读历史方知进退,明兴衰。从石器时代到青铜器时代,再到铁器时代,都是工具种类和材料的发展,推动了文明升级。每个时代也有每个时代的产物。

纵观计算机的发展史,理论到落地,创造了很多奇迹。

19 世纪,英国数学家 Babbage 设计了分析机,现代电脑的结构几乎是它的翻版,无非是主要部件替换成了大规模集成电路。

20 世纪初,图灵发表了论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》,以最简单的方法抽象出统一的计算模型。

1946 年,在美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台真正意义上的电子计算机 ENIAC。它占地面积约 170 $m^2$,耗电量 150 kw。

加点速,直接迈入芯片时代,芯片的定义是所有半导体元器件的统称,它是把一定数量的常用电子元件,以及这些元件之间的连线,通过半导体工艺集成在一起的、具有特定功能的电路。芯片相关的制造工艺(氧化、光刻、粒子注入等)极其复杂,是人类的制造极限。

芯片中的特例 CPU,即中央处理器,是 Intel 在 1971 年将运算器和控制器集成在一个芯片上创作出来的产物,称为 4004 微处理器,后被广泛应用于个人计算机以及高性能服务器中。

CPU 的工作流程分为五个阶段:取指令、指令译码、执行指令、访存读取数据和结果写回

CPU 运行程序会循环执行上述五个阶段,它既是程序指令的执行者,又被程序中相关的指令所驱动,最后实现了相关的计算功能。这些功能再组合成相应算法,然后由多种算法共同实现功能强大的软件。

CPU 的工作离不开指令,指令离不开指令集架构,把指令看作,指令集架构就是新华字典

CPU 的指令集越丰富、每个指令完成的功能越多,为该 CPU 编写程序就越简单,这就是复杂指令集计算机体系结构 —— CISC。CISC 的典型代表是 X86 体系架构。CISC 的优势在于,用少量的指令就能实现非常多的功能,程序自身大小也会下降,减少内存空间的占用。缺点就是,这些复杂指令集,包含的指令数量多而且功能复杂,这就导致了硬件工程师想要设计制造这样的电路,难度非常高。

20 世纪 80 年代,芯片生产工艺的发展,CPU 上也实现了高速缓存、指令预取、分支预测、指令流水线等部件。不过,这些部件的加入引发了新问题,那些一次完成多个功能的复杂指令,执行的时候就变得捉襟见肘。

例如一些串操作指令同时依赖多个寄存器和内存寻址,这导致分支预测和指令流水线无法工作。

另外随着编译器技术的发展,各种高级编程语言开始盛行,它们生产的低级代码,比程序员手写的低级代码高效得多,使用的也是常用的几十条指令。

这导致人们开始向 CISC 发展的反方向思考,我们需要精简指令集计算机体系结构,由此 RISC 诞生了。

指令集被简化,这意味着简化了指令译码和执行指令,这使得 CPU 的新部件的效能得到了发挥。RISC 的代表产品是 ARM 和 RISC-V。

今天,RISC 与 CISC 早已没有明显界限,比如 ARM 中假如了越来越多的指令,X86 通过译码器把一条指令翻译成多条内部微码,相当于精简指令。

最后修改:2023 年 06 月 06 日
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