支撑处理器的技术

第 1 章 处理器与计算机系统的基础........................................1

1.1 计算机的结构......................

第 1 章 处理器与计算机系统的基础........................................1

1.1 计算机的结构............................. 2

计算机组成部分——处理器、内存、输入/输出设备.......................2

专栏处理器封装的物理结构..................................... 4

计算机使用二进制进行计算..............................4

专栏 2 值和多值非二进制不可吗？不一定！ ........................... 5

处理器——计算机的大脑，负责解释程序........................6

专栏处理器、微处理器的定义计算机最重要的组件——处理器............. 7

专栏流水线级............................. 8

专栏表示数量级的前缀............................ 10

内存——存储计算机的指令和数据........................13

输入/输出设备——计算机的眼睛、耳朵和嘴巴.............................18

北桥和南桥——逐渐淡化的称呼..............................21

1.2 支撑计算机高速化的半导体技术........................... 22

摩尔（Moore）定律——更多的晶体管，更高的并行度................22

缩放定律——晶体管的性能提升................24

源源不断的开发投资带来的半导体微型化——微型化的步伐还将长期维持.........24

提升性能的三大支柱——提高频率、并行处理和功能扩展..........25

1.3 计算机和数据表示方法........................ 26

字节、半字、字……——比特组及用途.........................26

文字编码............................................27

专栏日语与文字编码................................ 28

无符号整数与符号整数、1 的补数表示与2 的补数表示...............29

浮点小数——IEEE 754 标准...........................30

Big Endian 与Little Endian...............................32

1.4 处理器和指令........................... 34VIII

指令架构入门....................................34

机器指令——处理器的指令............................36

地址空间............................................36

专栏 AMD 和Intel 的64 位扩展架构.......................... 38

1.5 机器指令程序编写方法......................... 39

用汇编语言编程................................39

利用编译器进行高级语言编程................................40

解释语言编程....................................41

1.6 小结............................................. 43

专栏 半导体的微型化................................ 44

第2 章 处理器发展史......................................46

2.1 计算机之前的计算设备.............................. 47

算盘——最早的计算工具................................48

纳皮尔算筹（Napier's bones）——乘法辅助工具............................49

机械式计算机——Schikard 计算机、Pascaline ............50

巴贝奇的差分机——使用齿轮的超级计算机...................................52

2.2 最早的电子计算机................................. 53

最早的电子计算机——ABC 和ENIAC .................53

FUJIC——日本最早的电子计算机.....................54

2.3 处理器组成元件的变迁......................... 55

根据主要部件划分计算机的时代............................55

第1 代：真空管................................55

第2 代：晶体管................................56

第3 代：集成电路............................57

第4 代：大规模集成电路（VLSI） ...........................58

VLSI 处理器的元件数目和时钟频率的发展趋势............................61

2.4 指令架构的变迁...................................... 62

指令架构的发展之路........................62

存储程序的计算机——程序也从内存中读入...................................63

虚拟内存——更加丰富、取之不尽的内存.................64

多处理——需要改变程序的部署...............................66

TSS 与内存管理设施的登场............................67

专栏 MULTICS 之后的事.......................... 68

内存管理设施、特权管理——多用户需要解决安全问题..............68

ISA 扩展——指令架构的确立与指令兼容性的实现.......................69

2.5 微架构的发展........................... 70

微架构的发展之道............................70

流水线处理——通过流水线寄存器有效利用硬件..........................72

运算器的高速化——整数运算器、浮点数运算器..........................73

缓存——解决内存访问问题的锦囊...........................74

RISC 的出现——RISC 与CISC ...........................76

超标量执行——一个周期内执行多条指令.................. 77

乱序执行——改变指令顺序以提高性能...................78

专栏乱序执行（Out of Order）：请注意！？ ............................. 80

分支预测与投机执行——“条件分支指令”对策..........................80

多核心——耗电量的限制推动了多核心的发展..............................81

2.6 处理器的用途越来越广泛................................. 82

活跃在各种舞台的处理器................................82

节能、高可靠技术、实时性——各种各样的需求..........................83

2.7 小结............................................. 83

第 3 章 ［详解］面向编程员的处理器架构................................86

3.1 支撑微架构的技术................................. 87

流水线执行的原理——并行处理指令......................87

缓存的构造——提高内存访问速度.........................99

RISC 与CISC——定长指令与变长指令............................ 112

提高运算器的速度——处理器中因处理复杂而处理时间长的组件之一........... 116

超标量执行的原理——一个周期内并行执行多条指令................126

乱序执行的原理——减轻数据灾难的影响......................128

分支预测的原理——降低控制灾难造成的损失............................134

现代处理器会消除或减轻各种灾难以提高性能............................140

内存、I/O 与输入/输出接口..........................141

性能计数器——性能分析器和处理器内部执行状况的信息........147

3.2 架构扩展扩大了处理器的使用范围.................................. 149

多程序和内存管理设施..................................149

中断处理设施..................................155X

专栏异常、中断、陷阱——术语整理.......................................159

虚拟化支持——内存访问和内存管理设施..................................160

多媒体、加密等支持——需要大量数据的计算............................162

3.3 x86 Nehalem 架构处理器............................. 167

x86 的指令体系和Intel 64 架构.................................167

Core i7 处理器的结构.....................................175

内存管理采用4 级表......................................180

新的处理器接口QPI ......................................184

3.4 小结........................................... 185

第 4 章 虚拟化支持.........................188

4.1 虚拟化的目的和优缺点............................. 189

虚拟化的基础知识（复习）..........................189

虚拟化的目的..................................190

实现用户间强隔离——虚拟化的优点........................................190

集合多台服务器，提高运行率——虚拟化的优点...................191

VMM 运行时的额外开销——虚拟化的缺点、注意点.................193

4.2 实现虚拟化的条件............................... 194

为操作系统提供独立的（虚拟）硬件的VMM.............................195

4.3 支撑虚拟化的硬件设施............................ 196

检测硬件操作命令..........................196

硬件状态的保存和还原——切换虚拟机.................198

双重地址转换、TLB ......................................199

I/O 的虚拟化....................................203

实时迁移（Live Migration） ...............................207

4.4 小结........................................... 208

专栏 虚拟化的前世今生...........................209

第5 章 多处理器的出现和普及..........................211

5.1 多线程处理器......................... 212

线程、多线程的纷繁芜杂（!?）——首先总结一下术语..............212

多线程的两种方式..........................213

VMT 的原理——短时间内切换线程......................214

SMT 的原理——混杂执行多个线程的指令...................................216

专栏历史悠久的SMT .............................216

SMT 必需的机制.........................217

多线程的效果如何——通过Windows 任务管理器查看效果.......219

5.2 多处理器系统......................... 222

多处理器、多核心是什么意思........................222

多核心处理器的结构......................................223

专栏超多核心处理器（Many-core processor）的结构..............224

缓存一致性控制——多处理器之间缓存的一致性........................225

多插槽系统......................................231

专栏插槽还是芯片..................................234

专栏多核心时代的处理器、CPU 的含义..................................236

提高多处理器系统的性能——问题和解决方案............................238

共享内存系统和分布式内存系统...........................244

5.3 小结........................................... 246

第 6 章 处理器周边技术...............................249

6.1 内存技术.................................. 250

内存历史概览..................................250

DRAM 内存的工作原理——利用电荷存储信息...........................251

DRAM 芯片和内存DIMM............................254

DRAM 芯片的内部结构——内存单元阵列、行/列解码器、检测放大器、Bank ........256

处理器和DIMM 的连接................................258

内存系统的错误处理......................................259

6.2 连接输入/输出设备.............................. 265

处理器的I/O 连接...........................265

PCI 总线...........................................266

专栏通向 PCI 总线之路..........................267

Intel Core i 系列处理器的I/O 结构......................272

Intel PCH 的I/O 控制结构.............................273

6.3 小结........................................... 273

专栏 DRAM的刷新.................................274

第7 章 GPGPU 和超并行处理...............................276

7.1 GPGPU 的原理...................................... 277

3D 图形和GPU——需要大量计算..........................277

GPU 系统.........................................279

从GPU 到GPGPU..........................280

作为“超并行SIMD 处理器”的GPGPU......................................281

作为“超多线程处理器”的GPGPU........................283

专栏 Warp！ .............................284

GPGPU 的内存层次结构................................285

GPGPU 中的多线程需要分割使用通用寄存器..............................287

CPU 和GPGPU 的巨大不同..........................288

7.2 GPGPU 编程........................... 289

现代 GPGPU 编程...........................290

CUDA 的运行模型——线程块、网格..........................290

CUDA 中的函数声明和变量声明...............................292

OpenCL 编程...................................293

如何发挥GPGPU 的性能...............................295

7.3 小结........................................... 303

专栏 Top500 和GPU 计算....................................304

第 8 章 处理器的发展趋势..........................306

8.1 耗电量是万恶之源............................... 307

为何处理器要消耗电力..................................307

节能技术的发展..............................310

8.2 更高、更快、更强............................... 313

半导体微型化技术..........................314

如何有效利用增加的晶体管..........................315

利用部分晶体管降低生产成本....................................316

有效利用部分块不合格的芯片.........................................318

8.3 更可靠、更安全的处理器设计................ 320

为何处理器会有错误行为——故障、噪声.............................320

防止错误行为，确保安全运转......................................322

8.4 未来处理器的发展方向...................................... 323

无处不在的处理器..........................324

家电用处理器..................................324

汽车用处理器..................................324

个人计算机用处理器................................................325

智能手机用处理器..........................325

服务器用处理器..............................327

8.5 小结........................................... 329

索引...........................................................331

...

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