CPU 通識課

中央處理器（CPU）是電腦中最重要的芯片。CPU的設計和製造水平是一個國家信息技術實力的象徵，產業生態的構建需要培養更多掌握CPU技術原理的高端人才。本書基於龍芯CPU團隊在20年間積累的技術和經驗，從CPU概覽篇、CPU術語篇、CPU原理篇、CPU系統篇、CPU生產製造篇、CPU家族篇、CPU生態篇、中國CPU篇八大板塊剖析CPU，生動有趣地講解了CPU的基礎概念、核心原理、生產製造及產業生態，更解讀了龍芯CPU的研發歷史、核心特色和生態建設經驗，讓讀者循序漸進地進入CPU的殿堂。

靳国杰

博士后，高级工程师。现任龙芯中科技术股份有限公司总裁助理。曾任龙芯 Java 虚拟机团队、Loongnix 操作系统团队、应用生态团队负责人。业务领域包括龙芯系统软件、龙芯信息化生态建设和市场推广。发表学术论文 20 篇，龙芯软件生态推广文章 30 余篇，申请发明专利 40 项。

 

张戈

博士，教授级高工。现任龙芯中科技术股份有限公司副总裁，中国计算机学会体系结构专业委员会委员。长期从事龙芯处理器的研发、管理、市场与产业化工作，曾主持核高基、国家自然科学基金、863 计划等多个国家级课题，并获得中国计算机学会“科技进步奖”一等奖。

CPU概覽篇 時代與機遇

第 1節 CPU時代

信息社會的基石：CPU

電腦之心：CPU在電腦中的地位

從大到小：CPU外觀的變化

國之重器：CPU為什麽成為信息技術的焦點

CPU分成哪些種類？

微觀巨系統：為什麽說CPU是世界難題？

第 2節 CPU性能論

CPU怎樣運行軟件？

主頻越高，性能就越高嗎？

為什麽MIPS和MFLOPS不能代表性能？

面向問題的性能評價標準：SPEC CPU

性能測試工具的局限性

不推薦的測試集：UnixBench

第3節 人人可學CPU

從簡單到復雜：CPU的進化

CPU技術在電腦科學中的地位

我不需要做CPU，為什麽還要學習CPU？

開源CPU哪裡找？

 

CPU術語篇 入門術語應知應會

第 1節 電腦的語言：指令集

軟件編碼規範：什麽是指令集？

什麽是指令集的兼容性？

為什麽指令集要向下兼容？

為什麽說指令集可以控制生態？

自己能做指令集嗎？

第 2節 繁簡之爭：精簡指令集

CISC和RISC區別有多大？

CISC和RISC的融合

高端CPU指令集包含什麽內容？

第3節 第 一次抽象：匯編語言

硬件的語言：匯編語言

為什麽現在很少使用匯編語言了？

匯編語言會消亡嗎？

第4節 做CPU就是做微結構

CPU的電路設計：微結構

可售賣的設計成果：IP核

IP核的“軟”和“硬”

攢芯片：SoC

像DIY電腦一樣“攢CPU”

第5節 解讀功耗

什麽是功耗？

有哪些降低功耗的方法？

第6節 摩爾定律傳奇

摩爾定律會失效嗎？

什麽是Tick-Tock策略？

Tick-Tock模型的新含義：“三步走”

為什麽CPU性能提升速度變慢了？

第7節 通用還是專用？

CPU和操作系統的關系

什麽是異構計算？

專用處理器有哪些？

通用處理器也可以差異化

第8節 飄盪的幽靈：後門和漏洞

什麽是CPU的後門和漏洞？

誰造出了後門和漏洞？

典型的CPU後門和漏洞

操作系統怎樣給CPU打補丁？

在哪裡可以查到CPU的最新漏洞？

怎樣減少CPU的安全隱患？

 

CPU原理篇 現代高性能CPU架構與技術

第 1節 理論基石

CPU的3個最重要的基礎理論

研製CPU有哪些階段？

學習CPU原理有哪些書籍？

為什麽電路設計比軟件編程更難？

第 2節 EDA神器

CPU的設計工具：EDA

哪些國家能做EDA？

有沒有開源的EDA？

像寫軟件一樣設計CPU：Verilog語言

從抽象到實現：設計CPU的兩個階段

第3節 開天闢地：二進制

二進制怎樣在CPU中表示？

從二進制到十進制：CPU中的數值

從自然數到整數：巧妙的補碼

CPU中怎樣表示浮點數？

第4節 CPU的天職：數值運算

CPU怎樣執行數值運算？

什麽是ALU？

什麽是寄存器？

第5節 流水線的奧秘

什麽是CPU的流水線？

流水線級數越多越好嗎？

第6節 亂序執行並不是沒有秩序

什麽是動態流水線？

動態流水線的經典算法：Tomasulo

什麽是亂序執行？

亂序執行如何利用“寄存器重命名”

處理數據相關性？

亂序執行的典型電路結構

亂序執行如何處理例外？

回顧：亂序執行的3個最重要概念

第7節 多發射和轉移猜測

什麽是多發射？

什麽是轉移猜測？

第8節 包納天地的內存

CPU怎樣訪問內存？

內存多大才夠用？

什麽是訪存指令的“尾端”？

什麽是緩存？

緩存的常用結構

什麽是虛擬內存？

第9節 CPU的“外交”

什麽是CPU特權級？

中斷和例外有什麽不同？

CPU怎樣做I/O？

高效的外設數據傳輸機制：DMA

 

CPU系統篇 由CPU組成完整電腦

第 1節 操作系統和應用的橋梁

什麽是系統調用？

應用程序怎樣執行系統調用指令？

第 2節 專用指令發揮大作用

什麽是向量指令？

CPU怎樣執行加密、解密？

第3節 虛擬化：邏輯還是物理？

什麽是虛擬化？

什麽是硬件虛擬化？

第4節 可以信賴的計算

CPU怎樣支持可信計算？

可信模塊怎樣集成到CPU中？

第5節 從一個到多個：並行

人多力量大：多核

不止一個芯片：多路

流水線和線程的結合：硬件多線程

用於衡量並行加速比的Amdahl定律

第6節 並行電腦的內存

並行電腦的內存結構：SMP和NUMA

並行電腦的Cache同步

並行電腦的Cache一致性

什麽是原子指令？

第7節 集大成：從CPU到電腦

總線：電腦的神經系統

從CPU到電腦：主板

CPU運行的第 一個程序：BIOS固件

協同工作：在WPS中敲一下按鍵，電腦里發生了什麽？

電腦為什麽會死機？

 

CPU生產製造篇 從電路設計到硅芯片的實現

第 1節 化設計為實物

CPU是誰生產出來的？

CPU設計者為什麽要“上知天文、下知地理”？ 205

什麽是CPU的納米工藝？

第 2節 硅芯片的由來

為什麽要把硅作為生產芯片的首選材料？

CPU的完整生產流程

生產芯片的3種基本手法

第3節 模擬元器件

基本電路元件：電阻、電容、電感

模擬電路的“單向開關”：二極管

模擬電路的“水龍頭”：場效應管

模擬電路器件集大成者

第4節 數字符器件

數字電路的基本單元：CMOS反相器

數字電路器件集大成者

電路的基本單元：少而精

第5節 交付工廠

版圖是什麽樣的？

CPU的製造設備從哪裡來？

CPU代工和封測廠商有哪些？

CPU的成本怎麽算？

第6節 怎樣省錢做芯片？

不用流片也可以做CPU：FPGA

使用純軟件的方法做CPU：模擬器

第7節 明天的芯片

先進的製造工藝：SOI和FinFET

“後FinFET時代”何去何從？

 

CPU家族篇 經典CPU企業和型號

第 1節 從上古到戰國

上古時代：有實無名的CPU

上古時代CPU什麽樣？

戰國時代：百花齊放的商用CPU廠商

第 2節 巨頭尋蹤

大一統時代：Intel的發家史

AMD拿什麽和Intel抗衡？

第二套生態：ARM崛起

蘋果公司的CPU硬實力

百年巨人：IBM的Power處理器

第3節 小而堅強

教科書的殿堂：MIPS

RISC-V能否成為明日之星？

第4節 世界邊緣

日本如何失去CPU主導權？

歐洲重振處理器計劃

韓國的CPU身影

 

CPU生態篇 解密軟件生態

第 1節 生態之重

CPU廠商為什麽要重視生態？

Inside和Outside：CPU公司的兩個使命

CPU和應用軟件之間的接口

軟件生態的典型架構

第 2節 開發者的號角

生態先鋒：軟件開發者

操作系統是怎樣“做”出來的？

虛擬機：沒有CPU實體的生態

第3節 解決方案如何為王

生態的話語權：解決方案為王

電腦CPU賺錢，手機CPU不賺錢？

中國IT產業的根本出路：建自己的生態體系

第4節 生態的優點

優秀生態的3個原則：開放、兼容、優化

優秀生態的範例：Windows-Intel、

Android-ARM、蘋果

鬆散型的生態：Linux

第5節 生態的方向

生態的外沿：不止於解決方案

CPU廠商：不同的營利模式

應用商店：生態成果陣地

生態無難事，只要肯登攀

 

中國CPU篇 “技術—市場—技術”的歷史循環

第 1節 CPU舊事

為什麽要做CPU？

發展CPU技術的兩條路線

我國電腦事業的3個發展階段

缺芯少魂：中國IT之痛

第 2節 龍的聲音

龍芯極簡史

龍芯主要型號

龍芯曾經的“世界先進水平”

從學院派到做產品

龍芯性能有多高？

第3節 龍之生態

核心技術只能在試錯中發展

龍芯指令集

社區版操作系統：支撐軟件生態

龍芯“內生安全”特色

在試錯中趨於成熟

第4節 未來已來

“泛生態”體系正在形成

從零開始造電腦：龍芯教育理念

多種路線的中國CPU企業

未來已來：龍芯生態發展方向