CPU通识课

　　中央处理器（CPU）是计算机中重要的芯片。CPU的设计和制造水平是一个国家信息技术实力的象征，产业生态的构建需要培养更多掌握CPU技术原理的高端人才。本书基于龙芯CPU团队在20年间积累的技术和经验，从CPU概览篇、CPU术语篇、CPU原理篇、CPU系统篇、CPU生产制造篇、CPU家族篇、CPU生态篇、中国CPU篇八大板块剖析CPU，生动有趣地讲解了CPU的基础概念、核心原理、生产制造及产业生态，更解读了龙芯CPU的研发历史、核心特色和生态建设经验，让读者循序渐进地进入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 计划等多个课题，并获得中国计算机学会“科技进步奖”一等奖。

CPU概览篇 时代与机遇
第 1节 CPU时代
信息社会的基石：CPU
电脑之心：CPU在计算机中的地位
从大到小：CPU外观的变化
国之重器：CPU为什么成为信息技术的焦点
CPU分成哪些种类？
微观巨系统：为什么说CPU是世界难题？
第 2节 CPU性能论
CPU怎样运行软件？
主频越高，性能就越高吗？
为什么MIPS和MFLOPS不能代表性能？
面向问题的性能评价标准：SPEC CPU
性能测试工具的局限性
不推荐的测试集：UnixBench
第3节 人人可学CPU
从简单到复杂：CPU的进化
CPU技术在计算机科学中的地位
我不需要做CPU，为什么还要学习CPU？
开源CPU哪里找？

CPU术语篇 入门术语应知应会
第 1节 计算机的语言：指令集
软件编码规范：什么是指令集？
什么是指令集的兼容性？
为什么指令集要向下兼容？
为什么说指令集可以控制生态？
自己能做指令集吗？
第 2节 繁简之争：精简指令集
CISC和RISC区别有多大？
CISC和RISC的融合
高端CPU指令集包含什么内容？
第3节 第 一次抽象：汇编语言
硬件的语言：汇编语言
为什么现在很少使用汇编语言了？
汇编语言会消亡吗？
第4节 做CPU就是做微结构
CPU的电路设计：微结构
可售卖的设计成果：IP核
IP核的“软”和“硬”
攒芯片：SoC
像DIY计算机一样“攒CPU”
第5节 解读功耗
什么是功耗？
有哪些降低功耗的方法？
第6节 摩尔定律传奇
摩尔定律会失效吗？
什么是Tick-Tock策略？
Tick-Tock模型的新含义：“三步走”
为什么CPU性能提升速度变慢了？
第7节 通用还是专用？
CPU和操作系统的关系
什么是异构计算？
专用处理器有哪些？
通用处理器也可以差异化
第8节 飘荡的幽灵：后门和漏洞
什么是CPU的后门和漏洞？
谁造出了后门和漏洞？
典型的CPU后门和漏洞
操作系统怎样给CPU打补丁？
在哪里可以查到CPU的漏洞？
怎样减少CPU的安全隐患？

CPU原理篇 现代高性能CPU架构与技术
第 1节 理论基石
CPU的3个重要的基础理论
研制CPU有哪些阶段？
学习CPU原理有哪些书籍？
为什么电路设计比软件编程更难？
第 2节 EDA神器
CPU的设计工具：EDA
哪些国家能做EDA？
有没有开源的EDA？
像写软件一样设计CPU：Verilog语言
从抽象到实现：设计CPU的两个阶段
第3节 开天辟地：二进制
二进制怎样在CPU中表示？
从二进制到十进制：CPU中的数值
从自然数到整数：巧妙的补码
CPU中怎样表示浮点数？
第4节 CPU的天职：数值运算
CPU怎样执行数值运算？
什么是ALU？
什么是寄存器？
第5节 流水线的奥秘
什么是CPU的流水线？
流水线级数越多越好吗？
第6节 乱序执行并不是没有秩序
什么是动态流水线？
动态流水线的经典算法：Tomasulo
什么是乱序执行？
乱序执行如何利用“寄存器重命名”
处理数据相关性？
乱序执行的典型电路结构
乱序执行如何处理例外？
回顾：乱序执行的3个重要概念
第7节 多发射和转移猜测
什么是多发射？
什么是转移猜测？
第8节 包纳天地的内存
CPU怎样访问内存？
内存多大才够用？
什么是访存指令的“尾端”？
什么是缓存？
缓存的常用结构
什么是虚拟内存？
第9节 CPU的“外交”
什么是CPU特权级？
中断和例外有什么不同？
CPU怎样做I/O？
高效的外设数据传输机制：DMA

CPU系统篇 由CPU组成完整计算机
第 1节 操作系统和应用的桥梁
什么是系统调用？
应用程序怎样执行系统调用指令？
第 2节 专用指令发挥大作用
什么是向量指令？
CPU怎样执行加密、解密？
第3节 虚拟化：逻辑还是物理？
什么是虚拟化？
什么是硬件虚拟化？
第4节 可以信赖的计算
CPU怎样支持可信计算？
可信模块怎样集成到CPU中？
第5节 从一个到多个：并行
人多力量大：多核
不止一个芯片：多路
流水线和线程的结合：硬件多线程
用于衡量并行加速比的Amdahl定律
第6节 并行计算机的内存
并行计算机的内存结构：SMP和NUMA
并行计算机的Cache同步
并行计算机的Cache一致性
什么是原子指令？
第7节 集大成：从CPU到计算机
总线：计算机的神经系统
从CPU到计算机：主板
CPU运行的第 一个程序：BIOS固件
协同工作：在WPS中敲一下按键，计算机里发生了什么？
计算机为什么会死机？

CPU生产制造篇 从电路设计到硅晶片的实现
第 1节 化设计为实物
CPU是谁生产出来的？
CPU设计者为什么要“上知天文、下知地理”？ 205
什么是CPU的纳米工艺？
第 2节 硅晶片的由来
为什么要把硅作为生产芯片的材料？
CPU的完整生产流程
生产芯片的3种基本手法
第3节 模拟元器件
基本电路元件：电阻、电容、电感
模拟电路的“单向开关”：二极管
模拟电路的“水龙头”：场效应管
模拟电路器件集大成者
第4节 数字元器件
数字电路的基本单元：CMOS反相器
数字电路器件集大成者
电路的基本单元：少而精
第5节 交付工厂
版图是什么样的？
CPU的制造设备从哪里来？
CPU代工和封测厂商有哪些？
CPU的成本怎么算？
第6节 怎样省钱做芯片？
不用流片也可以做CPU：FPGA
使用纯软件的方法做CPU：模拟器
第7节 明天的芯片
先进的制造工艺：SOI和FinFET
“后FinFET时代”何去何从？

CPU家族篇 经典CPU企业和型号
第 1节 从上古到战国
上古时代：有实无名的CPU
上古时代CPU什么样？
战国时代：百花齐放的商用CPU厂商
第 2节 巨头寻踪
大一统时代：Intel的发家史
AMD拿什么和Intel抗衡？
第二套生态：ARM崛起
苹果公司的CPU硬实力
百年巨人：IBM的Power处理器
第3节 小而坚强
教科书的殿堂：MIPS
RISC-V能否成为明日之星？
第4节 世界边缘
日本如何失去CPU主导权？
欧洲重振处理器计划
韩国的CPU身影

CPU生态篇 解密软件生态
第 1节 生态之重
CPU厂商为什么要重视生态？
Inside和Outside：CPU公司的两个使命
CPU和应用软件之间的接口
软件生态的典型架构
第 2节 开发者的号角
生态先锋：软件开发者
操作系统是怎样“做”出来的？
虚拟机：没有CPU实体的生态
第3节 解决方案如何为王
生态的话语权：解决方案为王
计算机CPU赚钱，手机CPU不赚钱？
中国IT产业的根本出路：建自己的生态体系
第4节 生态的优点
优秀生态的3个原则：开放、兼容、优化
优秀生态的范例：Windows-Intel、
Android-ARM、苹果
松散型的生态：Linux
第5节 生态的方向
生态的外沿：不止于解决方案
CPU厂商：不同的营利模式
应用商店：生态成果阵地
生态无难事，只要肯登攀

中国CPU篇 “技术—市场—技术”的历史循环
第 1节 CPU旧事
为什么要做CPU？
发展CPU技术的两条路线
我国计算机事业的3个发展阶段
缺芯少魂：中国IT之痛
第 2节 龙的声音
龙芯极简史
龙芯主要型号
龙芯曾经的“世界先进水平”
从学院派到做产品
龙芯性能有多高？
第3节 龙之生态
核心技术只能在试错中发展
龙芯指令集
社区版操作系统：支撑软件生态
龙芯“内生安全”特色
在试错中趋于成熟
第4节 未来已来
“泛生态”体系正在形成
从零开始造计算机：龙芯教育理念
多种路线的中国CPU企业
未来已来：龙芯生态发展方向