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一个能DIY的CPU逻辑设计

陈硕 对 计算机系统要素 的书评 发表时间：2009-04-25 21:04:58

读这本书最大的收获，原来设计一个“从内存中读取指令并执行”的电路并不如想象中那么复杂，用几十个D触发器加一堆逻辑门就能搞出来。

当然，要把这么多内容放到一本书里，必然有很多省略之处。
数字电路方面，模型比较理想化，要想真的用TTL或FPGA实现Hack还有一些现实的困难要克服，当然不能苛求这本书把数字电路讲得过细，那就喧宾夺主了。
CPU设计方面，虽然Hack很简单，但它是怎么一步一步设计出来的，为什么要这样设计，理由何在，设计过程中做了哪些权衡考虑，这些在书中并没有明显的说明。

硬件设计，特别是CPU的设计，是为软件服务的。具体地说，就是成为C语言的编译目标，CPU提供的指令应该能充分支持C语言的高效实现，毕竟C语言是使用最广泛的系统语言。这一点Hack并没有完全做到，甚至没有提到，比如它没有逻辑移位指令（C语言有移位操作符），也不能实现函数调用（因为PC的值不能压栈）。Hack的A寄存器可以用来作基址寄存器，即内存访问时的地址，等于是个指针。如果书中能把C语言的常见指针操作用Hack汇编语言翻译阐述一遍，就能相互映照，加深理解，但可惜没有。这方面， Patterson & Hennessy 那本《Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface》要好得多。不过，cod讲的CPU可就没那么容易实现了，那是一块类MIPS的32-bit RISC CPU。

CPU除了支持C语言，另外还得支持现代操作系统，具体说来，就是区分用户态和内核态，支持系统调用以便在两者之间转换，支持虚拟内存，让多个进程能有彼此独立的地址空间，等等。这方面我还没有找到一本特别好的书，很多操作系统教材以X86为例，但x86的内存管理机制复杂得一塌糊涂，补丁累补丁（8086->80286->80386->x64，一路补丁打下来，还得向下兼容），花精力在这上面实在不值。我希望能看到以MIPS或者ARM为平台的操作系统教材。

性能方面，书中也着墨不多。Hack造出来了，那么它的性能如何，够不够快，能不能更快，瓶颈在哪里？Hack CPU是一个同步时序逻辑电路，它的时钟频率能上到多少MHz，制约因素是啥，它能容忍的clock skew是多少ps，它在执行指令时各个信号的时序图如何，这些书里都没有提到。Hack是个单周期CPU，如果要提速，一般是流水化+cache，这又会引入一大堆的头疼问题。这方面，《Computer Systems: A Programmer's Perspective》讲得很好。

Hack的另外一个弱点是输入输出，它用内存映射方式的IO，这本身没问题，但是它不支持中断，也就是说只能用轮询的方式输入输出数据，这可不妙。中断是一个关键概念，不仅是输入输出，单CPU上能实现多任务，全靠操作系统在处理时钟中断时顺便切换当前任务（当然，也有其他切换任务的机会，比如从系统调用返回时）。要学这一块看似神奇的任务切换，不用劳烦复杂的操作系统教材，一本uC/OS-II的书就搞定了。

学Hack，好处是它简单，几天就能上手弄懂；坏处是它太简单，可以作为学习的起点，但不宜作为学习的全部。

有用 30 无用 4

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对“一个能DIY的CPU逻辑设计”的回应

漫漫人生路
漫漫人生路 2016-10-06 20:24:58

MARK

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老苏奇遇记
老苏奇遇记 2016-03-29 14:04:18

特地注册来点有用！

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hardfist
hardfist 2015-08-13 07:39:57

《操作系统设计 xinu方法》就是讲基于mips的嵌入式系统。

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peter li
peter li 2015-04-10 14:26:49

讲的不错！

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龙少
龙少 2014-03-13 12:39:20

实现函数调用不一定用PC压栈.

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lophyxp
lophyxp 2014-02-02 21:59:36

这本书如何和《编码》相比，可以算做《编码》内容的继续深入。《计算机系统要素》之后可以看清华大学 网格与集群计算研究组 的《CPU芯片逻辑设计》。或者从日本引进的三件套《30天自制操作系统》《CPU自制入门》《自制编程语言》。

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tek-life
tek-life 2011-02-10 08:10:06

这本书和《编码》相比呢？

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sowhat
sowhat 2010-09-21 14:27:23

楼主说了一堆废话+显摆。

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野猪
野猪 2009-10-19 19:07:36

这本书极适合作为信息技术的本科教材，我看了之后后悔4
年书白念了

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五月
五月 2009-10-10 22:38:20

高质量的评论，学习了

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平凡的老鱼
平凡的老鱼 2009-05-04 22:37:57

这本书的定位，似乎本来就是做为简单上手的教材来说的。。。
这本书的目的，作者的原意是为提供一个欣赏计算机系统大局观的美景，既然是景色，当然不会详细到很多的细节，否则那就是一部厚厚的著作了。

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计算机系统要素

书名： 计算机系统要素
作者：
出版社： 电子工业出版社
原作名： The Elements of Computer Systems
副标题： 从零开始构建现代计算机
译者： 周维  |  陈曦  |  宋磊
出版年： 2007-01-01
页数： 325
定价： 45.00元
装帧： 16开
ISBN： 9787121033360