这本书介绍了处理器的方方面面，是初学者必读书之一

第1章漫游计算机世界

你对以往知道的越多，对未来就看的越远。 --丘吉尔

如果人们不相信数学很简单，那时因为他们没有认识到生活有多复杂。--冯诺依曼

1.1计算机前世、今生、来世

1、计算机之父，3个人，最出名的是冯诺依曼，更好的称他们为“计算机之叔”

2、程序思想：计算机是织布机的后代

3、计算机第一人：巴贝奇，机械结构的计算机

4、第一位程序员：艾达拜伦，拜伦的女儿，ADA，创造子程序、循环等概念

5、图灵：储存器和指针思想，理论上证明了计算机研制的可行性

6、程序依赖性，即应用程序以来处理器和操作系统，这决定了Intel和微软的统治地位，Java和Java虚拟机的出现以及互联网浏览器的发展，使得各种服务程序对处理器和操作系统的依赖性越来越小，进而打破了Intel和微软的垄断局面，使得各大公司得以发展自己的业务。

1.2计算机分类

1、服务器

2、PC机

3、嵌入式计算机

1.3PC机结构

【CPU】-【内存条】

【CPU】-【北桥芯片】-【显卡】-【显示器】

【南桥芯片】-【硬盘/网卡/鼠标键盘】…

1、处理器

2、存储器

【CPU内核-cache缓存】-【主存】-【硬盘】

光盘，U盘，网络储存等

三星，DRAM和闪存的最大生产公司

3、主板与芯片组

北桥芯片：主要负责显卡和存储器

南桥芯片：负责处理器与较低速度部件间的接口

第2章初识处理器

1、什么是ALU？

ALU，（Arithmetic LogicUnit）算数逻辑单元，是一种硬件结构，如加法器、乘法器堆在一起

2、什么是ISA？

ISA（Instruction SetArchitecture）指令集体系结构，它将软件和硬件解耦，它包括一套指令集和一些寄存器

3、什么叫架构与微架构？

ISA被简称为Architecture（架构），是处理器的一个抽象描述，

而Microarchiteture（微架构）代表ISA在处理器中的实现，也被称为内核。

前者是设计规范，后者是设计实现方法，而物理实现就是描述处理器是怎么实现的，如可以用22nm集成电路工艺实现，也可以用45nm集成电路工艺实现。

微架构包括运算器、控制器和寄存器，如ARM Cortex、NetBurst等

4、处理器包括：内核、储存器、外设与接口

第3章指令集体系结构

1、人类语言-高级语言-汇编语言-机器语言-控制信号

2、C/C++与人类自然语言差得很远，比如实现矩阵运算要三级循环，而matlab只需一行语句，如果需要查找字段，SQL只需SELECT FROM即可，而C要大量的循环和比较。

3、RISC 精简指令集计算机，定长编码。后RISC时代指令书目为几百个，采用简单变长编码形式，效率更高

4、5种指令集：x86、ARM、MIPS、Power、C6000

5、CPU位数问题：

计算机中的位数指的是CPU一次能处理的最大位数。如32位计算机的CPU一次最多能处理32位数据，即4个字节。

6、x86是什么？

X86一种微处理器体系结构的泛称，我们把基于80x86的CPU架构称作x86架构，这是Intel公司在1978年配合第一块16位的CPU(5MHz 8086)而开发的，采用这种指令集的CPU系统被称作x86架构。这种架构有时叫作IA-32(Intel Architecture 英特尔体系结构的32位系统)，以区分AMD公司的x86架构，两公司的创始人都出自仙童半导体公司。

7、指令类型：算术逻辑指令、控制指令、数据传输指令

第4章微架构--处理器的内心世界

1、流水线：将几个步骤并行起来执行，只是时间上的错位。

3级流水线：取指IF(InstructionFetch)、译码ID(Instruction Decode)、执行EX(Execute)

5级流水线：取指IF(InstructionFetch)、译码ID(Instruction Decode)、执行EX(Execute)、内存数据读或者写MEM(Memory Access)、数据写回到通用寄存器中WB(Write Back)

2、在早起处理器中，程序和数据存储器没有分开，那么在第4个cycle中MEM和IF都需要访问存储器，这导致其中一个操作要等待，降低效率，这也是现在的处理器将程序存储在L1P Cache中，数据存储在L1D Cache中的原因之一。

3、分支预测：解决流水线中条件语句必须等条件确定再执行的弊端，采用分支预测，处理器猜测进入那个分支，进而进行取指、译码等，猜测正确就能节省时间，猜测错误从头再来。

4、乱序执行：

就是处理器可以先执行后面不依赖前面数据的指令。有关乱序执行首先需要知道指令的相关性问题，它是影响乱序执行的罪魁祸首。想要乱序执行，必须要有一个Buffer来缓存还没执行的指令，然后从这个Buffer中去调度指令的执行顺序。Buffer两大功能：去耦合和抗波动。

指令在乱序执行内核中的处理过程可分为3个步骤：顺序发射、乱序执行、顺序提交。

5、指令并行：

Superscalar：超标量处理器，在处理器内部进行指令并行化，如Intel P4 CPU，加上乱序执行，更擅长复杂的控制

VLIW：在处理器外部进行指令并行化，即由编译器完成，如TI C6000 DSP，更擅长数据的密集计算

6、数据并行：

SIMD，一条语句处理多个数据

MMX指令集：一次处理64位

SSE指令集：一次处理128位，如果图像数据每个像点8bit，那么128bit的SSE指令可以一次处理16个像素。

7、线程并行：多线程，分时复用

硬件多线程：粗粒度AAABBBA，细粒度ABABABA

超线程：Intel的SMT技术，SMT成为同时多线程，即多个线程的指令同时被发射。

8、程序、线程和进程的区别？

应用程序>进程>线程

应用程序（application）是由一个或多个相互协作的进程组成的。

进程（process）是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。它在执行过程中拥有独立的内存单元。

线程（thread）是进程中所包含的一个或多个执行单元。它只能归属于一个进程并且只能访问该进程所拥有的资源。

进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。打开资源管理器可以看到很多进程在执行。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，就好比开多个word一个崩溃不影响其他。而线程只是一个进程中的不同执行路径，线程有自己的寄存器、堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。

多线程的意义在于并发执行，即多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

9、什么是超标量？与超流水线有什么区别？

超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。这是因为现代的CPU越来越多的采用了RISC技术，所以才会超标量的CPU。

超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。

10、并行总结：

时间并行（流水线）

空间并行（指令并行、数据并行、线程并行）

11、微架构总结

处理器性能公式：程序的执行时间=程序指令数×指令执行的周期数×每周期的时间

提高程序执行效率：减少程序指令数，如SIMD技术；减少指令的执行周期数，如指令集并行技术；减少时钟周期时间，如提高处理器工作频率

商用处理器架构选择：多核+VLIW+SIMD+简单内核

第5章 Cache

1、什么是Cache？

Cache是一个缓存，介于CPU内核和内存之间，在于提高数据读取速度。方法是在处理器内部放置一些SRAM作为Cache。Cache在日常生活中很常见，比如上学背的书包。

2、Cache的层次：单核处理器的Cache分两层，L1P/L1D+L2共用；多核处理器分三层，L2分离，L3共用。

3、Cache一致性：MESI协议，MESIF协议（如Intelcore i7）

4、Cache在搬移数据时CPU闲置，DMA（内存直接存取）克服了这个缺陷

第6章编写高效代码

1、减少指令数：

降低数据精度

减少函数调用（小函数直接写成语句、小函数写成宏、声明内联函数）

空间换时间（比如开辟数组储存临时变量来代替递归算法）

2、减少处理器不擅长的操作：

少用乘法：如a*4改为a<<2

少用除法：如可以先倒数再作乘运算

将浮点数定点化：如CS烟雾弹效果中图像alpha混合

尽量减少分支，并将最可能的分支放在if中（与分支预测相关）

3、优化内存访问：

少用数组和指针：只有简单局部变量会放在寄存器中，数组指针会被放在存储器中

少用全局变量：如经常见到编程习惯inta; int temp=a;将temp在函数中使用

程序访问和数据访问符合Cache的时间性和空间性：最典型的例子是二维数组的访问，如果a[i][j]在Cache中那么a[i][j+1]一定在Cache中，但是a[i+1][j]就不一定了

自己管理内存动态分配：链表结构中，malloc和free函数耗费大量时间还有很多其他缺点，这里可以开辟一块free list空间

4、编译器能做什么？

会计算常量、表达式化简、提取公共语句、数据组织使更易于并行化

5、多线程编程是什么？

线程是处理器执行程序的基本单位，工作首先分成多个线程，进而分配到多个核上运行。需注意负载均衡、同步控制等

6、OpenMP：并行编程架构，转为共享内存系统设计，适用于多核处理器

第7章 SOC

1、应用处理器：CPU核+GPU核+DSP核+Video Engine核

CPU 中央处理器 GPU 图形处理器 DSP 数字信号处理器 Video Engine 硬件加速器

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