计算机体系结构基础

陆游诗云：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”只会P2P的学习（从Paper到Paper的学习）往往学不到真本事，只有最后能“躬行”到硅上的知识才是过硬的知识。

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计算机专业有几门“当家”的核心课程是关于“如何造计算机”的，硬件方面以计算机组成原理和计算机体系结构为主，软件方面以操作系统和编译原理为主。其他如离散数学、编程语言、数据结构、数字逻辑等计算机专业的学科基础课也很重要，除了计算机专业，其他使用计算机的专业如自动化专业、电子专业也在学。

“从打开电源到计算机启动再到登录界面”或者“从按一下空格键到翻一页PPT”这样的过程，如果问及计算机系统内部包括CPU、南北桥、GPU在内的硬件以及包括操作系统和应用程序在内的软件是如何协同工作的，计算机专业毕业的学生几乎没有人说得明白。

面向本科生的教材为《计算机体系结构基础》。主要内容包括：作为软硬件界面的指令系统结构，包含CPU、GPU、南北桥协同的计算机硬件结构，CPU的微结构，并行处理结构，计算机性能分析等。上述面面俱到的课程安排主要是考虑到体系结构学科的完整性，但重点是软硬件界面及计算机硬件结构，微结构则是硕士课程的主要内容。

面向硕士生的教材为《计算机体系结构》。主要介绍CPU的微结构，包括指令系统结构、二进制和逻辑电路、静态流水线、动态流水线、多发射流水线、运算部件、转移猜测、高速缓存、TLB、多核对流水线的影响等内容。

面向博士生的教材为《高级计算机体系结构》。中科院计算所的“高级计算机体系结构”课程是博士生精品课程的一部分，主要强调实践性，使学生通过设计真实的（而不是简化的）CPU，运行真实的（而不是简化的）操作系统，对结构设计、物理设计、操作系统软件做到融会贯通。

计算机体系结构是一门比较抽象的学科，很有可能经过一个学期的学习只学到一些概念。本课程教学希望达到三个目的。一是建立学生的系统观。计算机系统的复杂性体现在计算机中各部分之间的关系非常复杂。如苹果iPhone的CPU性能不如Intel的X86 CPU，但用户体验明显好于桌面计算机，这就是系统优化的结果。希望学生学完这门课程后能够从系统的角度看待计算机，不再简单地以主频论性能，或者简单地把用户体验归结于CPU的单项性能。二是掌握计算机体系结构的若干概念。计算机体系结构中的概念很多，虽然抽象，但是必须掌握。比如计算机体系结构的四大设计原则，指令系统结构，处理器流水线，等等。三是掌握一些重点知识并具备一些重点能力。主要包括：计算机的ABI接口，存储管理中的虚实地址转换过程，通过IO地址空间扫描进行IO设备初始化，计算机系统的启动过程，重要总线如AXI总线、内存总线、PCIE总线的信号及其时序，用Verilog编写RTL代码的能力，先行进位加法器的逻辑，两位一乘补码乘法器逻辑，用Perf进行性能分析的能力，等等。

第 1 章 引言

要研究怎么造计算机，硬件方面要理解计算机组成原理和计算机体系结构，软件方面要理解操作系统和编译原理。计算机体系结构就是研究怎么做CPU的核心课程。信息产业的主要技术平台都是以中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）和操作系统（Operating System，简称OS）为核心构建起来的，如英特尔公司的X86架构CPU和微软公司的Windows操作系统构成的Wintel平台，ARM公司的ARM架构CPU和谷歌公司的Android操作系统构成的“AA”平台。龙芯正在致力于构建独立于Wintel和AA体系的第三套生态体系。