計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科重要的分支之一。它從全局的觀點(diǎn)出發(fā)，通過采用定量分析技術(shù)，建立起設(shè)計、評價、優(yōu)化計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的方法和技術(shù)。利用這些方法和技術(shù)，可有效地評價已有計算機(jī)系統(tǒng)的性能、改進(jìn)已有的系統(tǒng)設(shè)計、進(jìn)而探討新的體系結(jié)構(gòu)。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機(jī)科學(xué)工作者，特別是從事偏重于計算機(jī)硬件系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件研究的科學(xué)工作者的一門必備基礎(chǔ)。

本篇上接《芯片》，從芯片深入到CPU。本篇分三部分，第一部分接上篇介紹設(shè)計CPU的基本步驟，第二部分介紹CPU原理，第三部分介紹cache原理。

設(shè)計CPU的基本步驟

第一步竟然是matlab（或cadence）仿真（matlab真強(qiáng)大啊）。印象中matlab是可以進(jìn)行FPGA設(shè)計的，設(shè)計好還能自動轉(zhuǎn)換verilog代碼。

第二步當(dāng)然就是實(shí)際的verilog/VHDL代碼編寫了，這個過程也叫前端仿真，之前用賽靈思做通信收發(fā)機(jī)實(shí)驗(yàn)的時候印象中仿真軟件是可以根據(jù)verilog直接輸出波形的，用來進(jìn)行功能驗(yàn)證足夠了。

第三步邏輯綜合，生成實(shí)際的邏輯門電路，據(jù)說還會考慮時延。這一步里就要引入臺積電、中芯國際這種代工廠的工藝庫了，芯片設(shè)計企業(yè)拿到工藝庫后，就能根據(jù)工藝庫生成對應(yīng)的電路參數(shù)，驗(yàn)證芯片了。

第四步仿真驗(yàn)證，也叫后端仿真，這個在學(xué)校做過的，就是拿FPGA驗(yàn)證一下綜合之后的邏輯門電路。一般在學(xué)校做項目或者課題到這里就結(jié)束了，“我都已經(jīng)做出實(shí)物了，很厲害了好吧？”，其實(shí)還有一步后端設(shè)計，就是把這個燒進(jìn)FPGA的東西設(shè)計成電路板圖，加一些測試電路，進(jìn)行布局規(guī)劃等等。

（之前跟做芯片的大佬一起出差招聘，聽他們嘮嗑各種前端后端的，現(xiàn)在終于明白是做啥了。

現(xiàn)在的所謂高端芯片，核心架構(gòu)是ARM的，代工是臺積電的，設(shè)計工具是美國的，誰能告訴我芯片設(shè)計企業(yè)的核心競爭力在哪里？僅僅是離最終產(chǎn)品更近嗎？所以海思永遠(yuǎn)無法脫離華為而單獨(dú)變得偉大？）

CPU原理

在上世紀(jì)40年代，英國科學(xué)家圖靈發(fā)明了圖靈機(jī)，圖靈機(jī)由紙帶、讀寫頭、控制規(guī)則、狀態(tài)寄存器等組成，圖靈機(jī)在原理上與現(xiàn)代計算機(jī)一模一樣。下面簡單描述一下這個“原理”：

我有一個紙帶（有沒有想到高中物理牛頓力學(xué)里的紙帶？），紙帶上寫了我需要的計算比如這樣：

a = 5;

b = 1;

c = a + b;

d = a - b;

e = a * b;

f = a / b;

讀寫頭按紙帶的進(jìn)入順序讀紙帶的內(nèi)容，圖靈機(jī)里有abcdef 6個寄存器，讀到c = a + b，就需要翻譯一下去找加法操作和取a b值，把a(bǔ)和b兩個寄存器里的值和加法告訴運(yùn)算器，就輸出了一個結(jié)果保存到c里。

現(xiàn)代計算機(jī)采用了相同的原理。紙帶上的內(nèi)容叫程序，程序放到了內(nèi)存里。讀寫頭叫PC，用來從內(nèi)存里按順序讀取程序內(nèi)容，控制單元對讀到的內(nèi)容進(jìn)行譯碼分解成操作碼（加法）和操作數(shù)（a的地址），然后根據(jù)a的地址去內(nèi)存里取數(shù)據(jù)內(nèi)容，這個時候把操作碼和操作數(shù)告訴算術(shù)邏輯單元（ALU），計算出結(jié)果后回寫到內(nèi)存里。

為什么寫上面這么些廢話？因?yàn)槲乙郧安恢�道圖靈機(jī)是啥，你知道嗎？下面提一個問題，提到計算機(jī)總說源自馮諾依曼架構(gòu)，那么現(xiàn)代計算機(jī)是馮諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)嗎？這個不一定。還有一個哈弗架構(gòu)，哈弗架構(gòu)跟馮諾依曼架構(gòu)的主要區(qū)別是“是否設(shè)計了單獨(dú)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器”，如果你的計算機(jī)有單獨(dú)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，那么它就是哈弗架構(gòu)，哈弗架構(gòu)的特點(diǎn)很明顯：并行帶來速度提升，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，代表就是51單片機(jī)。現(xiàn)代高性能arm多采用混合架構(gòu)，一塊同時存儲指令和數(shù)據(jù)的內(nèi)存，但還加了單獨(dú)的指令cache和數(shù)據(jù)cache。

cache原理

既然提到cache了，最后這部分介紹cache。CPU速度按照摩爾定律指數(shù)級上漲，內(nèi)存運(yùn)行速度卻沒有相應(yīng)提升（挺奇怪的）。算了，已經(jīng)寫了1200字了，cache還挺重要的，單獨(dú)寫一篇吧。