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上篇 程序设计制作CPU 计算机是人类智慧的最高结晶，CPU 是这种智慧结晶的核心。我们只有掌握了 CPU 的 设计制作技术，才能说真正掌握了计算机。计算机电子电路设计最基本的方法是原理图，这 种设计方法不仅要掌握计算机的理论和方法，而且要深刻理解电子电路的相关知识和技术。 原理图设计方法对搞软件设计为主的人来说，有一定的难度。近些年发展起来的硬件编程语 言，在很大程度上降低了设计者对硬件电路细节的设计要求，通过电子设计自动化 EDA （Electronic Design Automation ）软件，就能够开发出一些硬件产品，这大大降低了电子电路 的设计难度，非常受电子市场产品的设计制造者欢迎。EDA 软件的设计者将常用的基本电子 电路，做成了可以直接用编程语言描述的元器件，EDA 软件使用者在不很了解元器件结构细 节的情况下，就可以拿来组织自己的较为更复杂的电路，从而简便了电子电路的设计。不太 懂原理图设计的人开始接触CPU 设计，当然最好是从编程的方法入手，待有了一定的基础之 后，再深入研究原理图设计方法，深刻地去探求CPU 设计的电子电路实现问题更好。 本篇我们假定读者有 c 语言设计经验，在懂得计算机基础知识的基础上，以硬件设计语 言Verilog HDL 为主，通过编程的方法引领读者快速地进入计算机CPU 设计的天地，引领读 者学会用编程方法设计 CPU 和制作简单的计算机。如果需要首先了解原理图设计 CPU 的方 法，请直接阅读中篇的相关内容。 第1章 自己就能设计制造CPU 几年前我曾劝别人与我一起搞 CPU 设计，但那时得到的回答：“搞 CPU 设计？水太深 了！” 计算机是信息世界的佼佼者，计算机的CPU 使人感到奥妙高深，神秘莫测。如今的计算 机CPU 除了包含运算器、控制器之外，还包含有高速缓存cache 存储器，是计算机智能的核 心，所以又被称为核。我国把与计算机相关的信息产业叫高新技术产业，这无形当中更增加 了人们对计算机 CPU 设计制作的神秘程度。能够设计制作 CPU，无疑是每一个学习计算机 技术的人向往的事情。一个人自己可以设计制造CPU 吗？若干年前，这个问题的回答是否定 的。如今则不同了，我以我设计制作计算机CPU 的经历和经验，可以完全肯定地告诉你，这 现在不仅能够作到，而且能够作得很好。 由于超大规模集成电路技术的发展，近十几年出现了现场可编程阵列器件 FPGA ，这实 电子电路的设计工作一下子从“刀耕火种”的时代摆脱出来，从众人一起从事CPU 设计制造 的大协作时期，进入了个人设计制造复杂的 CPU 时代。你不信吗？作为被称为人类 “高科 技”的计算机 CPU 设计制造，被我三言两语轻松地说 “自己能够制造”，这未免有些吹牛了 吧？如果你有c 程序设计的基础，又是一个确实想要探求计算机的核心部件CPU 设计制造的 人，就不妨通过本书同我一起去制造几个CPU 试试吧。 1.1 自己设计制作CPU 有啥意义？ 我国真正普遍应用计算机还是在上世纪 80 年代，那时多数人都缺乏对计算机的全面认 1 识，认为买计算机就如同买汽车一样，买回来用就是了。因而从上到下都把主要精力放在了 软件方面，再加上我国集成电路技术方面的落后，因而在计算机核心设计方面没有多大的发 展。直到 21 世纪初，我们才有了自己设计制造计算机核心部件 CPU 的打算，但是多数都在 仿造美国的设计，根本谈不上独立的创新设计。我国之所以到21 世纪初才进入了计算机核心 设计，其关键的问题是缺乏缺乏进行计算机核心设计的硬件条件。1945 年第一台电子计算机 用的是电子管制作的，这台计算机的体积有一座楼房那么大。以后即使有了晶体管和印刷电 路技术，计算机仍然不能普遍地应用，包括国外也只是在一些科研单位和重要部门使用。至 于我国就更是谈不上应用计算机的普及问题了，加之我国又经历了 “文化大革命”，计算机基 础的薄弱就更凸现出来了。文革后期，由清华大学、北京无线电三厂、天津无线电技术研究 所、江苏无线电厂、苏州无线电厂、中国科学院原子能研究所、上海师范大学、上海无