從 CPU 架構說起

引言

CPU 是整個計算機體系結構的核心，體系結構研究 CPU 內部的結構，CPU 如何與記憶體，外設互動，如何支撐並配合作業系統。

資料主要來源：
《Linux 核心完全剖析–基於0.12核心》/ 趙炯 ¹ 著. ——機械工業出版社，2010.1
《計算機體系結構》/ 胡偉武等著. ——北京：清華大學出版社，2011.6
其他資料參見篇後附錄連結

三種 CPU 架構的介紹

• X86 （80x86）²是 intel 設計的一系列 CPU 架構的泛稱。使用 X86 架構生產CPU 的不僅有 intel 還有 AMD , AMD 首先把 X86 架構推廣到 64 位，稱為 AMD64 ，後來 intel 又推出與 AMD64 相容的 intel64 ,現在兩者一般統稱為X86-64或者X64。 intel 公司現在活得很好，這個就不必多說。intel 公司由於自己的 CPU 產品代際提升率越來越感人，像擠牙膏一樣，又被稱為牙膏廠。
• ARM 是英國 ARM 晶片設計公司設計的 CPU 架構的泛稱。習慣上稱為 ARM 架構。藉著移動裝置的東風，ARM 公司發展得很好，在 2016 年被日本軟銀以 320 億美金的價格收購 。

上面兩家公司除設計 CPU 外，還承接其他微處理器或者配件的設計業務，在技術上走在時代前列 。

• MIPS 全稱為 icroprocessor without interlocked piped stages，意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”它最早在 80 年代初由 Stanford 大學 Hennessy 教授的研究小組研製。後來 MIPS 公司成立並利用此架構生產微處理器，但在商業上不成功。MIPS 公司先後經歷了被收購，又獨立的過程，MIPS 架構也從風光走向沒落。現在，龍芯公司
  花費了 500 萬美元購買了 MIPS 的永久授權並基於 MIPS 架構開發了自己的指令集，用於龍芯系列的 CPU。

CPU的指令集

指令系統是微處理器（如 CPU , GPU , NPU ）或微控制器（如中斷控制器，磁碟控制器）對外提供的（Interface）。
有了指令集，CPU 的內部細節對使用者就不可見，流水線，指令排程，分支預測， Cache 等技術，是 CPU 內部提高指令執行效率的技術，這是 CPU 的設計者主要關心和改進的部分，而對使用指令程式設計的使用者而言則是透明的，使用者只要看懂《XXX 使用者手冊》就可以。

為了支撐作業系統核心， CPU 的指令集中提供以下功能的相關指令（包括但不限於）：

1. 記憶體管理

   用於支撐多工，虛擬記憶體，區分核心和使用者的許可權等。

2. 任務（Task）管理

   用於支撐多工等。

3. 中斷（Interruption）和異常（也作例外，Exception）處理

   用於 CPU 與外設 IO 並行，處理指令執行中可能發生的錯誤等。

在多核環境下，CPU 架構更復雜。

有些 CPU 支援超執行緒，一個物理核心對外表現為多個邏輯核心。

Intel-VTx 把 Hypervisor³ 的部分功能整合在了 CPU 當中 。

同濟大學的計算機本科教育體系

大二大三時感覺課程的設定混亂，課程之間無法銜接，是因為：

• CPU 只做了 1 / 3。也就是第 1 部分。而用於支撐現代作業系統核心的 2，3 沒有強調。
• 學了 8086 （16位）的彙編，然後學了基於 80x86 （32位）的 Unix V6++，但是做了 MIPS （32位）的 CPU，兩兩之間存在鴻溝。
• 編譯原理課上得毫無用處，老師不懂實操。
• 更加可怕的是，學生較強的自學能力反而讓教師自我感覺良好，以為授課質量沒有問題。現在課改的方向是加強核心課程的訓練，鄙校鄙系教師大都是計算機應用專業出身，典型的能力撐不起野心。