关于处理器基本原理的几个问题请教，谢谢！！

s8435330song

学了一段时间的嵌入式，发现有好多根本性的问题不太懂，这些问题学微电子和ic的人来解答比较好。1.最近听了龙芯课题组胡伟武的一个讲座，讲到现在处理器都朝着多核方向发展，原因是a.单核处理器的性能已经达到了极限，功耗降不下来，主频升不上去 b.与外围设备的工作速度不匹配，cpu工作速度已经远远超出了外围设备的存取数据处理数据的速度，造成性能浪费。
这样说对不对？还有什么补充没有？
2地址总线的位数决定了寻址空间，一般来讲，操作系统的位数就是知道地址总线的位数。但是cpu的位数和地址总线的位数有时候不相等。那么cpu的位数是指的什么，和cpu里寄存器的位数一样吗？
3寄存器是有什么构成的，电气原理如何，晶体管级的电路如何，由几个管子构成？
3我原来学过一点verilog的东西，知道搭建一个加法器就是把好多门电路，门电路就是一个个mos管搭起来的。处理器也就那么几个部件，控制部件、运算部件、寄存器、加上几个缓存器。现在动辄上亿的晶体管都用在了什么地方？为什么对那么几个寄存器还那么计较？
4增加指令集或是创建指令集的难度在哪里？为什么听一个老师说，龙芯为什么借用mips的几十条指令每年要给mips好多的钱？

leishangwen

呵呵，那是知识产权的问题，不过好像现在都过了版权保护期了，不知是不是

Quiccomm

1. 呵呵，当然没错。胡的讲座总不会乱说吧
2. 操作系统的宽度跟地址总线宽度有关，
    内部寄存器跟数据总线宽度关系大一点
3. 寄存器是片内RAM的一部分（一般是静态RAM），由触发器和相应的门电路组成的。
    这些数电书上都有
4. 说来简单，实现起来是非常非常非常复杂的。
     这个论坛里有人写了本书，讲or1200的，可以看看。
5. 楼上说了，知识产权的问题。

ultraman66

楼上是qualcomm的？

ultraman66

回复 3# Quiccomm


  楼上是qualcomm的？

processor

回复 1# s8435330song

1. 多核当然是主要的方向，但是多核也不可避免的出现功耗和效率的问题，所以现在的异构多核比较流行，当然intel的拳头产品还都是同构的，而且，现在的趋势是SOC化，把更多的功能集成到一个芯片内，减少传输的时间，比如把GPU啊，内存控制器啊什么的都集成到一起，这个最明显的例子就是现在的手机处理器了，基本上能放进去的都放了，intel也朝着这个方向呢，看近几年的产品就知道了。2. 对于操作系统来说，它要访问外设，访问IO，访问存储器，这都需要通过CPU的地址线进行寻址，所以CPU的地址位数对于操作系统是重要的，而对于CPU来说，它的位数主要是指内部寄存器的宽度，比如32位的CPU，内部使用的通用寄存器是32bits的，64位的CPU当然内部的通用寄存器是64bits的，更宽位数的CPU可以一下子处理更多的数据，所以效率会提高，当然这也需要操作系统和软件能够利用这个特性才可以，如果软件还是基于32位的CPU进行开发的，那么64位也是浪费了，而且64位还需要占用更多的硅片面积，所以功耗也会增大，苹果的双核64位处理器的硅片面积基本上和高通四核32位的处理器差不多了。
3. 寄存器是两个latch背靠背的组合在一起，十几个管子吧，具体的原理随便找一本数字电路设计的书看看就行，再不行就百度谷歌之~~
4. 你说的那些控制部件、运算部件什么的，都是大的概念，具体的实现需要考虑很多的内容，现代的处理器面积大的主要原因一是结构复杂，多发射的超标量结构、内部乱序执行，这都需要耗费大量的电路来实现；二是现在集成到芯片内的其它功能越来越多，比如内存控制器；三是片内的Cache占据的，现在的三级Cache都做到片内了，你随便看一个intel的处理器的die photo，看到那一大片很有规律、像麦田似的东西，那就是片内Cache，这个东西很耗费面积和功耗的；再有就是GPU了，这个玩意比CPU更浪费面积的。至于你说的对几个寄存器还特别计较，在现代的高性能处理器中，这是不存在的，这么大的处理器，不缺你那几个寄存器，不过对于指令集已经定义好的寄存器，比如MIPS中的32个通用寄存器，这个没办法改，指令集定死了，不过在处理器内部都进行寄存器重命名，使用更多的物理寄存器来提高性能，至于你说的计较几个寄存器，我想这应该是对成本很敏感的小设计吧。
5.增加指令并不难，但是增加之后，需要更改一大堆的工具链，编译器、汇编器都需要改，否则你增加了指令也没用，且不说你有没有能力改这些东西，即使你有能力改，谁会用呢？对于处理器来说，兼容是王道，intel靠它独步天下了很多年，当然以后能否再走下去还不知道，不过ATOM还使用臃肿的x86,可见intel是不舍得放弃这块蛋糕的，自己设计指令集不难，培养整个生态环境就非常难了，龙芯为什么用MIPS也是这个原因的。

kevindong

6楼同学说的很不错！

干涸的布拉格

6楼说的很在理

Schweinshaxen

6楼理解得很好

hitshiyun

6楼讲的很很号，现在最主要的问题是指令集，性能的提升来自于软硬件结合，利用工艺提高集成度，提升频率，集成大容量Cache，都可以实现，但产业链是关键。