读书专题：手把手教你设计CPU第一章【RISC-V处理器】

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1、写在前面的话

最近拿到一本书，叫做手把手教你设计CPU（RISC-V处理器），看到这个RISC的关键字，突然有些激动，可能也是因为同时在学ARM的原因吧。为此，准备仔细阅读下这书，写篇博客记录奥，这里是第一章 一文读懂CPU之三生三世。

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2、CPU的众生相

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01 指令集架构

手里有这本书的朋友，看到这大标题可能反应差不多，可能这本书偏趣味性，不知道了，继续看下。

CPU：Central Processing Unit，全称中央处理器单元，简称处理器。

CPU和Core的区别，平时我们讲的CPU通常指的是一块完整的SoC（处理器核Core+内部外设），在没有系统学习嵌入式的时候，很少有人会听到这个概念，因为习惯的原因，很多人也会把CPU误认为就是处理器核，忽略了内部外设，这是很糟糕的想法。
总之，我们平时多遇到的也是SoC（System on Chip），记住就好了。

CPU的核心-指令集架构，书上给了一张知名CPU指令集架构的诞生表，里面有吸引我的是这几个，我记录下：
Intel 8086的CPU指令集架构-1978年
ARM的CPU指令集架构–1985年
MIPS的CPU指令集架构–1985年（单字长定点指令平均执行速度）
Alpha的CPU指令集架构–1992年（阿尔法）
AMD64的CPU指令集架构（EMT64）–2003年

指令：一组处理器进行操作的最小单元（比如：加减乘除、读写存储器等）。

指令集架构：有时也说是“架构”或“处理器架构”，这个东西课本上没有定义，个人认为可以理解为在指令集（指令集合）的基础上，进一步添加一些规则之类的构成的一个层。注意，这里出现了分层的概念，简简单单的先分了三个层：硬件层、指令集架构层和软件层。
不难发现，其实位于中间一层的指令集架构实际上是对一种相似硬件的描述，只要这个指令集架构是一样的（具体硬件层的实现方案微架构性能和成本会有不同），软件都无需做任何修改地能在同一款指令集架构的处理器上去运行。
这点特别重要，因为软件是很复杂的，如果让硬件去适应软件，那么带来的第一个问题就是，硬件层出不穷，设计不便。因此，这种设计是合理的，我们需要让软件去适应硬件，在给定指令集架构的帮助下，完成对各种顶层功能的实现。

指令集架构不仅仅是一组指令的集合，它还要定义任何软件程序员需要了解的硬件信息，包括：数据类型、存储模型、软件可见的处理器状态、指令集、系统模型和外部接口（课本上有图，看着挺详细的）。

其实，从这点就不难发现，汇编语言难学的主要原因在于，我们学的时候，需要和相应的CPU指令集架构进行一对一的学习，不同指令集架构设计的CPU，汇编语言是不一样的，需要记忆的东西比较多，这里我想到了两款架构：X86和ARM。

X86架构：泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构。最早的8086处理器于1978年由Intel推出，为16位微处理器。
ARM：一个32位元精简指令集中央处理器架构。
现在我在学习的基本上都是ARM架构的，以后又没有机会去碰X86的就不知道了，也许有吧，应该也有类似点。

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02 CISC和RISC

CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer），不仅包含处理器常用的指令集，还包含了许多不常用的特殊指令，指令数目比较多，我记得好像有200多条。
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer），只包含常有处理器常有的指令，对于不常用的操作，需要通过执行多条常有指令的方式来达到同样的效果。

读到这里，我开始有些想法了，这两个概念在听朱老师的视频时，讲的特别详细。首先，Intel是CISC，ARM是RISC的，RISC的诞生其实是迫不得已的，当时那个年代，基本上都是CISC的天下，很多事情，设计CPU的人已经实现了，我们只需要在这个基础上进行指令背诵和开发就好了，而RISC不一样，CPU只实现了一小部分，很多东西，其实需要程序员自己去实现，提高了灵活性。

当时的ARM被迫设计了RISC，却收获了意想不到的成绩，因为CISC随着发展，出现了很多问题，其中最为明显的就是功耗和面积：当今社会，电子产品如果不谈功耗，基本上就是一个废品，以前还行，现在人们日常的移动设备，耗电迅速的产品很快就会被市场淘汰，要不然低功耗算法设计的相关职位，也成为现在的热门。CISC由于指令越来越多，实现的功能越来越复杂，但是实际开发过程中，可能不会用到这么多指令，按书上说的，基本上只用到了20%，剩下的80%只能说是以备不时之需啊，可这些东西都是硬件电路实现的，如果一插上电源，CPU就会运转相关的电路，难免有无需损耗的电能流失，不经耗电快，发热也快，造成CPU老化迅速，并且设计硬件的时间成本和面积都是需要着重考虑的。

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