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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

无符号整数与有符号整数、反码与补码表示法29

浮点小数——IEEE 754标准30

Big Endian与Little Endian32

1.4处理器和指令34

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、Pascaline50

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ENIAC53

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

多任务——需要改变程序的部署66

分时系统与内存管理设施的出现67

专栏MULTICS之后的事68

内存管理机构、特权态——多用户需要解决安全问题68

指令架构扩展——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

高速缓存——解决内存访问问题的锦囊74

RISC的出现——RISC与CISC76

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

分支预测与预测执行——“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]面向程序员的处理器架构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

高速缓存的构造——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——减轻数据冒险的影响128

分支预测的原理——降低控制冒险造成的损失134

现代处理器会消除或减轻各种冒险以提高性能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

多任务和内存管理机构149

中断处理机构155

专栏 异常、中断、陷阱——术语整理156

虚拟化支持——内存访问和内存管理机构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级页表180

新的处理器接口QPI184

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,提高利用率——虚拟化的优点1191

VMM运行时的额外开销——虚拟化的缺点、注意点2193

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VMM195

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、TLB199

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SMT216

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 众核处理器（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DIMM254

DRAM芯片的内部结构——内存单元阵列、行列解码器、检测放大器、Bank256

处理器和DIMM的连接258

内存系统的错误处理259

6.2输入／输出设备的连接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 Corei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GPGPU280

作为“超并行SIMD处理器”的GPGPU281

作为“超多线程处理器”的GPGPU283

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的巨大区别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耗电量是决定因素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

半导体细微化技术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