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| 內容簡介： |
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虽然多核现在是主流架构，但很少有教科书涵盖并行多核体系结构。本书填补了这一空白，为研究生或高级本科体系结构课程提供了所有材料，重点是多核处理器的体系结构。这本书也适合作为从事多核编程或多核芯片设计的专业人员的参考书。
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| 關於作者： |
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汤孟岩（Yan Solihin） 北卡罗来纳州立大学电子与计算机工程系教授，长期从事计算机体系结构方向的研究工作。研究兴趣包括计算机体系结构、计算机系统建模方法和图像处理，在计算机体系结构和性能建模领域发表过大量高水平论文，相关研究受到美国国家自然科学基金、Intel、IBM、Samsung、Tekelec、SunMicrosystems和HP的资助。他于2017年被选为IEEE会士，并入选了高性能计算机体系结构国际会议（HPCA）名人堂（2015年）。此外，他还长期从事计算机体系结构的教学工作，具有丰富的教学经验。创立和领导了针对性能、可靠性和安全的体系结构研究小组，并且开源了大量针对多核体系结构性能建模和性能优化的软件工具。
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| 目錄：
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译者序
前言
缩写词表
第1章 多核体系结构概述1
1.1 多核体系结构的由来2
1.2 并行计算机概述9
1.2.1 并行计算机的Flynn分类法12
1.2.2 MIMD并行计算机分类13
1.3 未来的多核体系结构14
1.4 习题18
课堂习题18
课后习题18
第2章 并行编程概述20
2.1 并行程序性能的限制因素20
2.2 并行编程模型23
2.2.1 共享存储与消息传递模型的对比25
2.2.2 一个简单的例子26
2.2.3 其他编程模型29
2.3 习题37
课后习题37
第3章 共享存储并行编程39
3.1 并行编程的步骤39
3.2 依赖分析40
3.2.1 循环级依赖分析42
3.2.2 迭代空间遍历图和循环传递依赖图42
3.3 识别循环结构中的并行任务45
3.3.1 循环迭代间的并行和DOALL并行45
3.3.2 DOACROSS：循环迭代间的同步并行46
3.3.3 循环中语句间的并行48
3.3.4 DOPIPE：循环中语句间的流水线并行50
3.4 识别其他层面的并行51
3.5 通过算法知识识别并行53
3.6 确定变量的范围55
3.6.1 私有化56
3.6.2 归约变量和操作57
3.6.3 准则58
3.7 同步59
3.8 任务到线程的映射60
3.9 线程到处理器的映射64
3.10 OpenMP概述67
3.11 习题72
课堂习题72
课后习题77
第4章 针对链式数据结构的并行编程79
4.1 LDS并行化所面临的挑战79
4.2 LDS并行化技术80
4.2.1 计算并行化与遍历80
4.2.2 针对数据结构的操作并行化82
4.3 针对链表的并行化技术89
4.3.1 读操作之间的并行89
4.3.2 LDS遍历中的并行91
4.3.3 细粒度锁方法94
4.4 事务内存98
4.5 习题99
课堂习题99
课后习题101
第5章 存储层次结构概述103
5.1 存储层次的意义103
5.2 高速缓存体系结构基础104
5.2.1 数据放置策略105
5.2.2 数据替换策略109
5.2.3 数据写策略111
5.2.4 多级高速缓存中的包含策略113
5.2.5 统一分立Banked高速缓存和高速缓存流水线117
5.2.6 高速缓存寻址和旁路转换缓冲119
5.2.7 非阻塞式高速缓存121
5.3 高速缓存性能122
5.3.1 高速缓存缺失的幂次定律124
5.3.2 栈距离特性125
5.3.3 高速缓存性能指标126
5.4 预取127
5.4.1 步长预取和顺序预取128
5.4.2 多处理器系统中的预取130
5.5 多核体系结构中的高速缓存设计130
5.6 高速缓存的物理组成131
5.6.1 集中式高速缓存131
5.6.2 分布式高速缓存133
5.6.3 混合式高速缓存133
5.7 高速缓存的逻辑组成135
5.7.1 散列函数139
5.7.2 改善共享高速缓存的距离局部性140
5.7.3 私有高速缓存结构中的容量共享141
5.8 案例分析143
5.8.1 IBM Power7的存储层次143
5.8.2 AMD Shanghai和Intel Barcelona处理器存储层次的比较146
5.9 习题148
课堂习题148
课后习题150
第6章 共享存储多处理器简介152
6.1 缓存一致性问题153
6.2 存储一致性问题155
6.3 同步问题156
6.4 习题160
课堂习题160
课后习题161
第7章 缓存一致性基础163
7.1 概述164
7.2 基于总线的多处理器缓存一致性问题168
7.2.1 “写直达”缓存的一致性协议168
7.2.2 “写回”缓存的MSI协议170
7.2.3 “写回”缓存的MESI协议175
7.2.4 “写回”缓存的MOESI协议178
7.2.5 “写回”缓存基于更新的协议183
7.3 缓存设计对缓存一致性性能的影响186
7.4 性能及其他实际问题187
7.4.1 预取和一致性缺失187
7.4.2 多级缓存187
7.4.3 侦听过滤189
7.5 点对点互连网络上的广播式协议189
7.6 习题203
课堂习题203
课后习题207
第8章 对同步的硬件支持209
8.1 锁的实现209
8.1.1 对锁实现性能的评估209
8.1.2 对原子指令的需求210
8.1.3 TS锁212
8.1.4 TTSL214
8.1.5 LLSC锁215
8.1.6 Ticket锁218
8.1.7 ABQL219
8.1.8 各种锁实现的量化比较221
8.2 栅障的实现222
8.2.1 翻转感应集中式栅障223
8.2.2 组合树栅障225
8.2.3 硬件栅障实现225
8.3 事务内存227
8.4 练习232
课堂习题232
课后习题236
第9章 存储一致性模型238
9.1 程序员的直觉238
9.2 保证顺序一致性的体系结构机制242
9.2.1 在基于总线的多处理器中基本的SC实现242
9.2.2 改善SC性能的技术244
9.3 松弛的一致性模型246
9.3.1 安全网246
9.3.2 处理器一致性246
9.3.3 弱序248
9.3.4 释放一致性250
9.3.5 惰性释放一致性253
9.4 不同存储一致性模型中的同步254
9.5 习题256
课堂习题256
课后习题260
第10章 高级缓存一致性设计262
10.1 目录式一致性协议262
10.2 目录式一致性协议概览262
10.3 目录式缓存一致性协议基础268
10.4 实现正确性和性能272
10.4.1 由目录状态不同步引起的竞争处理272
10.4.2 由对请求非实时处理引起的竞争处
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| 內容試閱：
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从大概10年前开始，处理器的设计方式发生了巨大的变化。从表面上看，似乎没有什么明显的变化：晶体管密度依然按照摩尔定律每18～24个月翻一番。但如果仔细分析，会发现很多地方都发生了显著的变化。曾经按照摩尔定律增长的处理器时钟频率开始变得停滞不前。处理器生产商开始从在管芯上设计单核处理器转向设计多核处理器，通常也被简称为多核（multicore）。这些多核芯片的发展标志了处理器行业的一个重要转变。从物理的角度来看，转向多核设计的原因在于设计更高性能（更深或更宽的流水线）的单核处理器所带来的功耗密度增长无法接受。这也是处理器设计第二次遭遇功耗的物理限制，第一次遭遇导致处理器设计由双极型晶体管全面转向采用更高功效的互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管。而这次没有可以替代CMOS晶体管的功效更高的技术，因此功耗限制需要通过体系结构的改变来解决，即从单核处理器转变为多核处理器。虽然并行体系结构已经出现了很长一段时间，但随着向多核处理器的转变，并行体系结构将会成为当代处理器的主流设计。
从处理器设计者的角度来看，理论上性能可以通过首先转向多核，之后增加管芯上的核心数来保持很长一段时间的增长。然而从编程人员的角度来看，转向多核会导致一个很重要的结果：性能的增长依赖于程序员编写并行代码的能力，以及如何调优并行代码使其具有较好的可扩展性。在多核处理器之前，程序员只需要关注增加可编程性或者编程抽象的层次，即便这样做会导致代码复杂度的增加以及执行效率的降低，因为他们知道处理器核会变得越来越快从而抵消这些不利影响。然而，现在程序员如果希望克服可编程性和抽象层次增加对性能的不利影响，需要考虑如何利用多核处理器所提供的并行优势来编写程序。换句话说，并行编程和性能调优对许多程序员而言已经成为不可或缺的能力。
尽管多核已经成为主流体系结构，但在写作本书时，市场上几乎没有任何教科书涵盖了并行多核体系结构。虽然有很多关于并行编程以及传统并行体系结构的教科书，也有一些与多核体系结构相关的特定主题的短篇讲义，但是笔者未找到完整的讲解多核体系结构的教科书。这方面的缺失促成了笔者完成本书。笔者希望本书关于多核体系结构的内容有助于当前教授计算机体系结构的教师讲授相关内容。笔者同时也希望本书能够帮助还没有教授多核体系结构的教师开设该课程。最后，笔者希望本书能够成为多核编程或者设计多核芯片的专家的工具书。
笔者在写作本书时面临一些重大的挑战。首先，微处理器技术的变化节奏非常快。本书涵盖的一些主题仍然处于不断变化中，导致笔者对相关内容进行了多次迭代。例如，在写作之初，一个典型的多核处理器包含两个处理器核并共享L2高速缓存，然而在完成本书写作时，管芯上的处理器核数量增加到了16个，并且具有更深、更复杂的存储层次。撰写变化如此之快的相关技术非常具有挑战性。此外，另一个重大的挑战是关于多核体系结构有太多的主题，单就一本教科书的厚度无法全部涵盖。因此，笔者在写作本书时需要做出决定：包含哪些主题和不包含哪些主题。因此非常遗憾，本书无法满足所有读者的需求，一些读者可能会发现他们感兴趣的主题并没有包含在内或者不够深入。然而，笔者尝试着涵盖多核体系结构中最基础的内容，并希望以此为跳板供读者继续阅读其他资料。笔者相信本书可以为读者提供预备知识，进而继续阅读多核体系结构领域的研究论文。
本书基于笔者在2009年写作并出版的《并行计算机体系结构基础：多芯片和多核系统》（Fundamentals of Parallel Computer Architecture： Multichip and Multicore Systems）。与该书相比，本书不仅扩展了所涵盖的有关多核体系结构的内容，而且将多核体系结构作为讨论的中心。
本书在写作过程中始终遵循以下理念。第一，本书的内容适用于研究生、高年级本科生，以及受过计算机科学或工程训练的专业人士。一些涉及操作系统（进程、线程、虚拟内存）和计算机组成（指令集、寄存器）的基本概念在书中只是简单提及，笔者假设读者已经了解相关基本概念。
第二，当介绍一个概念时，笔者首先构建一个场景并引导读者理解该问题，之后再引入相关概念。因此，对于有些读者来说本书的叙述可能有些烦琐，但对另一些读者来说这将有助于他们更清晰地理解相关问题和概念。
第三，除了一些特例之外，本书各章都设计得相对较短，因此读者利用一个周末完成一章的阅读并没有太大难度。笔者希望学生可以完整阅读本书，即使需要跳过本书的一些内容，也希望是跳过整章而不是一章的部分内容。为了缩短各章的长度，笔者将本书的内容分解为更多的章节（相对于本领域的典型教科书而言）。例如，关于高速缓存一致性（后文简称缓存一致性）的内容被划分为3章：第6章引出问题，第7章介绍了广播缓存一致性协议，第10章介绍了目录式缓存一致性协议和更多高级主题。
第四，笔者致力于让本书更具吸引力。一个独特的地方就是分散在本书不同地方的“你知道吗？”文本框，用于展示小的案例分析、不同的观点、例子，或者有趣的事实和讨论内容。另一个独特的地方就是在本书的最后包含了对并行多核体
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