大话处理器教学课件

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1、大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”处理器与计算机处理器与计算机每一个成功的男人背后都有一个成功的女人！每一个成功的男人背后都有一个成功的女人！傲慢与偏见傲慢与偏见，作者：简，作者：简奥斯汀奥斯汀每一个成功的电子产品里面至少有一个成功的处理器！

2、每一个成功的电子产品里面至少有一个成功的处理器！大话处理器大话处理器有处理器的电子设备，其实都可以叫做计算机。有处理器的电子设备，其实都可以叫做计算机。计算机之叔计算机之叔(父父)央视央视对话对话栏目在一期节目中邀请了栏目在一期节目中邀请了功夫熊猫功夫熊猫的导演，的导演，当主持人称呼他为当主持人称呼他为“功夫熊猫之父功夫熊猫之父”时，他谦逊的说，我更像是功时，他谦逊的说，我更像是功夫熊猫的叔叔，很多很多的人一起完成了这项杰作。夫熊猫的叔叔，很多很多的人一起完成了这项杰作。查尔斯巴贝奇阿兰图灵冯诺依曼第一位程序员第一位程序员 爱达负责为巴贝奇还没有建成的机器写程序，她创造了子程序、爱达负责为巴贝

3、奇还没有建成的机器写程序，她创造了子程序、循环的概念。后来美国国防部开发了一种面向对象的高级编程语言，循环的概念。后来美国国防部开发了一种面向对象的高级编程语言，为了纪念这位计算机软件的开山之祖，美国国防部将这种语言命名为了纪念这位计算机软件的开山之祖，美国国防部将这种语言命名为为ADA(爱达爱达)。爱达拜伦居居然然是是个个女女人人第一台电子计算机之争第一台电子计算机之争 阿塔纳索夫和贝利建成了世界上最早的电子计算机阿塔纳索夫和贝利建成了世界上最早的电子计算机ABC(Atansoff-Berry Computer)。阿塔纳索夫将设计计算机的思路。阿塔纳索夫将设计计算机的思路毫无保留的告诉了毛奇

4、莱毫无保留的告诉了毛奇莱(John William Mauchly)，1946年，毛奇年，毛奇莱和艾科特莱和艾科特(John Presper Eckert)建成了建成了ENIAC计算机。计算机。阿塔纳索夫 贝利 毛奇莱(左)艾科特(右)冯冯诺依曼机诺依曼机冯诺依曼结构 1945年年6月，冯月，冯诺依曼提交了他著名的诺依曼提交了他著名的101页的页的“关于关于EDVAC的报告草案的报告草案”，里面描述了计算机的逻辑结构，尤为重要，里面描述了计算机的逻辑结构，尤为重要的一点是提出了的一点是提出了“存储程序存储程序”的思想。的思想。“存储程序存储程序(stored-program)”的意思就是将程序

5、存储到计算机内部，计算机自动执的意思就是将程序存储到计算机内部，计算机自动执行。行。华人与计算机华人与计算机 朱传榘，他参与了朱传榘，他参与了ENIAC设计，获得了设计，获得了1981年计算机先驱奖。年计算机先驱奖。王安，他发明了王安，他发明了“磁芯存储器磁芯存储器”等多项技术，等多项技术，1988年，被选年，被选入美国发明家名人堂。王安创办了王安电脑公司，曾经红极一时，入美国发明家名人堂。王安创办了王安电脑公司，曾经红极一时，不过后来王安执意将公司传给自己的儿子，再加上其他一系列的不过后来王安执意将公司传给自己的儿子，再加上其他一系列的失误，公司最终倒闭。失误，公司最终倒闭。朱传榘王安从军用

6、到民用从军用到民用飞入寻常百姓家飞入寻常百姓家 大型机小型机PC机个人计算机时代个人计算机时代英雄辈出的时代英雄辈出的时代 什么是历史，什么是英雄，是英雄造就了历史，还是历什么是历史，什么是英雄，是英雄造就了历史，还是历史成就了英雄？史成就了英雄？个人计算机时代正是个英雄辈出的时代！这个时代属于个人计算机时代正是个英雄辈出的时代！这个时代属于Intel，Microsoft，Apple，IBM，HP硅谷八叛将硅谷八叛将(Traitorous Eight)硅谷八叛将从肖克利半导体实验室出走，创建了仙童半硅谷八叛将从肖克利半导体实验室出走，创建了仙童半导体，导体，Intel、AMD、美国国家半导体、

7、美国国家半导体、LSI Logic、VLSI Technology、Intersil、Altera 和和 Xilinx等等业界众多巨擘的等等业界众多巨擘的创始人都来自仙童半导体。创始人都来自仙童半导体。硅谷八叛将，各个身怀绝技并事业有成各式各样的终端各式各样的终端山寨机的创新兵法山寨机的创新兵法山寨机创意一：明修栈道，暗渡陈仓山寨机创意一：明修栈道，暗渡陈仓山寨机创意二：要么不做，要么做绝山寨机创意二：要么不做，要么做绝山寨机创意三：包罗万象，有容乃大山寨机创意三：包罗万象，有容乃大计算机的来世计算机的来世在在终结者终结者中，计算机中，计算机(Computer)=机器人机器人(Robot)“人

8、工智能是一门新兴的学科，所研究的是如何使机器人工智能是一门新兴的学科，所研究的是如何使机器能够做像它在电影中所做的事情。能够做像它在电影中所做的事情。”PC机结构图机结构图存储器存储器大肚能容，容天下难容之事大肚能容，容天下难容之事 “男人一定要会修电脑，曾经有个人不会修自己的电脑，后来的事大家男人一定要会修电脑，曾经有个人不会修自己的电脑，后来的事大家都知道了都知道了”半导体存储器市场半导体存储器市场l2020世纪世纪6060年代年代王安发明磁芯存储器。王安发明磁芯存储器。l2020世纪世纪7070年代年代 Intel Intel发明集成电路存储芯片，一部分存储器走向半导体时代。发明集成电路

9、存储芯片，一部分存储器走向半导体时代。Intel Intel其实是靠存储器发家的。其实是靠存储器发家的。l2020世纪世纪8080年代年代 日本从日本从2020世纪世纪7070年代中期布局半导体产业，到年代中期布局半导体产业，到8080年代已卓有成效，半年代已卓有成效，半导体存储器份额超过美国，逼着导体存储器份额超过美国，逼着IntelIntel转型做处理器。转型做处理器。l2020世纪世纪9090年代年代 比日本人更能吃苦耐劳的韩国人、台湾人崛起，称霸半导体存储器市比日本人更能吃苦耐劳的韩国人、台湾人崛起，称霸半导体存储器市场。场。l现在现在 王者三星。台积电董事长张忠谋说：王者三星。台积电

10、董事长张忠谋说：“三星，是所有人的对手，三星三星，是所有人的对手，三星几乎是什么电子产品都要做。几乎是什么电子产品都要做。”输入设备输入设备五觉五觉触摸触摸声音声音传感传感姿势姿势l越来越自然越来越自然显示设备显示设备脸面脸面3D电子书电子书投影投影全息投影全息投影l越来越大越来越大l越来越靓越来越靓l越来越无形越来越无形硬件、操作系统、应用软件的关系硬件、操作系统、应用软件的关系 硬件相当于家产，操作系统相当于管家，应用软件相当于长工。硬件相当于家产，操作系统相当于管家，应用软件相当于长工。纵向型计算机产业链纵向型计算机产业链横向型计算机产业链横向型计算机产业链穿越时代穿越时代 该时代也称为

11、垂直整合时代，作者将其戏称为穿越时代，穿越一词来该时代也称为垂直整合时代，作者将其戏称为穿越时代，穿越一词来源于这几年火热的穿越剧和穿越小说。源于这几年火热的穿越剧和穿越小说。历历史史总总是是螺螺旋旋式式发发展展 穿越时代，更需要对处理器和穿越时代，更需要对处理器和软件都熟悉的复合型人才！软件都熟悉的复合型人才！ITIT链条链条待解决的问题待解决的问题算法算法编程语言编程语言编译器编译器指令集体系结构指令集体系结构微架构微架构处理器系统实现处理器系统实现逻辑与电路逻辑与电路晶体管晶体管芯片制造芯片制造大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache

12、处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”硬连线电路硬连线电路 一定终身一定终身out=in1+in2*in3+in4*in5*in6;要实现一个运算，可以用硬件电路来实现，但是缺点是：一个电路只要实现一个运算，可以用硬件电路来实现，但是缺点是：一个电路只能实现一个运算。能实现一个运算。*+in 1in 2in 3in 4in 5in 6+o

13、ut 通用计算机模型通用计算机模型硬件搭台，软件唱戏硬件搭台，软件唱戏存储器运算器控制器 一套硬件，通过软件，来控制实现不同的运算。一套硬件，通过软件，来控制实现不同的运算。通用计算模型ISA的出现的出现 IBM在它的在它的System/360计算机计算机中引入了中引入了ISA(Instruction Set Architecture指令集体系结构指令集体系结构)的概的概念，将编程所需要了解的硬件信息从念，将编程所需要了解的硬件信息从硬件系统中抽象出来，这样软件人员硬件系统中抽象出来，这样软件人员就可以面向就可以面向ISA进行编程，开发出的进行编程，开发出的软件不经过修改就可以应用在其他采软件

14、不经过修改就可以应用在其他采用同样用同样ISA架构的系统上。架构的系统上。早期，软件的编写都是直接面早期，软件的编写都是直接面向硬件系统的，即使是同一计算机向硬件系统的，即使是同一计算机公司的不同计算机产品，它们的软公司的不同计算机产品，它们的软件都是不能通用的。件都是不能通用的。龙芯到底是怎么回事龙芯到底是怎么回事处理器的分层模型处理器的分层模型处理器系统层次Architecture(Architecture(体系结构体系结构)：处理器的外表，设计规范，定义处理器能做什么。处理器的外表，设计规范，定义处理器能做什么。MicroarchitectureMicroarchitecture(微架构

15、微架构)：处理器的内心，设计实现。处理器的内心，设计实现。物理实现：物理实现：具体的实现过程，如用具体的实现过程，如用20nm的集成电路工艺实现。的集成电路工艺实现。MIPS龙芯龙芯ST指令集、微架构、处理器实例指令集、微架构、处理器实例 注意：注意：ARMv7ARMv7是指令集，是指令集，ARM7ARM7是微架构。是微架构。CortexCortex系列使用系列使用ARMv7ARMv7指令集，指令集，ARM7 ARM7使用使用ARMv4ARMv4指令集。指令集。选什么样的处理器选什么样的处理器适合的才是最好的适合的才是最好的 选处理器就像找老婆，没有好坏之分，只有适合与不适合之分，选处理器就像

16、找老婆，没有好坏之分，只有适合与不适合之分，适合的才是最好的。适合的才是最好的。处理器的硬指标处理器的硬指标处理器的生态环境处理器的生态环境 哥不是一个人在战斗哥不是一个人在战斗处理器的钱途处理器的钱途 PCPC行业老大行业老大HP 2010HP 2010年年PCPC等业务等业务(personal system group)(personal system group)的净收的净收入为入为407407亿美金，运营利润为亿美金，运营利润为2020亿美金。而亿美金。而Intel 2010Intel 2010年的净收入为年的净收入为436436亿美金，运营利润为亿美金，运营利润为156156亿美金，

17、从中我们可以看出，亿美金，从中我们可以看出，PCPC公司是卖公司是卖了不少钱，不过钱都让处理器公司赚了。了不少钱，不过钱都让处理器公司赚了。最核心的，才是最赚钱最核心的，才是最赚钱的，才是我们最应该去关注的，才是我们最应该去关注的。而处理器正是这种核心！的。而处理器正是这种核心！大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC

18、吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”指令集的威力指令集的威力 指令集的威力太强大，它的强大在于它背后是一个生态链，而不是一指令集的威力太强大，它的强大在于它背后是一个生态链，而不是一家公司。家公司。指令集就像语言指令集就像语言(汉语、英语等汉语、英语等)一样，定义一套语言其实并不难，难的一样，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、各种应用软件也都要重新编写，这样的工作量和难的编译器、操作系统、各种应用软件也都要重新编写，这

19、样的工作量和难度，是无法想象的。度，是无法想象的。龙芯使用了MIPS指令集人类与计算机的沟通语言人类与计算机的沟通语言指令集发展历程指令集发展历程 处理器处理器/指令集呈现出螺旋式的发展：逐渐做大，然后优指令集呈现出螺旋式的发展：逐渐做大，然后优化，然后又做大化，然后又做大从量变，到质变，然后进入下一轮的量变从量变，到质变，然后进入下一轮的量变和质变，只是此和质变，只是此“质质”已非彼已非彼“质质”了。了。指令集的五朵金花指令集的五朵金花八仙恣意展，各自显神通！八仙恣意展，各自显神通！x86“复杂复杂”外表下的外表下的“简单简单”芯芯 x86x86虽说是虽说是CISCCISC指令集，不过指令集

20、，不过x86x86内核可以认为是内核可以认为是RISCRISC内核，内核，x86x86指令集会先被解码为类似于指令集会先被解码为类似于RISCRISC的微操作的微操作(uopsuops)。地盘划分地盘划分“对酒当歌，人生几何，行业纷争，去日苦多！对酒当歌，人生几何，行业纷争，去日苦多！”x86、ARM之战之战让暴风雨来得更猛烈些吧！让暴风雨来得更猛烈些吧！操作数与操作码操作数与操作码大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表

21、处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”最简单的最简单的3级流水线级流水线低功耗嵌入式领域的经典产品低功耗嵌入式领域的经典产品ARM7就是采用这种就是采用这种3级流水线结构。级流水线结构。史上最经典的史上最经典的5级流水线级流水线 早期的早期的MIPS、ARM9等处理器使用这种流水线，以后的处理器等处理器使用这种流水线，以后的处理器也都能看到它的影子，包括也都能看到它的影子，包括x86处理器等。处理器等。TI C6000 DSP流水线流水线 不同的处理器会有

22、不同的流水线节拍划分，就好像不同的人会不同的处理器会有不同的流水线节拍划分，就好像不同的人会穿不同的衣服一样。穿不同的衣服一样。乱序执行内核乱序执行内核.执行单元执行单元处理器的并行设计处理器的并行设计指令并行指令并行SuperscalarVLIW 世上没有无缘无故的爱，也没有无缘无故的恨，没有无缘无故的世上没有无缘无故的爱，也没有无缘无故的恨，没有无缘无故的Superscalar，也没有无缘无故的，也没有无缘无故的VLIW。数据并行数据并行X3X2X1X0XY3Y2Y1Y0YopX3 op Y3X2 op Y2X1 op Y1X0 op Y0X op Yopopop听音乐，看视频，玩游戏，都

23、会用到它。听音乐，看视频，玩游戏，都会用到它。线程并行线程并行Execution TimeFU1 FU2 FU3 FU4超标量超标量+单线程单线程同时多线程同时多线程细粒度硬件细粒度硬件多线程多线程粗粒度硬件粗粒度硬件多线程多线程多核多核 刘、关、张三兄弟联手，也只是稍微强过吕布一点点，而即使是刘、关、张三兄弟联手，也只是稍微强过吕布一点点，而即使是强如吕布，最终还是敌不过曹操的千军万马。强如吕布，最终还是敌不过曹操的千军万马。并行总结并行总结 程序员的作品在处理器程序员的作品在处理器上执行，了解了处理器微架上执行，了解了处理器微架构，也就了解了程序到底是构，也就了解了程序到底是怎么执行的。怎

24、么执行的。大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”你在我你在我“芯芯”中，留下了印记中，留下了印记CPUCPU对内存条说：对内存条说：“你在我你在我“芯芯”中，留下了印记中，留下了印记”。为什么需要为什么需要Cache？什么是什么是Cache？处理

25、器内部一块速度比内存处理器内部一块速度比内存(DRAM)(DRAM)快的快的SRAMSRAM。为什么一小块为什么一小块Cache能提速？能提速？Cache Cache的时间局部性：你今天看了的时间局部性：你今天看了射雕英雄传射雕英雄传，明天你很可能还，明天你很可能还会看它。（因为你没看完）会看它。（因为你没看完）Cache Cache的空间局部性：你看完的空间局部性：你看完射雕英雄传射雕英雄传后，你很可能会看后，你很可能会看神神雕侠侣雕侠侣。分级分级Cache结构结构Core0L1PL1DL2Core1L1PL1DL2L3Cache的基本结构的基本结构Cache的工作方式的工作方式丘比特之剑，

26、丘比特之剑，命中与不命中命中与不命中Cache的一致性问题的一致性问题Cache的一致性协议的一致性协议Cache和和DMA对比对比DMA的搬移方式的搬移方式大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”为什么要编写高效代码为什么要编写高效代码人要跑快点

27、，否则就要被吃掉，程序也要跑快点，否则就没人要。人要跑快点，否则就要被吃掉，程序也要跑快点，否则就没人要。怎样提高程序的运行效率怎样提高程序的运行效率5.利用多核来加速程序利用多核来加速程序人多力量大人多力量大4.充分利用编译器进行优化充分利用编译器进行优化3.优化内存访问优化内存访问别让包袱拖垮了你别让包袱拖垮了你2.减少处理器不擅长的操作减少处理器不擅长的操作1.减少指令数减少指令数勤俭持家勤俭持家写软件，要有把写软件，要有把486486当奔当奔4 4使的霸气！使的霸气！编程是门艺术编程是门艺术使用更快的算法使用更快的算法1+2+3+100=?1+2+3+100=?编译器：我才是优化第一高

28、手编译器：我才是优化第一高手利用多核来加速利用多核来加速人多力量大！人多力量大！任务划分任务划分数据划分数据划分数据流划分数据流划分 能写出更快的代码，在面试大能写出更快的代码，在面试大公司时，至关重要。公司时，至关重要。大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白

29、白我的“芯芯”SOC时代时代应用处理器结构应用处理器结构硬件加速器硬件加速器很多时候，光靠处理器是搞不定的很多时候，光靠处理器是搞不定的电子设备产业链电子设备产业链大话处理器大话处理器目录目录6.编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命5.Cache处理器的处理器的“肚量肚量”4.微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界3.指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表2.初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来1.漫游计算机世界漫游计算机世界7.SOC吸星大法吸星大法8.“芯芯”路历程路历程明明白白我的明明白白我的“芯芯”晶体管与集成电路发明人晶体管与集成电路发明人

30、 一个人孤独的时候，常常也是最容易出成绩的时候，一个人孤独的时候，常常也是最容易出成绩的时候，Jack Kilby就就是这样。是这样。TI 7月份会给员工放假，但是月份会给员工放假，但是Jack Kilby是新员工，没有假期。是新员工，没有假期。就这样，就这样，Jack Kilby在同事们都在度假时，一个人在车间完成了集成电在同事们都在度假时，一个人在车间完成了集成电路的发明。路的发明。绝缘体、导体、半导体绝缘体、导体、半导体集成电路工艺进步集成电路工艺进步门电路（开门电路（开/关）关）处理器集成电路分层设计处理器集成电路分层设计芯片设计与制造芯片设计与制造芯片制造流程芯片制造流程汉芯汉芯 磨皮是磨皮是photoshop的专业的专业技术，用来光滑人脸。技术都技术，用来光滑人脸。技术都是相通的，磨皮也能用在芯片是相通的，磨皮也能用在芯片外观上。有个中国人买了几块外观上。有个中国人买了几块Freescale的的DSP芯片，请人将芯片，请人将芯片上的芯片上的logo磨皮，然后打上磨皮，然后打上自己的自己的logo，这样代表世界先，这样代表世界先进水平的国产进水平的国产DSP芯片就诞生芯片就诞生了。了。结束了结束了吗吗？谢谢谢谢本书博客：http:/