大话处理器之第1-5章笔记

第1章漫游计算机世界

销售技巧是锦上添花，而优质的产品特性才是制胜的关键。乔布斯的秘密产品特性就是图形界面。1984年，Macintosh诞生了。

商家喜欢消耗品，不喜欢耐用品。

存储器：上世纪80年代的存储器市场是日本人的市场，不过到了90年代，PC市场异常火爆，而PC时长并不需要这么高质量的DRAM，日本公司没有反应过来，韩国和台湾公司乘势生产物美价廉的DRAM，韩国迅速成为最大的存储器生产国家。此后，韩、台在DRAM领域的相继崛起额，美国在处理器领域称霸，导致日本在半导体行业全面衰退。

在处理器行业，Intel是老大。在半导体存储器行业，三星半导体是老大。三星是最大的DRAM和闪存生产公司。

三星的成绩离不开它的执着，一个公司做存储器做了10年亏损还在做，这家公司就是三星。我们不能只见贼吃肉，不见贼挨打，三星屡战屡败，屡败屡战，终于成就了今天的巨无霸。

芯片组：上北下南，和处理器相邻的桥称为北桥，北桥下面的称为南桥。北桥负责处理器与那些需要较高通信带宽部件间的通信，主要是存储器和显卡，由于Intel Core i7处理器中集成了内存控制器，因为内存直接接在了处理器上，很多处理器没有内存控制器，那么北桥芯片则会提供内存控制器连接内存。

南桥负责处理器与较低速度部件间的接口，通常连接各种输入输出设备，比如USB、硬盘、网卡、鼠标等其它PCI设备。

近几年来，处理器中的晶体管密度有了很大的提升，以至于完全可以将芯片组的功能集成到处理器内部，这样主板的面积就减小了，计算机更小型化，封装成本也降低了。

键盘：现在用的QWERTY键盘最早来自于打字机，专家们发现，QWERTY减半的效率并不是最高，又提出了一套DVORAK的键盘。但是很多东西，人们一旦熟悉了，就不想在改变了，因此QWERTY键盘仍然占据绝对的主流。

2D显示器：在显示效果上，液晶的确实没法和等离子相比，等离子在色彩艳丽程度、亮度范围、运动时拖影效果上都好于液晶。不过等离子的更贵、更重、更耗电。

3D显示器：《阿凡达》的票房收入超过中国一年电影的票房总收入。

数字纸张：电子书市场，亚马逊、汉王、Sony等使用新的显示技术—数字纸张。数字纸张不同于LCD显示屏，它断电后可以保留信息，只是在换页时才需要耗电。因此电子书的功耗很低。电子书的显示效果和普通纸相似，光线较为自然，不像LCD显示屏这么刺眼，因此可以长时间观看。

第2章初识处理器—掀起你的盖头来

吃菜吃心，听话听音，听话要听是给谁说的。

性能和功耗是处理器最重要的两个硬指标，很难平衡。

软件兼容性：微软Vista操作系统兼容性差。

芯片成熟度：1994年，美国教授ThomasR. Nicely发现Intel Pentium处理器浮点运算单元的一个bug，让Intel损失了4.75亿美元。

第3章指令集体系结构（ISA）—处理器的外表

2009年6月15日，龙芯获得MIPS32和MIPS64Architecture的授权，使用MIPS指令集。指令集就像语言（汉语、英语等）一样，定义一套语言其实并不难，难的是你要让别人去接受你定义的语言。如果重新使用一套指令集，与之配套的编译器、操作系统、各种应用软件也都需要重新编写，这样的工作量和难度，是无法想象的。因此，使用现存的指令集及软件，也是无奈的选择。

处理器公司对外发布的指令集手册，就是使用汇编语言来描述的。

CISC：ComplexInstrucion Set Computer，复杂指令集计算机；

RISC：ReducedInstrucion Set Computer，精简指令集计算机；

由于简单指令大部分时间都能在一个cycle内完成，因此处理器的频率得以大幅提升。这个时期为了更好地实现流水线，指令集采用了定长编码，这样指令的译码过程就可以简化了。由于指令集更精简，这种思想的指令集就叫RISC指令集，以前的指令集就叫CISC指令集。RISC先驱之一StevenPrzybylski半开玩笑地把RISC定义为：“1985年之后发布的所有处理器”。ARM、MIPS、Power、DSP等都是RICS体系，其中MIPS最遵守RISC规则。

a)      IBMRISC：Power、PowerPC；

b)      BerkeleyRISC：ARM、SPARC；

c)      StanfordRISC：MIPS、Alpha；

“婚姻怎么选都是错，长久的婚姻就是将错就错。”秉承这一理念，Intel决定一条路走到黑，将兼容性进行到底，但是CISC架构很难提升性能的压力仍然摆在Intel面前。Intel在PentiumPro处理器中，使用P6微架构，将x86指令集先解码为类似于RISC指令的微操作（micro-operations，简称uops），以后的执行过程采用RISC内核，这种架构一直延续至今，成为一代经典。

CISC与RISC的优缺点与现状。

处理器/指令集呈现螺旋式的发展：逐渐做大，然后优化，然后又做大……从量变到质变，然后进入下一轮的量变和质变，只是此“质”已非彼“质”了。

处理器的两大核心技术：芯片制造工艺（32nm、22nm等），微处理器架构。

指令集：

a)      x86：硕大的大象；臃肿但高性能；Intel和AMD；

b)      ARM：稳打稳扎的蚁群；低功耗、低成本；手机市场90+%份额；高通、TI、东芝、三星；

c)      MIPS：优雅的孔雀；Broadcom、Cavium等；

d)      Power和PowerPC：昔日的贵族；性能卓越；IBM、Freescale；

e)      C6000：偏安一隅的独立王国；DSP；TI公司；

MIPS，Microprocessorwithout Interlocked Piped Stages，无内部互锁流水级微处理器；

POWER：PerformanceOptimized With Enhanced RISC

PowerPC：Power- Performance Computing；

Intel的x86处理器是使用小端字节序。存储格式：0x78563412；

指令类型：算术逻辑指令、控制指令、数据传送指令（load、store）；有了这3类指令，处理器就能完成各种复杂的计算。

寻址方式：立即数、寄存器、存储器；

汇编语言格式：机器字长、操作数个数、操作数顺序、大小端、指令类型、寻址方式；

指令集总结：兼容性、易实现、易编程、高性能；

第4章微架构—处理器的内心世界

流水线的效率问题解决方法：拆分长节拍；增加长节拍的处理单元；

执行步骤划分的越细，则每个执行步骤的时间越少，处理器的执行频率可以越高。通用CPU的流水线深度要比嵌入式处理器长，因此频率也高。流水线深度越深，处理器内部结构也越复杂。

第5章Cache—处理器的“肚量”

时间局部性（TemporalLocality）：如果某个数据被访问，那么在不久的将来它很可能再次被访问，例如循环；

空间局部性（SpatialLocality）：如果某项数据被访问，那么与它相邻的数据很可能很快就被访问，例如数组。

多核处理器的Cache结构：

Core 0

Core 1

L1P

L1D

L1P

L1D

L2

L2

L3

    

L1中，程序（Program）和数据（Data）使用各自的缓存（L1P和L1D）。而在L2中，程序和数据共用一套缓存。通常L1空间为几十K，L2空间为几百K。多核处理器中，一般每个核独享自己的L1和L2，所有的内核会共用一个大容量的L3（单核中没有L3）。

整个Cache空间被分成了N个line（Cacheline），通常是32 byte、64byte等，Cache line是Cache和内存交换数据的最小单位，每个Cache line最少会包含如下3部分：

Block中存储的是内存在Cache中缓存的数据，tag中存储的是该Cacheline对应的内存块的地址，valid表示该Cacheline中的数据块是否有效。

在x86处理器中，处理器内部的存储器全部作为Cache使用，不纳入存储空间的编址，Cache对程序员是透明的，Cache完全由处理器硬件管理。

而在DSP等性能要求很高的嵌入式处理器中，处理器内部的存储器一部分作为Cache，另一部分作为可寻址存储器，程序员可直接访问这部分空间。

缩写：

EDA，Electronic Design Automation，电子设计自动化

HDL，Hardware Description Language，硬件描述语言

IP，Intellectural Property，知识产权

PowerPC，PPC，PerformanceOptimization With Enhanced RISC – Performance Computing

SOC，System On Chip，片上系统