大話(huà)處理器

前言

推薦序序一尋寶處理器的引人入勝之旅當(dāng)出版社的編輯介紹萬(wàn)木楊的這本書(shū)給我時(shí)，我對(duì)書(shū)名《大話(huà)處理器》是有一定擔(dān)心的，其一：處理器和計(jì)算機(jī)的發(fā)展幾十年來(lái)風(fēng)起云涌，其間有天才的創(chuàng)新、看似偶然的分叉和囿于商業(yè)市場(chǎng)考量的成功與失敗，一部技術(shù)發(fā)展史絕不比波譎云詭的社會(huì)史遜色。一部“大話(huà)”處理器的書(shū)會(huì)不會(huì)流于一部圍繞處理器發(fā)展種種軼事的大話(huà)技術(shù)史？讀書(shū)時(shí)固然會(huì)津津樂(lè)道，興趣斐然，然而掩卷沉思后，會(huì)不會(huì)仍然無(wú)法對(duì)處理器的體系結(jié)構(gòu)有更清晰的認(rèn)識(shí)？其二：處理器的發(fā)展是和軟件、操作系統(tǒng)的發(fā)展互為作用的，其中很多技術(shù)點(diǎn)和概念都值得深入討論。采用“大話(huà)”的方式能否既保證技術(shù)書(shū)籍?dāng)⑹龅臏?zhǔn)確性，又不至于陷入對(duì)某些概念旁征博引的“Rathole”式的羅列，而變得像很多剪貼式編著的IT書(shū)籍一樣？但其后數(shù)次斷續(xù)讀稿時(shí)沉浸其中的體驗(yàn)打消了我的顧慮。我?guī)状伍喿x書(shū)稿都是在出差途中（如飛機(jī)上），一個(gè)很深的體驗(yàn)是一旦開(kāi)始閱讀就不愿終止，一直讀到不得不將書(shū)稿收起走路為止。另一個(gè)體驗(yàn)是，從任何一個(gè)間斷點(diǎn)，都可以把本書(shū)當(dāng)作入口，去找尋別的書(shū)籍進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，就好像函數(shù)調(diào)用一般，這是我所期望的帶領(lǐng)讀者進(jìn)入處理器世界的導(dǎo)游書(shū)籍，因此非常愿意向廣大的讀者推薦這本書(shū)。在技術(shù)書(shū)籍的閱讀中，我偏愛(ài)愛(ài)因斯坦闡釋的方法——“在所閱讀的書(shū)中，找出可以把自己引向深入的東西，把其他的一切統(tǒng)統(tǒng)拋掉。”這就是拋掉使大腦負(fù)擔(dān)過(guò)重和把自己誘離要點(diǎn)的一切。萬(wàn)木楊的這本書(shū)，在選材上圍繞處理器的核心技術(shù)，從計(jì)算機(jī)發(fā)展的形態(tài)、歷史展開(kāi)敘述，在簡(jiǎn)略介紹了處理器的周邊設(shè)備后，迅速深入處理器的抽象模型，以計(jì)算機(jī)軟件生態(tài)系統(tǒng)中最重要的指令集體系結(jié)構(gòu)ISA切入到探索處理器的微架構(gòu)，對(duì)處理器微架構(gòu)的一些核心技術(shù)，如流水線(xiàn)、亂序執(zhí)行、指令級(jí)并行、線(xiàn)程級(jí)并行、緩存結(jié)構(gòu)和算法、緩存一致性等概念，言簡(jiǎn)意賅地做了原理闡釋。而了解這些核心概念，是理解其后第六章 優(yōu)化代碼效率的基礎(chǔ)。竊以為這些章節(jié)是本書(shū)的“hardcore”，很值得一讀。在本書(shū)的寫(xiě)作風(fēng)格上，作者運(yùn)用了很多嶄新的網(wǎng)絡(luò)元素和鮮活的比擬來(lái)厘清概念，比如用《我的兄弟叫順溜》中的順溜裝配子彈的例子來(lái)開(kāi)展指令流水線(xiàn)的討論，既不流于表面、為舉例而舉例，又一以貫之地將每個(gè)案例充分展開(kāi)、把問(wèn)題說(shuō)透，這樣的例子在本書(shū)中比比皆是，也是我推薦該書(shū)的原因之一。這體現(xiàn)了“拋掉使大腦負(fù)擔(dān)過(guò)重”的原則，以及作者對(duì)所敘述的技術(shù)的深度把握。沒(méi)有這種把握，是很難用好這種比擬的，反而容易變成“畫(huà)虎不成反類(lèi)犬”。由于長(zhǎng)期從事性能優(yōu)化工作，此前也出版了一本針對(duì)并行優(yōu)化指南的書(shū)，因此對(duì)本書(shū)中闡述并行處理和編寫(xiě)高效代碼的章節(jié)仍覺(jué)意猶未盡，這讓我想起了兩件事：其一，我在2001年左右從事針對(duì)多核DSP的手寫(xiě)匯編代碼優(yōu)化工作，就是本書(shū)里所總結(jié)的VLIW并行實(shí)現(xiàn)機(jī)制，當(dāng)時(shí)一個(gè)很深的感觸是，人類(lèi)大腦的并行度很低，至少在匯編這個(gè)層級(jí)，能夠持續(xù)對(duì)多個(gè)計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)高效并行處理編程的上限恐怕就是四級(jí)并行了，人的大腦有所謂“一心不可二用”的限制，因此，此后在IA平臺(tái)上，多核、多進(jìn)程一直到大規(guī)模集群的并行開(kāi)發(fā)的方向就很清楚了，就是必須依賴(lài)高級(jí)語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)工具，支持并行實(shí)現(xiàn)的編譯器、數(shù)學(xué)庫(kù)和線(xiàn)程，MPI進(jìn)程追蹤工具和類(lèi)似Vtune這樣的指令微架構(gòu)行為的示波器，來(lái)解放人的大腦。另一方面就是開(kāi)發(fā)新的并行編程模型和語(yǔ)言，進(jìn)一步釋放多核處理器的性能。其二，在一本論述并行超級(jí)計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的英文專(zhuān)著上，我曾讀到一段話(huà)，似可借來(lái)總結(jié)處理器性能發(fā)展的方向。即，要做快、做好一件事，基本上有三種方法。一是把事情本身縮短、少做事，這就是處理器流水線(xiàn)效率、分支預(yù)測(cè)命中率等等技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)在軟件上就是更好的算法和更短的代碼關(guān)鍵路徑。二是做得更快、更勤些，這就是處理器上更多的浮點(diǎn)計(jì)算單元、更高效的緩存、新的高效指令集直到AVX這樣的高密度向量計(jì)算指令。三是讓別人去做或者和別人一起做，這就是并行，多線(xiàn)程和多進(jìn)程的并行工作。處理器的發(fā)展，從性能上看，基本上也可以歸為上述三點(diǎn)，比照本書(shū)的結(jié)構(gòu)，讀者也可以做個(gè)歸納。未來(lái)的發(fā)展，我們看到了SOC的興起，我們看到CPU和GPU的混合計(jì)算，我們也看到英特爾即將推出的、針對(duì)大規(guī)模并行應(yīng)用、集成眾核架構(gòu)的協(xié)處理模式的處理器。正如丘吉爾所言，“你能看見(jiàn)多久的過(guò)去，就能看見(jiàn)多遠(yuǎn)的未來(lái)”?；仡櫛緯?shū)中提到的那些引人入勝的處理器技術(shù)的來(lái)龍去脈，背后的技術(shù)原因或是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要素，奇妙之處在于，處理器的技術(shù)史是我們創(chuàng)造出來(lái)的，而身處其中之人卻難以知曉，那就讓我們“把其他的一切統(tǒng)統(tǒng)拋掉”，一起踏上本書(shū)尋寶處理器的引人入勝之旅！是為序。何萬(wàn)青博士英特爾數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品部高性能計(jì)算/工作站架構(gòu)師

內(nèi)容概要

處理器是IT、通信、電子產(chǎn)業(yè)的基石，沒(méi)有處理器，信息產(chǎn)業(yè)大廈就如同建立在沙灘之上。
本書(shū)是一本圖文并茂、生動(dòng)幽默的處理器科普讀本，全書(shū)行文風(fēng)趣幽默，用類(lèi)比來(lái)解釋晦澀的技術(shù)，用圖畫(huà)來(lái)代替枯燥的文字。本著科技以人為本的理念，本書(shū)除了技術(shù)外，還介紹了大量人物和公司的故事，供大家閑讀。
第1章漫游計(jì)算機(jī)世界，介紹了計(jì)算機(jī)的前世今生，以及計(jì)算機(jī)的五臟六腑、七經(jīng)八脈。第2~5章從外到內(nèi)，介紹了處理器的外表和內(nèi)心結(jié)構(gòu)，處理器的核心技術(shù)盡在于此。第6章向軟件人員介紹了怎樣編寫(xiě)高效代碼，處理器的客戶(hù)就是程序員，程序員在處理器上開(kāi)發(fā)程序，不了解處理器怎么好意思，而對(duì)處理器了解得越深，編寫(xiě)出來(lái)的代碼執(zhí)行效率就越高。第7章介紹了一大堆的處理器公司，現(xiàn)在的人們攢電腦，以后的人們說(shuō)不定就能攢處理器了。第8章走進(jìn)處理器的內(nèi)“芯”世界，介紹處理器芯片是怎么設(shè)計(jì)與制造出來(lái)的。
本書(shū)的主要讀者是IT、通信、電子、半導(dǎo)體行業(yè)的從業(yè)人員以及學(xué)生。喜歡技術(shù)的看技術(shù)，不喜歡技術(shù)的看故事。

作者簡(jiǎn)介

萬(wàn)木楊，網(wǎng)名木兮清揚(yáng)，華為公司服務(wù)近6年，曾任軟件工程師、算法工程師、系統(tǒng)工程師，擅長(zhǎng)多媒體算法設(shè)計(jì)和編寫(xiě)高效代碼。
作者自2004年起開(kāi)始研究多媒體算法，從語(yǔ)音識(shí)別，到人臉動(dòng)畫(huà)，再到視頻編解碼，足跡遍布語(yǔ)音、圖像、視頻、3D。自2006年在DSP上編寫(xiě)程序，從此開(kāi)始深入研究處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，后來(lái)接觸過(guò)大量的半導(dǎo)體公司和處理器芯片，對(duì)處理器技術(shù)和產(chǎn)品有著深刻的理解。
 閑暇之余，作者喜愛(ài)讀書(shū)，多年來(lái)保持平均兩周一本的速度。

書(shū)籍目錄

第1章 漫游計(jì)算機(jī)世界
 1.1 計(jì)算機(jī)的前世、今生、來(lái)世
 1.2 計(jì)算機(jī)分門(mén)別類(lèi)
 1.3 PC機(jī)結(jié)構(gòu)探秘
第2章 初識(shí)處理器——掀起你的蓋頭來(lái)
 2.1 處理器是怎樣工作的——處理器的硬件模型
 2.2 怎樣來(lái)使用處理器——處理器的編程模型
 2.3 處理器的分層模型
 2.4 選什么樣的處理器——適合的才是最好的
第3章 指令集體系結(jié)構(gòu)——處理器的外表
 3.1 指令集是什么
 3.2 指令集發(fā)展的來(lái)龍去脈
 3.3 指令集的五朵金花
 3.4 地盤(pán)之爭(zhēng)
 3.5 匯編語(yǔ)言格式——沒(méi)有規(guī)矩不成方圓
第4章 微架構(gòu)——處理器的內(nèi)心世界
 4.1 跟著順溜學(xué)流水線(xiàn)
 4.2 從子彈射擊到指令執(zhí)行
 4.3 從順序執(zhí)行到亂序執(zhí)行——因時(shí)制宜
 4.4 處理器并行設(shè)計(jì)——并行，提高性能的不二法門(mén)
 4.5 指令并行（Instruction Level Parallelism）
 4.6 數(shù)據(jù)并行（Data Level Parallelism）
 4.7 線(xiàn)程并行（Thread Level Parallelism）
 4.8 并行總結(jié)
 4.9 微架構(gòu)總結(jié)
第5章 Cache——處理器的“肚量”
 5.1 什么是Cache——探索既熟悉又陌生的領(lǐng)域
 5.2 處理器的Cache結(jié)構(gòu)——探索那些鮮為人知的秘密
 5.3 Cache一致性
 5.4 片內(nèi)可尋址存儲(chǔ)器——軟件管理的Cache
第6章 編寫(xiě)高效代碼——時(shí)間就是生命
第7章 SOC——吸星大法
第8章 “芯”路歷程——明明白白我的“芯”

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：佛家喜歡談三世，即前世、今生和來(lái)世。今生過(guò)得不好，那是因?yàn)榍笆涝炷趿?，不過(guò)你也用不著氣餒，如果今生好好修行，來(lái)世還是可以過(guò)好日子的。杜勒魯奇說(shuō)，從起源中理解事物，就是從本質(zhì)理解事物.我們也沾沾佛祖的光，來(lái)談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)的三世。1.1.1 計(jì)算機(jī)的誕生1.計(jì)算機(jī)之父計(jì)算機(jī)的家世很混亂，因?yàn)橛?個(gè)人都被人們稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)之父”。他們分別是：查爾斯·巴貝奇（1791-1871，英國(guó)人），約翰·馮·諾依曼（1903-1957，匈牙利人，美籍），阿蘭·圖靈（1912-1954，英國(guó)人）。其中馮·諾依曼作為“計(jì)算機(jī)之父”的知名度最高。與其浪費(fèi)時(shí)間爭(zhēng)論誰(shuí)做的貢獻(xiàn)多一點(diǎn)，不如了解他們都做了哪些貢獻(xiàn)。央視《對(duì)話(huà)》欄目在一期節(jié)目中邀請(qǐng)了《功夫熊貓》的導(dǎo)演，當(dāng)主持人稱(chēng)呼他為“功夫熊貓之父”時(shí)，他謙遜地說(shuō)，我更像是功夫熊貓的叔叔，很多的人一起完成了這項(xiàng)杰作。計(jì)算機(jī)不是一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而是一個(gè)科學(xué)和工程結(jié)合的系統(tǒng)工程，是無(wú)數(shù)人共同努力的成果，因此，我們將那些做出突出貢獻(xiàn)的人尊稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)之叔”或“計(jì)算機(jī)之?huà)稹笨赡芨鼮楹线m。

媒體關(guān)注與評(píng)論

樓主很強(qiáng)很油菜！　　——robotbob頂起，很直觀，很具體，樓主快點(diǎn)?！　　猤dxkyLZ這樣的高人應(yīng)該推薦到高校做教授，那將是民族之幸哦。寫(xiě)的理論透徹、根本，文字通俗簡(jiǎn)練，語(yǔ)言風(fēng)趣形象，好！　　——shore70希望中國(guó)多點(diǎn)像樓主那樣的人才！　　——davidchan110樓主真強(qiáng)悍，講解通俗易懂，頂一下！　　——漢江之畔真的講的好，讓我這個(gè)處理器的門(mén)外漢也產(chǎn)生了興趣！　　——tian_mengguang要是做總的軟件架構(gòu)工作，你一定能成為大師級(jí)的?！　　覑?ài)生活樓主，我雖然不是學(xué)數(shù)字信號(hào)處理出身，但是你的講解太偉大了。我真的手不釋卷啊！快點(diǎn)刷新吧。　　——中飛人1234越牛的人講的東西越通俗易懂。　　——時(shí)光機(jī)器007寫(xiě)得真好！通俗易懂，比較形象化?！　　猭syjk屬于深入學(xué)習(xí)的人才能寫(xiě)出這種文字，現(xiàn)在太需要這樣的人才了，更希望看到的朋友也別顧著只叫好，大家以大俠為榜樣，在各自的領(lǐng)域中都能做到深入淺出，與己與人都是一筆財(cái)富！　　——yucheng_xiao呵呵，佩服樓主的專(zhuān)業(yè)知識(shí)是如此的給力??！　　——xiao麥子寫(xiě)的不錯(cuò)，通俗易懂，樓主威武?。　　　猚aodianxin2011樓主太有創(chuàng)意了，這樣的帖子太強(qiáng)了！　　——lsmx01計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，大量的有關(guān)這方面的書(shū)籍都是提供給專(zhuān)業(yè)人士的，非專(zhuān)業(yè)人員很難理解。萬(wàn)木楊的新書(shū)《大話(huà)處理器》以通俗的方式描述了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不僅使一般的讀者很容易地了解復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而且涉及到有關(guān)計(jì)算機(jī)的各個(gè)方面，對(duì)電子專(zhuān)業(yè)的讀者也能有很多啟發(fā)的地方。我在美國(guó)硅谷多年，感覺(jué)到除了從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面的人外，一般人對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不太了解，但大家都天天與計(jì)算機(jī)打交道，作為一本既通俗幽默，又有一定專(zhuān)業(yè)深度的有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的書(shū)，我相信它會(huì)吸引讀者的眼球，并對(duì)讀者使用計(jì)算機(jī)帶來(lái)益處?！　　芊遄鲕浖_(kāi)發(fā)的人，或多或少都要了解一些處理器知識(shí)，尤其足嵌入式、通信等領(lǐng)域，不過(guò)很多人也不需要了解太專(zhuān)業(yè)的處理器知識(shí)，這本書(shū)就非常適合這部分讀者閱讀，作者用恰當(dāng)?shù)念?lèi)比和豐富的圖片，讓沒(méi)有專(zhuān)業(yè)背景的讀者也能輕松理解?！　　獜埼湫圻@本書(shū)儼然就是一本縮略版的計(jì)算機(jī)百科全書(shū)，書(shū)中幾乎介紹了計(jì)算機(jī)的方方面面，更難得的足，本來(lái)很晦澀難懂的知識(shí)一經(jīng)作者講解，就變得淺顯易懂了?！　　跛屘幚砥髯呦律駢?，讓CPU不再神秘。泡杯茗茶，且品且讀，讓我們一起開(kāi)始輕松愉快的學(xué)習(xí)之旅?！　　∑鎻氖掠螒驑I(yè)多年，見(jiàn)過(guò)無(wú)數(shù)游戲產(chǎn)品困擾于CPU占用率過(guò)高的問(wèn)題，給游戲產(chǎn)品的推廣帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。本書(shū)的作者用通俗易懂的方式講述了處理器的運(yùn)行規(guī)則，使得想從事游戲業(yè)或者互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)的讀者更易明白軟件的運(yùn)行效率。本書(shū)可謂是“開(kāi)卷有益，良師益友”?！　　S邦

編輯推薦

《大話(huà)處理器:處理器基礎(chǔ)知識(shí)讀本》特色：國(guó)內(nèi)首本圖文并茂、生動(dòng)幽默的處理器科普讀本；全面揭秘處理器核心技術(shù)；恰當(dāng)、幽默的類(lèi)比讓人嘆為觀止；豐富的人物、公司介紹，帶您遨游計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體世界?！洞笤?huà)處理器:處理器基礎(chǔ)知識(shí)讀本》部分章節(jié)曾在中國(guó)第一通信社區(qū)——通信人家園論壇上連載，得到了網(wǎng)友的廣泛好評(píng)，帖子迅速被置頂、加精、進(jìn)入論壇首頁(yè)，也在公司內(nèi)部被大量傳播。

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