一个能DIY的CPU逻辑设计
2009-04-25
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。
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