Cache and Memory Hierarchy Design pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Morgan Kaufmann

作者:Steven A. Przybylski

出品人:

页数:223

译者:

出版时间:1990-05-15

价格:USD 104.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781558601369

丛书系列:

图书标签:

• 计算机技术
• Cache
• Memory Hierarchy
• Computer Architecture
• Performance Optimization
• Storage Systems
• Digital Design
• VLSI
• Embedded Systems
• Hardware Design
• Computer Engineering

《处理器性能优化之道：流水线、分支预测与指令级并行》 本书深入探讨现代计算机体系结构中至关重要的处理器性能优化技术，旨在为读者提供理解和掌握如何榨取处理器最大潜力的全面视角。我们将从基础的指令执行流程入手，逐步剖析导致性能瓶颈的常见因素，并详细介绍一系列先进的优化策略。 核心内容概述： 第一部分：指令流水线与吞吐率提升 指令流水线基础： 本章将详细阐述指令流水线的工作原理，包括取指、译码、执行、访存、写回等五个基本阶段。我们将解析流水线如何通过重叠执行指令来提高吞吐率，以及其内在的延迟和吞吐率的概念。 流水线冒险及其解决之道： 读者将深入了解结构冒险、数据冒险（RAW, WAR, WAW）和控制冒险。我们将重点介绍数据转发（forwarding/bypassing）、流水线停顿（stalling/pipeline bubbles）以及乱序执行（out-of-order execution）等核心技术，以及如何通过硬件机制巧妙规避这些瓶颈。 超流水线（Superpipelining）与超标量（Superscalar）技术： 本章将介绍如何通过增加流水线深度（超流水线）或在同一时钟周期内执行多条指令（超标量）来进一步提升处理器的吞吐率。我们将探讨这些技术的实现原理、对硬件设计的挑战以及相应的编译器优化策略。 第二部分：分支预测与控制流优化 分支预测的重要性： 在现代处理器中，分支指令是影响流水线效率的关键因素。本章将深入阐述分支指令对流水线造成的“控制冒险”，以及为何需要精确而高效的分支预测技术。 静态与动态分支预测： 我们将详细介绍各种分支预测方法，从简单的向前/向后分支预测、条件分支预测，到更复杂的动态分支预测技术，如基于历史记录的预测器（如二阶预测器）、局部与全局历史记录的结合、以及BTB（Branch Target Buffer）的工作原理。 分支预测的准确性与代价： 读者将了解如何评估分支预测器的性能，以及预测错误（misprediction）所带来的惩罚（penalty）。我们将探讨各种优化分支预测器以提高准确性的技术，以及在设计中权衡预测器复杂度和性能损耗的重要性。 返回地址预测（Return Address Prediction）与间接分支预测（Indirect Branch Prediction）： 对于函数调用和返回，以及间接跳转，本书也将提供深入的分析，介绍返回地址栈（RAS）和间接分支预测器如何提高这些操作的效率。 第三部分：指令级并行（ILP）与多发射 指令级并行（ILP）的概念： 本章将解释指令级并行（ILP）的核心思想，即在同一程序的不同指令之间寻找可并行的机会，并利用多发射（multiple issue）技术同时执行多条指令。 静态多发射（SMT）与动态多发射（Superscalar Execution）： 我们将深入探讨静态多发射（编译器负责调度）和动态多发射（硬件负责调度）的不同实现方式。重点将放在现代处理器广泛采用的动态多发射技术，包括功能单元（functional units）的配置、指令调度、寄存器重命名（register renaming）以及保留站（reservation stations）和重排序缓冲（reorder buffer）等关键组件。 乱序执行（Out-of-Order Execution, OOO）： 本章将详细解析乱序执行的原理，即处理器无需按照程序顺序执行指令，而是根据数据的可用性来调度指令的执行。我们将深入剖析乱序执行如何有效地利用ILP，以及其对处理器微结构设计的复杂性要求。 寄存器重命名与依赖消除： 寄存器重命名是乱序执行的关键技术之一，能有效消除WAW和WAR数据冒险。本章将详细介绍寄存器重命名的工作机制，以及它如何支持指令的乱序执行。 第四部分：处理器微结构设计与现代优化 指令预取（Instruction Prefetching）： 除了数据预取，指令预取对于保证流水线的流畅运行也至关重要。本章将介绍各种指令预取技术，包括硬件预取和编译器驱动的预取。 多核处理器与线程级并行（TLP）： 虽然本书主要关注ILP，但也将简要探讨现代处理器中的多核架构和线程级并行（TLP），以及ILP优化如何与TLP优化协同工作。 编译器优化与处理器协同： 本章将强调编译器在发挥处理器性能方面的关键作用。我们将讨论循环展开、指令调度、循环嵌套优化以及如何利用内在函数（intrinsics）等编译器技术来揭示和利用更多的ILP。 未来展望与挑战： 最后，本书将对处理器性能优化技术的未来发展趋势进行展望，包括对功耗、并行度、新兴应用的需求等方面的挑战，以及可能的解决方案。 通过对本书的学习，读者将能够深刻理解现代高性能处理器的设计原理，掌握各种优化技术如何协同工作以提升处理器性能，并为进一步研究处理器体系结构、系统设计和软件优化奠定坚实的基础。本书适合计算机体系结构、计算机科学、电子工程等相关专业的学生、研究人员以及对高性能计算感兴趣的工程师阅读。

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