依赖，这些是决定循环是否可以安全并行化的关键因素。本书将介绍自动向量化（Auto-Vectorization）的挑战，包括如何识别适合SIMD指令的模式，以及编译器如何处理跨步访问（Strided Access）和循环依赖。对于更深层次的并行，我们将讨论OpenMP或类似模型下的并行化策略，以及编译器如何处理运行时并发控制。 第三部分：系统级性能分析与模型构建 理解系统性能不仅仅是编写代码，更重要的是测量、分析和预测。 第八章：性能度量与硬件性能计数器 要优化性能，首先必须准确地测量性能。本章将介绍使用性能分析工具（如Perf、VTune等）的基础知识。我们将深入探讨硬件性能计数器（Performance Counters）的原理，如何读取诸如指令周期数、缓存未命中率、分支预测失效率等低级事件。通过这些原始数据，我们可以计算出关键的性能指标，例如指令每周期（IPC）和有效访存延迟。 第九章：性能瓶颈识别与模型化 本章教授如何从性能数据中提取洞察力。我们将应用“性能模型”的方法论，将系统性能分解为几个相互影响的子模块——例如，处理器核的执行效率、内存带宽限制、I/O延迟等。通过识别系统瓶颈所在的“短板”，读者可以更有针对性地应用前述的编译或架构优化技术。我们将讨论 Amdahl 定律与 Gustafson 定律的应用场景，并探讨在多核系统中，如何平衡计算强度与通信开销，以实现最佳的扩展性（Scalability）。 本书的特色在于，它不是简单地描述现有技术，而是强调硬件特性与编译策略之间的“协同演化”关系。读者在读完本书后，将不仅能理解现代高性能系统的运行原理，更能掌握从算法选择、代码实现、到编译器调优的完整端到端优化流程。

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这本书的名字《High Performance Embedded Architectures and Compilers》瞬间就抓住了我的注意力，因为我一直以来都在寻找能够帮助我深入理解嵌入式领域核心技术突破的书籍。我是一名嵌入式软件工程师，日常工作中经常需要处理性能瓶颈的问题，尤其是在资源受限的环境下。我对如何从硬件架构层面去优化代码执行效率，以及编译器在其中扮演的关键角色充满了好奇。我期望这本书能够提供关于最新嵌入式处理器架构的详细解析，比如ARM、RISC-V等，重点关注它们在指令集设计、内存管理单元（MMU）、缓存层次结构以及流水线深度等方面如何支持高性能计算。同时，我也非常想了解编译器是如何利用这些硬件特性进行深度优化的，例如如何实现高效的代码生成、函数内联、死代码消除、常量折叠等经典优化技术，以及更前沿的、针对特定硬件的优化手段，比如SIMD指令的使用、自动向量化、低功耗优化等等。我猜想书中可能会包含一些理论性的模型和算法讲解，但更重要的是，我希望能看到一些实际的编程技巧和案例分析，能够直接指导我在项目中的实践。这本书在我心中，代表着一种能够解决实际问题、提升工程能力的宝贵资源。

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这本书的封面设计就给我一种强烈的技术感和专业性，深蓝色的背景搭配银白色的字体，给人一种沉静而深刻的印象。当我第一次拿到这本书的时候，就能感觉到它相当厚重，这通常意味着内容会非常充实，能够深入探讨一个主题。我一直对嵌入式系统的优化和底层编译器的原理很感兴趣，尤其是如何让这些系统在有限的资源下达到极致的性能。我设想这本书会从硬件架构的微观层面开始，比如缓存一致性、流水线技术、乱序执行等等，深入剖析不同架构的设计哲学和它们对性能的影响。然后，它可能会无缝过渡到编译器的角色，探讨编译器是如何理解和映射硬件特性的，例如指令集架构（ISA）的选择、寄存器分配的策略、循环的展开与优化、向量化以及各种高级代码转换技术。我期待书中能够有大量的图示和流程图来解释复杂的概念，并且通过实际的案例研究来展示理论如何转化为实际的性能提升。同时，我也希望它能提供一些关于如何进行性能分析和调优的实用方法论，帮助读者理解瓶颈所在，并采取有效的措施来解决。总而言之，这本书在我眼中，是一次通往高性能嵌入式世界深处探索的邀请函，充满了知识的宝藏等待发掘。

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这本书的名字《High Performance Embedded Architectures and Compilers》给我一种非常专业且深入的感觉，预示着它将探索嵌入式系统领域中最具挑战性和技术含量的部分。我一直对如何榨干硬件潜力，让代码运行得更快、更有效率充满好奇。我设想这本书会从微观的指令集层面开始，深入解析不同架构如何设计其指令集，以支持更快的指令执行速度，比如指令流水线、乱序执行、分支预测等技术，以及它们在实际应用中是如何影响性能的。在架构部分，我期待能够看到关于内存子系统优化的内容，比如缓存一致性协议、预取机制、多级缓存的设计，以及它们如何影响数据访问的延迟和吞吐量。而编译器的角色，我猜测这本书会详细阐述编译器是如何理解硬件的，以及如何通过各种复杂的算法来生成最优的机器码。这可能包括了代码重排、循环优化、向量化、以及如何利用特定的硬件特性（如SIMD指令）来加速计算。我希望书中能够提供一些具体的案例分析，展示如何在实际的嵌入式项目中，通过对架构和编译器的深刻理解，来实现性能的大幅提升，甚至可能触及一些低功耗设计与性能的平衡之道。

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我是一名对计算机体系结构和编译技术有着浓厚兴趣的学生，当我看到《High Performance Embedded Architectures and Compilers》这个书名时，就感觉它是一本能够填补我知识空白的绝佳读物。在我的学习过程中，常常会接触到各种各样的嵌入式平台，从微控制器到高性能嵌入式处理器，但对于它们背后深层次的性能优化原理，我感觉自己掌握得还不够深入。我期待这本书能够系统地介绍当前主流的高性能嵌入式处理器架构，例如ARM Cortex-A系列、RISC-V的高性能扩展，以及它们在指令级并行（ILP）、缓存层次结构、内存访问模式等方面是如何设计的，以支持更快的指令执行速度和更高的吞吐量。同时，我也对编译器如何将高级语言代码有效地转化为针对这些特定架构的机器码充满好奇。我希望书中能够详细讲解各种编译器优化技术，包括但不限于循环展开、函数内联、别名分析、指针优化、寄存器分配算法，以及如何利用SIMD和多线程技术来提升嵌入式应用的性能。我期待书中能够提供一些实际的例子，展示如何通过调整编译器选项或修改代码来获得显著的性能提升，并且最好能包含一些关于性能剖析工具和方法的介绍。

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对于《High Performance Embedded Architectures and Compilers》这本书，我首先联想到的是它所蕴含的挑战性和前沿性。在嵌入式系统领域，性能永远是绕不开的话题，而要实现真正的“高性能”，就必须深入理解底层架构的精妙之处以及编译器在其中发挥的至关重要的作用。我设想这本书会像一个向导，带领读者穿越抽象的硬件设计和复杂的编译原理。它可能会从指令集架构（ISA）的演进历史讲起，分析不同ISA的设计理念如何影响性能，比如RISC与CISC的权衡，以及现代指令集如何集成更多的高性能特性，如向量指令扩展（AVX、NEON等）。在架构部分，我期望能看到关于多核处理器、异构计算、内存带宽优化、功耗管理等关键技术如何被整合到嵌入式系统中，并且它们是如何为软件的性能表现奠定基础的。而编译器部分，我猜想它会深入探讨静态和动态编译技术，解析编译器是如何进行代码分析、中间表示生成、以及一系列复杂而精巧的优化算法，比如循环优化、数据流分析、依赖分析、并行化策略等，最终生成高度优化的机器码。我期待书中能够通过详实的理论阐述，配以清晰的图示和伪代码，来揭示这些底层机制的奥秘，从而帮助我更深刻地理解如何设计和优化嵌入式系统。

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