CPU基础——历史

既然要造CPU，那么肯定不能不学习CPU的原理嘛！那么我们从哪儿开始入手呢？

技术的发展都是循序渐进的，早期的CPU会比现代的CPU更为简单，所以从了解CPU，甚至是计算机的历史开始，或许是一个比较好的方向。

CPU的全称是Central Processing Unit，也就是“中央处理单元”，我们知道，计算机上的计算任务都是由它处理的（至少在早期计算机上是如此，现代计算机中图形处理器GPU也有计算能力），而计算机被发明，也正是因为人们对计算的需求。

在古代，人类就已经发明了许多用于帮助计算的工具，从算筹，到后来的算盘、计算尺，然而懒惰的人类还是希望使用机器来替代人类计算。

在电气时代之前，人们自然而然的将主意打到了机械头上。计算钟、帕斯卡加法器等机械式计算器被一个个的发明出来，但是所有这些用来辅助计算的工具都有一个特点：能用于计算，但是也仅仅是用来计算。输入和结果的输出都需要人的辅助，如果要进行复杂的计算，还需要人为的将计算分解为一个个小步骤，然后交由计算器实现。

那么，能不能让机器自动的去计算呢？

迈出这一步的人便是查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage，1792—1871），他想利用机械计算器自动化的计算数学表（当时的数学表都是由人工计算的，错误很多）。

他从法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard，1752－1834）发明的提花机中找到了灵感（这种提花机可以根据纸带上的孔去控制提花出来的图案），从而提出了“差分机”（difference engine），他花费10年的时间，完成了第一台差分机，如下图：

他的第一台差分机可以进行6位精度的计算，但在他努力讲精度提升到20位时，政府停止了对他的支持援助，再加上当时的机械加工水平限制，最后以失败告终。在研制差分机的过程中，他又构想出分析机。在差分机中，他创造性的提出了算术逻辑单元，支持分支和跳转的控制器，以及存储器。由于与总工程师的冲突和资金不足，巴贝奇没能完成这台机器的建造。

生活在机械时代的巴贝奇，却构思出了完整的计算机结构，领先世界一百年！

尽管巴贝奇未能实现他的完全构想，但他对将来的计算机的贡献却很大。在他的“差分机”中，他首次提出了“储存库”以及“运算室”，以及输入输出设备。在他后来构想的“分析机”中，人们可以使用指令进行编程！实现分支和跳转等逻辑。可以说现代计算机的结构几乎就是他的分析机的翻版（不过我们使用的是电子元件，而他使用的是机械齿轮）！鉴于他的这些贡献，他被公认为计算机之父。

尽管当年的工业水平限制了人们在现实中制造一台计算机，但是并不妨碍进行数学上的研究。

1936年，图灵（Alan Turing）提出了图灵机模型，他从理论上证明了通用计算。图灵机具体是什么东西，我们下一篇文章再讲。

尽管图灵机只是一个理想中的模型，但是它给我们如何去制造这样一个机器提供了一个方向。

1937年，阿塔那索夫构想出了使用电子管的计算机，在研究生贝瑞的帮助下制造了阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff–Berry Computer，通常称为ABC机）。这是世界上第一台电子计算机，尽管它只能用于解线性方程组，但是它的思想被后来的计算机借鉴：

• 使用二进制表示所有的数字和数据
• 使用电子器件而不是齿轮等机械进行所有计算
• 分离储存和计算部件

在现代计算机中，这些思想仍然存在。

1946年，第一台通用计算机：ENIAC诞生，但是这台计算机和现代计算机有一些区别，其一是它使用的是10进制而不是2进制进行计算，他也不像现代计算机一样从存储器读取程序，换句话说，ENIAC不是存储程序式的计算机，编程是通过手工插接线的方式进行的（没有内部存储器，操纵运算的指令分散在许多电路部件中，每次不同的计算必须由人工搭配大量的运算部件，甚至更改计算机内部的物理线路）。在ENIAC研制过程中，研制人员就已经发现了这个严重缺点，并开始研究解决这个问题。

1952年，第一台现代意义上的通用计算机EDVAC被制造了出来，它拥有存储器可以储存程序，也使用二进制进行计算，几乎包含了现代计算机的一切特征。

1958年，第一台全晶体管的计算机问世，晶体管的发明，使得计算机的尺寸和功耗都大为减小，更是为以后集成电路计算机的出现埋下了伏笔。

19世纪60年代，集成电路开始发展，IBM推出了第一台由集成电路构成的计算机IBM System/360系列，人们不再完全使用一个个独立的晶体管去构建计算机，这使计算机的可靠性大大增加了。

70年代初，最早的“个人电脑”之一Kenbak-1问世，这台电脑在当时售价$750，它使用开关作为输入，灯泡作为输出。然而两年内只销售出去了40台，研发它的公司也倒闭了……

这台电脑完全使用TTL集成电路构成，拥有256Byte的内存，每秒大约能执行1000条指令。（我们的Mercury CPU就更类似这台计算机，但因为现今更为优秀的集成电路工艺，我们可以实现比它强大得多的性能）

同样是在70年代初，Intel推出了第一个单芯片的处理器，它将计算单元、控制单元集成进了一块芯片。这就是4004：

随后，Intel又设计了8008和8080，而8080则是第一个真正普及的微处理器。

至此，计算机的结构已经和当今的计算机几乎完全一样了。

再往后，得益于集成电路的飞速发展，硅片上单个的晶体管越来越小。1971年发布的4004CPU使用的工艺是10um，而到了40年后的2011年，这个值是32nm，而现如今，这个值是10nm。由于晶体管的尺寸越来越小，在同样大小，甚至是更小的硅片上我们可以放上更多的晶体管，因此CPU的设计者就有能力使用更多的手段使设计出的CPU有更强大的性能。在相当长的时间内，程序员们不需要对程序做更多优化，只用更换更好的CPU就可以直接提升性能了。

在现代的CPU中，实际上很大一部分晶体管和硅片面积都不是和CPU的计算、控制直接相关的，而是花在提高处理器性能的一个重要部件：cache上。下面这张图展示了Intel i7-5960x CPU的内部结构：

 

 

我们可以看到，中间一块巨大的面积是L3 Cache，Cache的作用是提高CPU访问内存读写数据时的效率，而L3是整个CPU中最后也是最大的一级，在其左右分布的8个核心之中，还分别包含一个L2和L1 Cache。

在核心的上方，是Uncore，直译过来就是“非核心”，Uncore部分的功能是对cache的管理，对核心访问外部设备、与外部设备通信提供支持。

这些部件并不是一个处理器所必须的，但是却是提高处理器性能所以必要的。

 

 

 

 

 

 

 

 

纵观这段历史，我们发现，从巴贝奇的分析机开始，一台计算机就拥有了存储器，控制器，运算部件、输入输出设备这几个部分。这也正是冯·诺依曼结构计算机的基本结构。

得益于集成电路的发明和发展，我们可以将这些部件“模块化”，控制器和运算部件（算术逻辑单元）从计算机中被“独立”出来，成为了现在的“微处理器”，也就是CPU。

这意味着我们的Mercury CPU也需要包含一个控制器，一个算术逻辑单元，除此之外，为了让我们的CPU能够真正的“跑起来”，我们还需要设计外围设备，也就是用于储存程序和储存临时数据的存储器了。

下一篇文章中，我们会来谈一谈CPU的内部结构应该是怎样的。