支撐處理器的技術(shù)：永無止境地追求速度的世界

第1章 處理器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)
1.1 計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)組成部分——處理器、內(nèi)存、輸入/輸出設(shè)備
專欄 處理器封裝的物理結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)算
專欄 2值和多值 非二進(jìn)制不可嗎？不一定！
處理器——計(jì)算機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)解釋程序
專欄 處理器、微處理器的定義 計(jì)算機(jī)最重要的組件
——處理器
專欄 流水線級
專欄 表示數(shù)量級的前綴
內(nèi)存——存儲計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)
輸入/輸出設(shè)備——計(jì)算機(jī)的眼睛、耳朵和嘴巴
北橋和南橋——逐漸淡化的稱呼
1.2 支撐計(jì)算機(jī)高速化的半導(dǎo)體技術(shù)
摩爾（Moore）定律——更多的晶體管，更高的并行度
縮放定律——晶體管的性能提升
源源不斷的開發(fā)投資帶來的半導(dǎo)體微型化——微型化的步伐
還將長期維持
提升性能的三大支柱——提高頻率、并行處理和功能擴(kuò)展
1.3 計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)表示方法
字節(jié)、半字、字……——比特組及用途
文字編碼
專欄 日語與文字編碼
無符號整數(shù)與有符號整數(shù)、反碼與補(bǔ)碼表示法
浮點(diǎn)小數(shù)——IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)
Big Endian與Little Endian
1.4 處理器和指令
指令架構(gòu)入門
機(jī)器指令——處理器的指令
地址空間
專欄 AMD和Intel的64位擴(kuò)展架構(gòu)
1.5 機(jī)器指令程序編寫方法
用匯編語言編程
利用編譯器進(jìn)行高級語言編程
解釋語言編程
1.6 小結(jié)
專欄 半導(dǎo)體的微型化
第2章 處理器發(fā)展史
2.1 計(jì)算機(jī)之前的計(jì)算設(shè)備
算盤——最早的計(jì)算工具
納皮爾算籌（Napier＇s bones）——乘法輔助工具
機(jī)械式計(jì)算機(jī)——Schikard計(jì)算機(jī)、Pascaline
巴貝奇的差分機(jī)——使用齒輪的超級計(jì)算機(jī)
2.2 最早的電子計(jì)算機(jī)
最早的電子計(jì)算機(jī)——ABC和ENIAC
FUJIC——日本最早的電子計(jì)算機(jī)
2.3 處理器組成元件的變遷
根據(jù)主要部件劃分計(jì)算機(jī)的時(shí)代
第1代：真空管
第2代：晶體管
第3代：集成電路
第4代：大規(guī)模集成電路（VLSI）
VLSI處理器的元件數(shù)目和時(shí)鐘頻率的發(fā)展趨勢
2.4 指令架構(gòu)的變遷
指令架構(gòu)的發(fā)展之路
存儲程序的計(jì)算機(jī)——程序也從內(nèi)存中讀入
虛擬內(nèi)存——更加豐富、取之不盡的內(nèi)存
多任務(wù)——需要改變程序的部署
分時(shí)系統(tǒng)與內(nèi)存管理設(shè)施的出現(xiàn)
專欄 MULTICS之后的事
內(nèi)存管理機(jī)構(gòu)、特權(quán)態(tài)——多用戶需要解決安全問題
指令架構(gòu)擴(kuò)展——指令架構(gòu)的確立與指令兼容性的實(shí)現(xiàn)
2.5 微架構(gòu)的發(fā)展
微架構(gòu)的發(fā)展之道
流水線處理——通過流水線寄存器有效利用硬件
運(yùn)算器的高速化——整數(shù)運(yùn)算器、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算器
高速緩存——解決內(nèi)存訪問問題的錦囊
RISC的出現(xiàn)——RISC與CISC
超標(biāo)量執(zhí)行——一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行多條指令
亂序執(zhí)行——改變指令順序以提高性能
專欄 亂序執(zhí)行（Out of Order）：請注意?。?br />分支預(yù)測與預(yù)測執(zhí)行——“條件分支指令”對策
多核心——耗電量的限制推動了多核心的發(fā)展
2.6 處理器的用途越來越廣泛
活躍在各種舞臺的處理器
節(jié)能、高可靠技術(shù)、實(shí)時(shí)性——各種各樣的需求
2.7 小結(jié)
第3章 ［詳解］面向程序員的處理器架構(gòu)
3.1 支撐微架構(gòu)的技術(shù)
流水線執(zhí)行的原理——并行處理指令
高速緩存的構(gòu)造——提高內(nèi)存訪問速度
RISC與CISC——定長指令與變長指令
提高運(yùn)算器的速度——處理器中因處理復(fù)雜而處理時(shí)間長
的組件之一
超標(biāo)量執(zhí)行的原理——一個(gè)周期內(nèi)并行執(zhí)行多條指令
亂序執(zhí)行的原理——減輕數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)的影響
分支預(yù)測的原理——降低控制冒險(xiǎn)造成的損失
現(xiàn)代處理器會消除或減輕各種冒險(xiǎn)以提高性能
內(nèi)存、I/O與輸入/輸出接口
性能計(jì)數(shù)器——性能分析器和處理器內(nèi)部執(zhí)行狀況的信息
3.2 架構(gòu)擴(kuò)展擴(kuò)大了處理器的使用范圍
多任務(wù)和內(nèi)存管理機(jī)構(gòu)
中斷處理機(jī)構(gòu)
專欄 異常、中斷、陷阱——術(shù)語整理
虛擬化支持——內(nèi)存訪問和內(nèi)存管理機(jī)構(gòu)
多媒體、加密等支持——需要大量數(shù)據(jù)的計(jì)算
3.3 x86 Nehalem架構(gòu)處理器
x86的指令體系和Intel 64架構(gòu)
Core i7處理器的結(jié)構(gòu)
內(nèi)存管理采用4級頁表
新的處理器接口QPI
3.4 小結(jié)
第4章 虛擬化支持
4.1 虛擬化的目的和優(yōu)缺點(diǎn)
虛擬化的基礎(chǔ)知識（復(fù)習(xí)）
虛擬化的目的
實(shí)現(xiàn)用戶間強(qiáng)隔離——虛擬化的優(yōu)點(diǎn)
集合多臺服務(wù)器，提高利用率——虛擬化的優(yōu)點(diǎn)
VMM運(yùn)行時(shí)的額外開銷——虛擬化的缺點(diǎn)、注意點(diǎn)
4.2 實(shí)現(xiàn)虛擬化的條件
為操作系統(tǒng)提供獨(dú)立的（虛擬）硬件的VMM
4.3 支撐虛擬化的硬件設(shè)施
檢測硬件操作命令
硬件狀態(tài)的保存和還原——切換虛擬機(jī)
雙重地址轉(zhuǎn)換、TLB
I/O的虛擬化
實(shí)時(shí)遷移（Live Migration）
4.4 小結(jié)
專欄 虛擬化的前世今生
第5章 多處理器的出現(xiàn)和普及
5.1 多線程處理器
線程、多線程的紛繁蕪雜（!?）——首先總結(jié)一下術(shù)語
多線程的兩種方式
VMT的原理——短時(shí)間內(nèi)切換線程
SMT的原理——混雜執(zhí)行多個(gè)線程的指令
專欄 歷史悠久的SMT
SMT必需的機(jī)制
多線程的效果如何——通過Windows任務(wù)管理器查看效果
5.2 多處理器系統(tǒng)
多處理器、多核心是什么意思
多核心處理器的結(jié)構(gòu)
專欄 眾核處理器（Many-core processor）的結(jié)構(gòu)
緩存一致性控制——多處理器之間緩存的一致性
多插槽系統(tǒng)
專欄 插槽還是芯片
專欄 多核心時(shí)代的處理器、CPU的含義
提高多處理器系統(tǒng)的性能——問題和解決方案
共享內(nèi)存系統(tǒng)和分布式內(nèi)存系統(tǒng)
5.3 小結(jié)
第6章 處理器周邊技術(shù)
6.1 內(nèi)存技術(shù)
內(nèi)存歷史概覽
DRAM內(nèi)存的工作原理——利用電荷存儲信息
DRAM芯片和內(nèi)存DIMM
DRAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——內(nèi)存單元陣列、行/列解碼器、
檢測放大器、Bank
處理器和DIMM的連接
內(nèi)存系統(tǒng)的錯(cuò)誤處理
6.2 輸入/輸出設(shè)備的連接
處理器的I/O連接
PCI總線
專欄 通向PCI總線之路
Intel Core i系列處理器的I/O結(jié)構(gòu)
Intel PCH的I/O控制結(jié)構(gòu)
6.3 小結(jié)
專欄 DRAM的刷新第7章 GPGPU和超并行處理
7.1 GPGPU的原理
3D圖形和GPU——需要大量計(jì)算
GPU系統(tǒng)
從GPU到GPGPU
作為“超并行SIMD處理器”的GPGPU
作為“超多線程處理器”的GPGPU
專欄 Warp！
GPGPU的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)
GPGPU中的多線程需要分割使用通用寄存器
CPU和GPGPU的巨大區(qū)別
7.2 GPGPU編程
現(xiàn)代GPGPU編程
CUDA的運(yùn)行模型——線程塊、網(wǎng)格
CUDA中的函數(shù)聲明和變量聲明
OpenCL編程
如何發(fā)揮GPGPU的性能
7.3 小結(jié)
專欄 Top500和GPU計(jì)算
第8章 處理器的發(fā)展趨勢
8.1 耗電量是決定因素
為何處理器要消耗電力
節(jié)能技術(shù)的發(fā)展
8.2 更高、更快、更強(qiáng)
半導(dǎo)體細(xì)微化技術(shù)
如何有效利用增加的晶體管
利用部分晶體管降低生產(chǎn)成本
有效利用部分塊不合格的芯片
8.3 更可靠、更安全的處理器設(shè)計(jì)
為何處理器會有錯(cuò)誤行為——故障、噪聲
防止錯(cuò)誤行為，確保安全運(yùn)轉(zhuǎn)
8.4 未來處理器的發(fā)展方向
無處不在的處理器
家電用處理器
汽車用處理器
個(gè)人計(jì)算機(jī)用處理器
智能手機(jī)用處理器
服務(wù)器用處理器
8.5 小結(jié)
索引