80年代的处理器 - Intel 8086(1978)
- 16位寄存器和16位数据总线
- 20位地址总线, 可寻址1MB内存
- 主频5~10MHz
1981年, IBM PC机发售, 搭载Intel 8088处理器(8位数据总线版本的8086)以及微软的MS-DOS操作系统
Intel 8086指令集
约256条指令, 指令长度1~6字节(指令集手册)
Intel 8086微结构
通过指令队列实现总线接口单元和执行单元的并发工作(流水)
- 今天的x86处理器也保留了类似的设计
Intel 8086微结构
并发工作的时序图(8086参考手册)
80年代的操作系统和应用程序 - MS-DOS
80年代的操作系统和程序 - Windows 1.x(1985)
初代Microsoft Windows(2021年的一篇纪念博客)
- 基于MS-DOS内核, 本质是一个MS-DOS的Shell可执行程序
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- Windows自带应用初代: 计算器, 画图(只支持黑白), 记事本, 写字板
- Windows自带的第一个游戏是黑白棋
- 支持协同多任务(后台程序需要挂起)
- 程序有bug可能会导致系统崩溃
- 而且窗口不能重叠 😂
- 支持鼠标, 可点击和拖拽
- 但直到windows 3.x才支持双击运行和Ctrl+C/Ctrl+V
可以在浏览器中借助IBM PC全系统模拟器体验
90年代的处理器 - Intel Pentium(奔腾)(1993)
- 主频60MHz~300MHz
- 新架构P5, IPC比上一代架构80486提升将近一倍
- 首次引入超标量架构: 双发射5级流水
- 优化FPU, 浮点乘法的效率甚至是80486的15倍
- 地址生成器采用4输入加法器, 一周期算出有效地址
- 段基地+基址寄存器+变址寄存器+偏移量
- 80486采用3输入加法器, 需要花费两个周期计算
- 优化微码和乘法器, 提升常用指令(call, ret, mul等)的IPC
- 添加分支预测器
- 2路组相联独立缓存(分指令缓存和数据缓存), 减少冲突
- 64位数据总线, 提升访存带宽
Intel Pentium(奔腾)微结构
1996年加入了MMX多媒体指令集, 流水线增加为6级(硬件手册)
- SIMD: 单指令多数据
Intel Pentium(奔腾)微结构
双发射流水线时空图
90年代的处理器 - Intel Pentium Pro(奔腾Pro)(1995)
- 主频150MHz~200MHz
- 新架构P6(硬件手册)
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- 14级乱序超标量, 支持寄存器重命名
- 3个译码单元, 将x86指令翻译成RISC风格的uop, 最多翻译出6条uop/周期
- 可向6个执行单元发射5条uop/周期
- 片外同封装的256KB L2缓存(1997年升级到1MB), 与CPU同频
- 可同时访问L2和内存, 减少延迟
- 非阻塞缓存, 可同时处理4个请求
Pentium Pro取得了巨大的商业成功, P6架构及其变种延续了十多年
90年代的操作系统 - Windows 95(1995)
- 支持本地32位程序
- 支持设备热插拔
- 文件系统支持长文件名
- 添加开始菜单, 任务栏, 文件管理器
- 第一代IE浏览器, 空当接龙
- 蓝屏也走进了千家万户
90年代的程序 - 仙剑奇侠传(1995)
经典RPG游戏
- 在第六期的A阶段中, 你将会在自己设计的处理器上运行仙剑
今天的计算机(工艺)
单核性能挤牙膏, 主频和功耗上不去
- 摩尔定律还在继续 -> 暗硅(受限于功耗而需要关闭的晶体管)
- 多核通常跑不了满频
今天的计算机(微结构)
处理器空前复杂
- 每个新功能都要与很多旧功能交互
- 各种漏洞: 2018年的熔断和幽灵
- Intel一开始发布的补丁会导致死机, 被Linus喷是垃圾 😂
- Intel资深工程师也没法一下子想明白处理器的所有细节
今天的计算机(操作系统)
Linux 4.17(2018年4月发布)删除了过时处理器的代码
- 减少了50万行代码
- 但还有2030万行 😂
今天的计算机(操作系统)
Linux内核包含海量的模块, 交互关系非常复杂
A New Golden Age for Computer Architecture
译文: 计算机架构的新黄金时代
- 介绍了芯片的发展历程, 以及计算机体系结构的未来发展趋势
- 作者是2017年的两位图灵奖得主
- David Patterson & John Hennessy
处理器芯片设计
always @(posedge clk) begin
case (raddr[1:0])
2’b00: rdata <= reg0[31:0];
2’b01: rdata <= reg1[31:0];
2’b10: rdata <= reg2[31:0];
2’b11: rdata <= reg3[31:0];
endcase
end电路设计的本质: 实例化和连线
- 这些面包板也能做, 但为什么后来设计流程逐渐转成RTL开发?
- 开发效率, 调试效率…
- 现在的真实处理器动辄千万门, 高性能处理器更复杂
- 作为一个项目, 如何提升开发效率和调试效率, 是至关重要的
学习 “一生一芯”的目的(2) - 培养大家成为专业人士
“一生一芯”将用全新的方法和流程, 按计算机发展史的顺序设计处理器
- 树立全面的软硬件全系统认识
- 理解科学的安排规划和优化方法
- 掌握正确的工具技能高效解决实际的工程问题
通过我们设置的训练让你变强
- 全方位, 全身心, 肉眼可见地变强
- 锻炼专业人士所需的专业素质
专业训练
| 基本原理 | 做事方案 | 正确性风险 | 代表例子 |
|---|---|---|---|
| 阐述 | 明确 | 基本正确 | 高中物理实验 |
| 阐述 | 明确 | 可能出错 | 程序设计作业, 培训班 |
| 阐述 | 需要思考 | 基本正确 | 数学/算法题 |
| 阐述 | 需要思考 | 可能出错 | PA, “一生一芯” |
| 需要探索 | 需要思考 | 可能出错 | 业界和科研的真实问题 |
把知识包装成 “新问题”呈现给大家
- 通过试错深入理解问题:
- 我想要x, 那么就需要做y, 这是因为z
- 而做u是不行的, 它会因为v而导致w
- 解决上百个 “新问题”, 锻炼出专业世界观
“一生一芯”(或者好课)的真正意义
树立正确的专业世界观, 吸收过去数十年构建的知识体系, 接触领域前沿的真正研究
这期的S阶段又要🕊了, 但不管怎样:
如果你的回答是肯定的, 那就来参加 “一生一芯”
能否完成 “一生一芯”与学校/年级/专业无直接关系
取决于你是否已转变观念和心态, 锻炼出独立解决问题的意识和能力
王晨宇@南通大学,
学习时大二(转专业), 获得第四期流片资格
烟雨松@北京101中学,
学习时高三, 预计2023年9月获得流片资格
另一个角度: 大家都有潜力完成 “一生一芯”的学习
- 拿 “自己是xxx专业/零基础”来当借口是没有用的
- 这除了让你降低对自己的要求之外, 没有实际的帮助
- 还不如想想是不是自己哪里没做好, 导致接受的训练没到位
专业世界观3 - 科学提问
- 提问能反映出你的学习态度: 主动尝试 vs. 被动依赖
不是所有问题都值得问
- 你以为自己热爱学习? 不, 别人只觉得你是伸手党
开源社区中的一个真实案例:
- 新手的提问: 两个不同的安装包有什么区别? 我是新手.
- 开发者的回答: 自己上网找答案. 在开源社区中不应该随便问这种配置问题, 除非你有明确的证据证明代码或者文档有缺陷.
虚假的帮助 vs. 真实的帮助
虚假的帮助: 面向结果, 解决当下问题优先
真实的帮助: 面向能力, 领悟学习方法优先
本质区别: 如果将来不再提供帮助, 学生能否独立解决类似的问题?
真实案例: 学生A询问某报错信息
- 分析: 根据提问内容, 学生A只进行了很少的尝试, 没有其他想法
- 虚假的帮助: 学生B指出可能是klib模块有bug, 提示学生A去看看
- 学生A的收获是 “报错信息->klib模块有bug”的表面因果关系, 难以深入理解和记忆, 并未学会真正思路和方法, 同时也错过一次锻炼机会
- 真实的帮助: 引导学生A学会对bug进行深入的分析和定位
- 这比虚假的帮助困难得多, 大部分学生并不知道如何引导
所以
我们来玩真的: 在线调试考核, 通过才能获得流片机会
- 助教在你提交的项目中随机注入3个bug 😈
- 涵盖硬件, 软件和环境
- 你需要在指定时间内(约45分钟)排除bug 😈
- 强迫大家理解所有细节, 吸收科学的调试方法
- 参考代码, 抱大腿, “看波形就够”都没戏 😈
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- 参考代码, 抱大腿, “看波形就够”都没戏 😈
- 抓紧每一次调试锻炼的机会
- 突击是没用的, 考的就是真本事 😈
- 抱一次大腿 = 少一次训练
- 强迫大家理解所有细节, 吸收科学的调试方法
这和大家将来遇到的实际问题非常接近
- 如果你能解决实际问题, 你就是专家