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CPU

通识课

目录

TOC\h\hCPU概览篇时代与机遇

\h第1节CPU时代

\h第2节CPU性能论

\h第3节人人可学CPU

\hCPU术语篇入门术语应知应会

\h第1节计算机的语言：指令集

\h第2节繁简之争：精简指令集

\h第3节第一次抽象：汇编语言

\h第4节做CPU就是做微结构

\h第5节解读功耗

\h第6节摩尔定律传奇

\h第7节通用还是专用？

\h第8节飘荡的幽灵：后门和漏洞

\hCPU原理篇现代高性能CPU架构与技术

\h第1节理论基石

\h第2节EDA神器

\h第3节开天辟地：二进制

\h第4节CPU的天职：数值运算

\h第5节流水线的奥秘

\h第6节乱序执行并不是没有秩序

\h第7节多发射和转移猜测

\h第8节包纳天地的内存

\h第9节CPU的“外交”

\hCPU系统篇由CPU组成完整计算机

\h第1节操作系统和应用的桥梁

\h第2节专用指令发挥大作用

\h第3节虚拟化：逻辑还是物理？

\h第4节可以信赖的计算

\h第5节从一个到多个：并行

\h第6节并行计算机的内存

\h第7节集大成：从CPU到计算机

\hCPU生产制造篇从电路设计到硅晶片的实现

\h第1节化设计为实物

\h第2节硅晶片的由来

\h第3节模拟元器件

\h第4节数字元器件

\h第5节交付工厂

\h第6节怎样省钱做芯片？

\h第7节明天的芯片

\hCPU家族篇经典CPU企业和型号

\h第1节从上古到战国

\h第2节巨头寻踪

\h第3节小而坚强

\h第4节世界边缘

\hCPU生态篇解密软件生态

\h第1节生态之重

\h第2节开发者的号角

\h第3节解决方案如何为王

\h第4节生态的优点

\h第5节生态的方向

\h中国CPU篇“技术—市场—技术”的历史循环

\h第1节CPU旧事

\h第2节龙的声音

\h第3节龙之生态

\h第4节未来已来

第1节

CPU时代

一个有纸、笔、橡皮擦并且坚持严格的行为准则的人，实质上就是一台通用图灵机。

——艾伦·图灵（1912—1954）

中国科学院大学2019年本科新生录取通知书里的龙芯3号CPU

信息社会的基石：CPU

CPU=运算器+控制器

计算机是一种可以执行计算功能的自动化设备。在信息社会中，无数的计算机每天都在执行大量的信息处理和计算工作，本来属于人的工作可由计算机自动完成，大大提高了社会生产力。

1946年，世界上第一台通用数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学被制造出来，标志着人类社会进入信息化时代。

按照经典的计算机结构模型，一台计算机由5大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。计算机科学先驱冯·诺依曼（又译作冯·诺伊曼）在1945年写成论文FirstDraftofaReportontheEDVAC，以101页的篇幅描述了计算机的结构模型，奠定了现代计算机的结构基础，如图1.1所示。

图1.1冯·诺依曼1945年写的论文的目录，确立了计算机的5大组成部分

冯·诺依曼体系结构是现代计算机共同的模型（见图1.2），现在已经成为每个计算机专业学生在大学必学的知识。无论是高性能的大型科学计算机，还是我们身边的台式计算机、手机，都遵从冯·诺依曼体系结构。

图1.2冯·诺依曼体系结构

抽象地讲，计算机的主要工作原理如下。

（1）5个部分之间由通信线路进行连接。

（2）要运行的任务（程序）保存在存储器（M）中。程序以连续排列的指令为单位组成，每条指令包含了一项计算操作。

（3）计算机启动后，控制器（CC）从存储器中依次读取指令，将指令包含的信息传送到运算器（CA）中，由运算器解析指令的功能、执行数值运算。

（4）指令执行时，有可能需要从外界读取要加工的数据；控制器向输入设备（I）发出消息，由输入设备把数据传送到计算机的内部。

（5）指令执行结束后，控制器可以把运算器的计算结果存入存储器；控制器也可以向输出设备（O）发出消息，由输出设备把计算结果传送到计算机的外部。

（6）控制器再从存储器中读取下一条指令并送入运算器。

（7）上述“取指令—执行指令—保存结果”的过程多次重复执行，直到程序的最后一条指令执行完成。

这样整个程序就运行结束了，计算机的使用者得到了期望的计算结果。

在实际的计算机中，运算器、控制器两部分经常被一起设计