计算机体系结构基础——1

从 CPU 架构说起

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引言

CPU 是整个计算机体系结构的核心，体系结构研究 CPU 内部的结构，CPU 如何与内存，外设交互，如何支撑并配合操作系统。

资料主要来源：
《Linux 内核完全剖析–基于0.12内核》/ 赵炯 ¹ 著. ——机械工业出版社，2010.1
《计算机体系结构》/ 胡伟武等著. ——北京：清华大学出版社，2011.6
其他资料参见篇后附录链接

三种 CPU 架构的介绍

• X86 （80x86）²是 intel 设计的一系列 CPU 架构的泛称。使用 X86 架构生产CPU 的不仅有 intel 还有 AMD , AMD 首先把 X86 架构推广到 64 位，称为 AMD64 ，后来 intel 又推出与 AMD64 兼容的 intel64 ,现在两者一般统称为X86-64或者X64。 intel 公司现在活得很好，这个就不必多说。intel 公司由于自己的 CPU 产品代际提升率越来越感人，像挤牙膏一样，又被称为牙膏厂。
• ARM 是英国 ARM 芯片设计公司设计的 CPU 架构的泛称。习惯上称为 ARM 架构。借着移动设备的东风，ARM 公司发展得很好，在 2016 年被日本软银以 320 亿美金的价格收购 。

上面两家公司除设计 CPU 外，还承接其他微处理器或者配件的设计业务，在技术上走在时代前列 。

• MIPS 全称为 icroprocessor without interlocked piped stages，意思是“无内部互锁流水级的微处理器”它最早在 80 年代初由 Stanford 大学 Hennessy 教授的研究小组研制。后来 MIPS 公司成立并利用此架构生产微处理器，但在商业上不成功。MIPS 公司先后经历了被收购，又独立的过程，MIPS 架构也从风光走向没落。现在，龙芯公司花费了 500 万美元购买了 MIPS 的永久授权并基于 MIPS 架构开发了自己的指令集，用于龙芯系列的 CPU。

CPU的指令集

指令系统是微处理器（如 CPU , GPU , NPU ）或微控制器（如中断控制器，磁盘控制器）对外提供的（Interface）。
有了指令集，CPU 的内部细节对用户就不可见，流水线，指令调度，分支预测， Cache 等技术，是 CPU 内部提高指令执行效率的技术，这是 CPU 的设计者主要关心和改进的部分，而对使用指令编程的用户而言则是透明的，用户只要看懂《XXX 用户手册》就可以。

为了支撑操作系统内核， CPU 的指令集中提供以下功能的相关指令（包括但不限于）：

1. 内存管理

   用于支撑多任务，虚拟内存，区分内核和用户的权限等。

2. 任务（Task）管理

   用于支撑多任务等。

3. 中断（Interruption）和异常（也作例外，Exception）处理

   用于 CPU 与外设 IO 并行，处理指令执行中可能发生的错误等。

在多核环境下，CPU 架构更复杂。

有些 CPU 支持超线程，一个物理核心对外表现为多个逻辑核心。

Intel-VTx 把 Hypervisor³ 的部分功能集成在了 CPU 当中 。

同济大学的计算机本科教育体系

大二大三时感觉课程的设置混乱，课程之间无法衔接，是因为：

• CPU 只做了 1 / 3。也就是第 1 部分。而用于支撑现代操作系统内核的 2，3 没有强调。
• 学了 8086 （16位）的汇编，然后学了基于 80x86 （32位）的 Unix V6++，但是做了 MIPS （32位）的 CPU，两两之间存在鸿沟。
• 编译原理课上得毫无用处，老师不懂实操。
• 更加可怕的是，学生较强的自学能力反而让教师自我感觉良好，以为授课质量没有问题。现在课改的方向是加强核心课程的训练，鄙校鄙系教师大都是计算机应用专业出身，典型的能力撑不起野心。

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1. 目前在同济大学机械工程学院任教，这种真正懂计算机的优质人才竟然不引进到计算机系来。 ↩︎

2. Intel 公司出的一系列处理器 8086，80186，80286 ，都是16位（以及8088等变种）,而80386 80486 都是32位。从奔腾开始，已不再沿用 80586 这样的模式，因为更新太快了。但是大家习惯上都以586，686来称谓。现在的 PC 机处理器，都是向下一直兼容到8086,这些就统称为80x86在汇编语言下常提到“80x86指令集”这个术语，意思是兼容这些cpu的指令集。 ↩︎

3. 是一个运行于 CPU / 物理硬件与操作系统之间的中间层，实现方式多样 ↩︎