计算机架构科普和梳理

指令集架构

指令集

说明了操作种类、指令格式（操作码和地址码，地址码个数，操作码定长与拓展）、寻址方式、地址空间大小和寄存器个数等。简单可以理解为汇编指令用01表示。

CPU位数=CPU中寄存器的位数=数据总线宽度

• 硬件厂商开发某种指令集的CPU，需要该指令集专利持有者进行授权

  • 比如ARM公司自己的研发指令集叫ARM指令集，对外授权（同时ARM公司还进行微架构的授权）

  • 一些大型公司都获得ARM公司针对ARM指令集的授权，开发兼容ARM指令集的不同的微架构

    • 比如Intel授权AMD可以生产兼容x86指令集的CPU

• 编译：高级语言翻译成特定ISA的机器码

• 参考

  • 关于CPU、指令集、架构、芯片的一些科普

复杂指令集CISC

• x86：在1978年的Intel 8086 CPU（16位）指令集基础上，发展而来的一些列指令集的泛称

  • 桌面级CPU一般都是x86的，兼容8086指令集

• IA-32(x86,i386)：Intel将16位的x86拓展为32位的IA-32，但是由于IA-32的统治地位，x86也一般指IA-32的CPU

  • Intel 80386是第一款i386 CPU（第一款IA-32架构的CPU）
    • i386，i486：即Intel 80386， Intel 80486
    • Pentium（i586）：Intel 80586
    • Pentium Pro（Pentium Ⅱ，i686）：Intel 80686
  • 此后，x86成为一些列架构的泛称，不限于16位，32位，64位

• IA-64：1994年Intel推出的与x86完全无关的新架构（也不兼容之），基于显式并行指令运算（EPIC）的64位指令集架构

  • 2001年发布第一款基于IA-64的CPU，叫Itanium安腾，IA-64也称为Intel Itanium
  • 但是由于软件环境的缺乏和AMD的竞争，导致市场不好

• x86-64(x64)：1999年，AMD推出x86-64架构（简称x64），是对IA-32(x86)的兼容和拓展

  • 2003年AMD发布的一款基于x86-64的CPU，x86-64也称为AMD64

  • 后来Intel也用AMD64架构，称为IA-32e(IA-32 extension)，后来又叫Intel64

  • x86-64, x64, AMD64, Intel64, IA-32e(IA-32 extension)基本是一个东西

    • 苹果公司和 RPM 包管理员以 x86-64 或 x86_64 称呼此 64 位架构。甲骨文公司及 Microsoft 称之为x64。BSD 家族及其他 Linux 发行版则使用 amd64，32 位版本则称为i386（或 i486/586/686），Arch Linux 用x86_64 称呼此 64 位架构。

      x86,x64,x86-64,amd64,arm指令集架构之间的关系中x86 架构发展

• 参考

  • i386、i486、i586、 i686、 x86、x86_64、x64、amd_64详解【写的很好】

精简指令集RISC

• ARM
  • ARMv3~ARMv7都是32位
  • ARMv8：向前兼容32位指令，同时
    • AArch64：64位执行状态，使用全新的ARM 64位指令集
    • AArch32：32位执行状态
• RISC-V：伯克利发明的一种基于RISC的开源指令集架构
  • 一文看懂RISC-V
• MIPS
• PowerPC

微架构

• 微架构：硬件电路（或CPU单个核心core）的结构和实现
• CPU研发能力一般指的是独立的微架构研发能力，是否使用自行研发的指令集关系不大
  • 研发兼容的指令集可以没有获得授权，指令集的研发不是很难，但是之后获得授权后才能合法销售
  • 微架构的设计细节是保密且复杂的
  • SoC（System on Chip）封装相对简单
• 商业模式
  • 之前在PC时代，CPU研发厂商自己的微架构只有自己用
  • 后来在智能设备时代，ARM公司将自己的微架构出售，其他厂商可以拿来组装，比如Cortex系列核心
  • 由于ARM公司的成功，ARM公司针对PC领域发布了ARM v8 64位指令集
    • 以前ARM适合低功耗的场景，随着技术进步，指令集对微架构的影响越来越小
• 指令集的选择：倾向于选择软件生态良好的指令集
  • 以前获得指令集的授权很困难，主要通过技术交换的形式（指令集多授权一家，就多一个对手）
  • 后来ARM对指令集授权略微放松
• 参考：
  • 指令集、微架构、手机芯片(Soc)及ARM的介绍(偏硬件科普)

计算机架构

• 冯.诺伊曼架构：程序和指令存储在一起
• 哈佛架构：程序和指令分开存储
  • 比如单片机（51单片机，STM32单片机），Cortex-M系列
• 现代处理器架构一般指令和数据共享存储，但是CPU内部缓存分开

特别介绍：ARM

ARM商业发展

• 由于商业需要，1985年，Acorn公司基于RISC，自研CPU（包括指令集和微架构），称为ARM（Acorn RISC Machine），型号命名为ARM1（对标80286）

• 后来，Acorn公司和苹果公司联合成立了一家叫ARM（Advanced RISC Machines）的公司，开启新的产品策略：授权

  传统商业模式：

  • IDM(Integrated Design and Manufacture)：从设计，到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包，比如Intel
  • 无工厂模式Fabless：自己设计，制造交给代工厂，比如AMD，NVIDIA
  • Foundry：只做代工

  • 使用层级授权（处理器授权）：只能买来已经封装好的CPU，不能更改原来设计，可以配置的地方不多
  • 内核层级授权（POP授权）：以一个内核（或IP核）为基础然后在加上自己的外设
  • 架构层级授权：授权使用ARM指令集，可以修改指令集，但是比较贵
    • 比如华为基于ARMv8，自研达芬奇架构

• 后来ARM公司越来越成功，苹果公司逐渐卖掉其股份，开发ipod（基于ARM指令集）。

  • 2007年，苹果公司发布iphone，基于ARM指令集
  • 2008年，谷歌发布Android系统，也是基于ARM指令集

• 2016年，ARM公司被软银集团收购

• 参考

  • 如何看待观点「华为没有核心技术，因为芯片用的是ARM（安谋）架构，一旦被停止授权，就会做不出芯片」？
  • 【推荐】到底什么是Cortex、ARMv8、arm架构、ARM指令集、soc？一文帮你梳理基础概念【科普】

ARM处理器

一般处理器就是指CPU

但是ARM处理器指的是单个核（或IP核，或内核），因为厂商可以在IP核上进一步封装，最终CPU不尽相同

IP核，全称知识产权核（英语：intellectual property core），是在集成电路的可重用设计方法学中，指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模组。IP核通常已经通过了设计验证，设计人员以IP核为基础进行设计，可以缩短设计所需的周期。

参考：

• armv7-A系列0 - arm 处理器架构发展史中的处理器到底指的是什么
• 到底什么是Cortex、ARMv8、arm架构、ARM指令集、soc？一文帮你梳理基础概念【科普】中的ARM内核与架构
• 指令集、微架构、手机芯片(Soc)及ARM的介绍(偏硬件科普)

• 指令集架构：

  • ARMv1~ARMv9（可以有一定的变种比如ARMv8-A）
  • ARMv8是首款64位的ARM指令集

• 处理器架构

  • ARMv3~ARMv6：
    • ARM6, ARM7, ARM9, ARM11系列
  • ARMv7及以后
    • Cortex-A：大型嵌入式系统（手机）
    • Cortex-R：实时处理器
    • Cortex-M：单片机

• 参考：

  • ARM基础教程 | ARM命名规则

  • ARM 命名规则——指令架构、CPU的历史回顾

参考：

ARM体系架构概述

Android

简介

• Android是一个开源的，基于Linux的移动设备操作系统，主要使用于移动设备

• 谷歌在2007年发布了第一个测试版本的 Android 软件开发工具包（SDK），第一个商业版本的 Android 1.0，则发布于2008年9月。

• Android 应用程序一般使用 Android 软件开发工具包，采用 Java 语言来开发。

版本

• Android版本（版本代号）

  • 每个Android 版本对应一个Android SDK，可以类比JDK

• Android API版本：有利于设置和解决兼容性问题

  Android API级别官方说明

  Android版本和 Android API level的对应关系

• Android NKD

  

工具链

背景：

• 使用GCC编译，很多时候需要手动链接（只有标准库才默认链接）
• 当需要链接的文件很多时，一来每次在命令行中写一遍繁琐容易出错，二来无法使用增量编译

Makefile

• 背景：make命令根据编译规则进行编译，而且可以进行增量编译，makefile用于写编译规则

• 简要语法：

  • 阮一峰make教程
  • 简明make教程
  • GNU make/Makefile 简明实用教程

• 语法笔记

  • make：即制作出某个指定的文件（默认makefile中第一个文件）

    • 越是接近目标文件的命令，就越是要写在前面。因为程序是按照递归的方式进行依赖文件查找的，看到第一行有一个没见过的依赖文件，就往下一行进行查找，以此类推。

  • 核心概念：目标target，前置条件prerequisite，命令command

  • 伪目标的使用

    • 伪目标是一个命令，且没有前置条件：比如clean，显式使用内置目标名指定为伪目标，主要用于执行命令

    • 伪目标是一个文件，但是前置条件有多个，且没有命令：比如生成多个文件

CMake

• 背景：
  • 当工程很大的时候，手写Makefile也不简单
  • Makefile与平台相关，无法实现跨平台
• cmake：跨平台的项目管理工具，自动生成makefile文件，然后make构建
  • 手写CMakeLists.txt文件，cmake生成Makefile，然后再make构建
• cmake简要语法

  • 指令大小写无关，变量大小写相关

  • 可以使用双引号将文件名或目录名包含其中

  • add_executable：将源文件编译成可执行文件

  • add_library：将源文件编译为库文件

    • 在构建时，静态库和动态库重名会导致后面的构建失败，参考
    • SET_TARGET_PROPERTIES：同时构建同名的静态库和动态库

  • aux_source_directory(<dir> <variable>)：将dir目录下所有源文件的文件名存放到variable变量中

  • add_subdirectory：包含一个子目录，该子目录中也有一个CMakeLists.txt文件和代码文件，它们也会被处理，同时可以指定编译输出（包含编译中间结果）的路径

  • link_directories：添加共享库搜索目录

    • CMAKE_LIBRARY_PATH：设置库文件搜索目录，这不是cmake变量（需要在bash中设置），通过FIND_LIBRARY找到相应库文件

  • target_link_libraries(<target> <items>)：为库或可执行文件加入库链接

  • include_directories：添加头文件搜索目录

    • CMAKE_INCLUDE_PATH：设置头文件搜索目录，这不是cmake变量（需要在bash中设置），通过find_path找到相应头文件

  • target_include_directories：在编译目标文件时指定头文件

  • find_系列

    • find_package：加载外部库到项目中

  • configure_file：默认定义了一些编译选项的值

  • option：添加编译选项（更准确是代码中的宏定义）

  • 变量

    • 创建变量：set()，获取变量的值：${variable}，调用环境变量：$ENV{}
    • 追加变量的值：set(SRC_LIST ${SRC_LIST} test.cpp)
    • PROJECT_NAME
    • PROJECT_BINARY_DIR、CMAKE_BINARY_DIR：编译路径，当前工程的二进制路径（即编译产物会存放到该路径，一般为build所在路径）
    • PROJECT_SOURCE_DIR、CMAKE_SOURCE_DIR：工程根目录，即顶层CMakeLists.txt文件的路径
    • EXECUTABLE_OUTPUT_PATH：编译生成的可执行文件的路径
    • LIBRARY_OUTPUT_PATH：编译生成的共享库文件的路径

最佳实践

项目配置

• 在源文件同级目录下建立目录build，在build中
  • cmake ..：将cmake得到的中间文件保存在build文件夹中，需要重新构建直接删除文件夹
  • make：构建，可以使用make clean清除中间文件，重新构建