大話處理器

前言

推薦序序一尋寶處理器的引人入勝之旅當出版社的編輯介紹萬木楊的這本書給我時，我對書名《大話處理器》是有一定擔心的，其一：處理器和計算機的發(fā)展幾十年來風起云涌，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史遜色。一部“大話”處理器的書會不會流于一部圍繞處理器發(fā)展種種軼事的大話技術(shù)史？讀書時固然會津津樂道，興趣斐然，然而掩卷沉思后，會不會仍然無法對處理器的體系結(jié)構(gòu)有更清晰的認識？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)點和概念都值得深入討論。采用“大話”的方式能否既保證技術(shù)書籍敘述的準確性，又不至于陷入對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書籍一樣？但其后數(shù)次斷續(xù)讀稿時沉浸其中的體驗打消了我的顧慮。我?guī)状伍喿x書稿都是在出差途中（如飛機上），一個很深的體驗是一旦開始閱讀就不愿終止，一直讀到不得不將書稿收起走路為止。另一個體驗是，從任何一個間斷點，都可以把本書當作入口，去找尋別的書籍進一步深入學習其中的一些關鍵技術(shù)，就好像函數(shù)調(diào)用一般，這是我所期望的帶領讀者進入處理器世界的導游書籍，因此非常愿意向廣大的讀者推薦這本書。在技術(shù)書籍的閱讀中，我偏愛愛因斯坦闡釋的方法——“在所閱讀的書中，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?！边@就是拋掉使大腦負擔過重和把自己誘離要點的一切。萬木楊的這本書，在選材上圍繞處理器的核心技術(shù)，從計算機發(fā)展的形態(tài)、歷史展開敘述，在簡略介紹了處理器的周邊設備后，迅速深入處理器的抽象模型，以計算機軟件生態(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)，對處理器微架構(gòu)的一些核心技術(shù)，如流水線、亂序執(zhí)行、指令級并行、線程級并行、緩存結(jié)構(gòu)和算法、緩存一致性等概念，言簡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。竊以為這些章節(jié)是本書的“hardcore”，很值得一讀。在本書的寫作風格上，作者運用了很多嶄新的網(wǎng)絡元素和鮮活的比擬來厘清概念，比如用《我的兄弟叫順溜》中的順溜裝配子彈的例子來開展指令流水線的討論，既不流于表面、為舉例而舉例，又一以貫之地將每個案例充分展開、把問題說透，這樣的例子在本書中比比皆是，也是我推薦該書的原因之一。這體現(xiàn)了“拋掉使大腦負擔過重”的原則，以及作者對所敘述的技術(shù)的深度把握。沒有這種把握，是很難用好這種比擬的，反而容易變成“畫虎不成反類犬”。由于長期從事性能優(yōu)化工作，此前也出版了一本針對并行優(yōu)化指南的書，因此對本書中闡述并行處理和編寫高效代碼的章節(jié)仍覺意猶未盡，這讓我想起了兩件事：其一，我在2001年左右從事針對多核DSP的手寫匯編代碼優(yōu)化工作，就是本書里所總結(jié)的VLIW并行實現(xiàn)機制，當時一個很深的感觸是，人類大腦的并行度很低，至少在匯編這個層級，能夠持續(xù)對多個計算單元實現(xiàn)高效并行處理編程的上限恐怕就是四級并行了，人的大腦有所謂“一心不可二用”的限制，因此，此后在IA平臺上，多核、多進程一直到大規(guī)模集群的并行開發(fā)的方向就很清楚了，就是必須依賴高級語言的開發(fā)工具，支持并行實現(xiàn)的編譯器、數(shù)學庫和線程，MPI進程追蹤工具和類似Vtune這樣的指令微架構(gòu)行為的示波器，來解放人的大腦。另一方面就是開發(fā)新的并行編程模型和語言，進一步釋放多核處理器的性能。其二，在一本論述并行超級計算機體系架構(gòu)的英文專著上，我曾讀到一段話，似可借來總結(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效率、分支預測命中率等等技術(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鍵路徑。二是做得更快、更勤些，這就是處理器上更多的浮點計算單元、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，多線程和多進程的并行工作。處理器的發(fā)展，從性能上看，基本上也可以歸為上述三點，比照本書的結(jié)構(gòu)，讀者也可以做個歸納。未來的發(fā)展，我們看到了SOC的興起，我們看到CPU和GPU的混合計算，我們也看到英特爾即將推出的、針對大規(guī)模并行應用、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，“你能看見多久的過去，就能看見多遠的未來”?；仡櫛緯刑岬降哪切┮巳雱俚奶幚砥骷夹g(shù)的來龍去脈，背后的技術(shù)原因或是市場競爭要素，奇妙之處在于，處理器的技術(shù)史是我們創(chuàng)造出來的，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”，一起踏上本書尋寶處理器的引人入勝之旅！是為序。何萬青博士英特爾數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品部高性能計算/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，沒有處理器，信息產(chǎn)業(yè)大廈就如同建立在沙灘之上。
本書是一本圖文并茂、生動幽默的處理器科普讀本，全書行文風趣幽默，用類比來解釋晦澀的技術(shù)，用圖畫來代替枯燥的文字。本著科技以人為本的理念，本書除了技術(shù)外，還介紹了大量人物和公司的故事，供大家閑讀。
第1章漫游計算機世界，介紹了計算機的前世今生，以及計算機的五臟六腑、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高效代碼，處理器的客戶就是程序員，程序員在處理器上開發(fā)程序，不了解處理器怎么好意思，而對處理器了解得越深，編寫出來的代碼執(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，以后的人們說不定就能攢處理器了。第8章走進處理器的內(nèi)“芯”世界，介紹處理器芯片是怎么設計與制造出來的。
本書的主要讀者是IT、通信、電子、半導體行業(yè)的從業(yè)人員以及學生。喜歡技術(shù)的看技術(shù)，不喜歡技術(shù)的看故事。

作者簡介

萬木楊，網(wǎng)名木兮清揚，華為公司服務近6年，曾任軟件工程師、算法工程師、系統(tǒng)工程師，擅長多媒體算法設計和編寫高效代碼。
作者自2004年起開始研究多媒體算法，從語音識別，到人臉動畫，再到視頻編解碼，足跡遍布語音、圖像、視頻、3D。自2006年在DSP上編寫程序，從此開始深入研究處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，后來接觸過大量的半導體公司和處理器芯片，對處理器技術(shù)和產(chǎn)品有著深刻的理解。
 閑暇之余，作者喜愛讀書，多年來保持平均兩周一本的速度。

書籍目錄

第1章 漫游計算機世界
 1.1 計算機的前世、今生、來世
 1.2 計算機分門別類
 1.3 PC機結(jié)構(gòu)探秘
第2章 初識處理器——掀起你的蓋頭來
 2.1 處理器是怎樣工作的——處理器的硬件模型
 2.2 怎樣來使用處理器——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)展的來龍去脈
 3.3 指令集的五朵金花
 3.4 地盤之爭
 3.5 匯編語言格式——沒有規(guī)矩不成方圓
第4章 微架構(gòu)——處理器的內(nèi)心世界
 4.1 跟著順溜學流水線
 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——因時制宜
 4.4 處理器并行設計——并行，提高性能的不二法門
 4.5 指令并行（Instruction Level Parallelism）
 4.6 數(shù)據(jù)并行（Data Level Parallelism）
 4.7 線程并行（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)可尋址存儲器——軟件管理的Cache
第6章 編寫高效代碼——時間就是生命
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：插圖：佛家喜歡談三世，即前世、今生和來世。今生過得不好，那是因為前世造孽了，不過你也用不著氣餒，如果今生好好修行，來世還是可以過好日子的。杜勒魯奇說，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，來談談計算機的三世。1.1.1 計算機的誕生1.計算機之父計算機的家世很混亂，因為有3個人都被人們稱為“計算機之父”。他們分別是：查爾斯·巴貝奇（1791-1871，英國人），約翰·馮·諾依曼（1903-1957，匈牙利人，美籍），阿蘭·圖靈（1912-1954，英國人）。其中馮·諾依曼作為“計算機之父”的知名度最高。與其浪費時間爭論誰做的貢獻多一點，不如了解他們都做了哪些貢獻。央視《對話》欄目在一期節(jié)目中邀請了《功夫熊貓》的導演，當主持人稱呼他為“功夫熊貓之父”時，他謙遜地說，我更像是功夫熊貓的叔叔，很多的人一起完成了這項杰作。計算機不是一個科學發(fā)現(xiàn)，而是一個科學和工程結(jié)合的系統(tǒng)工程，是無數(shù)人共同努力的成果，因此，我們將那些做出突出貢獻的人尊稱為“計算機之叔”或“計算機之嬸”可能更為合適。

媒體關注與評論

樓主很強很油菜！　　——robotbob頂起，很直觀，很具體，樓主快點?！　　猤dxkyLZ這樣的高人應該推薦到高校做教授，那將是民族之幸哦。寫的理論透徹、根本，文字通俗簡練，語言風趣形象，好！　　——shore70希望中國多點像樓主那樣的人才！　　——davidchan110樓主真強悍，講解通俗易懂，頂一下！　　——漢江之畔真的講的好，讓我這個處理器的門外漢也產(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的。　　——我愛生活樓主，我雖然不是學數(shù)字信號處理出身，但是你的講解太偉大了。我真的手不釋卷??！快點刷新吧?！　　酗w人1234越牛的人講的東西越通俗易懂?！　　獣r光機器007寫得真好！通俗易懂，比較形象化。　　——ksyjk屬于深入學習的人才能寫出這種文字，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，在各自的領域中都能做到深入淺出，與己與人都是一筆財富！　　——yucheng_xiao呵呵，佩服樓主的專業(yè)知識是如此的給力啊！　　——xiao麥子寫的不錯，通俗易懂，樓主威武?。　　　猚aodianxin2011樓主太有創(chuàng)意了，這樣的帖子太強了！　　——lsmx01計算機是一個復雜系統(tǒng)，大量的有關這方面的書籍都是提供給專業(yè)人士的，非專業(yè)人員很難理解。萬木楊的新書《大話處理器》以通俗的方式描述了一個復雜的計算機系統(tǒng)，不僅使一般的讀者很容易地了解復雜的計算機系統(tǒng)，而且涉及到有關計算機的各個方面，對電子專業(yè)的讀者也能有很多啟發(fā)的地方。我在美國硅谷多年，感覺到除了從事計算機系統(tǒng)方面的人外，一般人對整個計算機系統(tǒng)都不太了解，但大家都天天與計算機打交道，作為一本既通俗幽默，又有一定專業(yè)深度的有關計算機系統(tǒng)的書，我相信它會吸引讀者的眼球，并對讀者使用計算機帶來益處?！　　芊遄鲕浖_發(fā)的人，或多或少都要了解一些處理器知識，尤其足嵌入式、通信等領域，不過很多人也不需要了解太專業(yè)的處理器知識，這本書就非常適合這部分讀者閱讀，作者用恰當?shù)念惐群拓S富的圖片，讓沒有專業(yè)背景的讀者也能輕松理解。　　——張武雄這本書儼然就是一本縮略版的計算機百科全書，書中幾乎介紹了計算機的方方面面，更難得的足，本來很晦澀難懂的知識一經(jīng)作者講解，就變得淺顯易懂了。　　——王爽讓處理器走下神壇，讓CPU不再神秘。泡杯茗茶，且品且讀，讓我們一起開始輕松愉快的學習之旅?！　　∑鎻氖掠螒驑I(yè)多年，見過無數(shù)游戲產(chǎn)品困擾于CPU占用率過高的問題，給游戲產(chǎn)品的推廣帶來極大的危險。本書的作者用通俗易懂的方式講述了處理器的運行規(guī)則，使得想從事游戲業(yè)或者互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的讀者更易明白軟件的運行效率。本書可謂是“開卷有益，良師益友”?！　　S邦

編輯推薦

《大話處理器:處理器基礎知識讀本》特色：國內(nèi)首本圖文并茂、生動幽默的處理器科普讀本；全面揭秘處理器核心技術(shù)；恰當、幽默的類比讓人嘆為觀止；豐富的人物、公司介紹，帶您遨游計算機、半導體世界?！洞笤捥幚砥?處理器基礎知識讀本》部分章節(jié)曾在中國第一通信社區(qū)——通信人家園論壇上連載，得到了網(wǎng)友的廣泛好評，帖子迅速被置頂、加精、進入論壇首頁，也在公司內(nèi)部被大量傳播。

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