第 3 节 人 人 可 学 CPU
对 信 息 时 代 的 每 一 个 人 来 说 , 以 CPU
思 维 观 察 计 算 机 , 以 CPU 视 角 观 察 世
界 , 就 像 学 习 法 学 、 经 济 学 、 管 理 学
一 样 , 是 一 门 随 时 可 能 用 得 上 的 本
事 。
‖ 开 源 CPU 哪 里 找 ?
互 联 网 提 供 了 丰 富 的 CPU 教 学 范 例
开 源 运 动 不 断 壮 大 , 已 经 从 软 件 扩 大
到 硬 件 。 现 在 很 多 高 校 、 企 业 、 爱 好
者 都 在 互 联 网 上 提 供 开 放 的 CPU 设 计
资 料 , 可 以 将 其 作 为 学 习 CPU 原 理 的
参 考 资 料 。

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需 要 注 意 的 是 , 毕 竟 CPU 开 发 成 本
高 , 对 开 发 CPU 的 企 业 来 说 包 含 了 可
观 的 人 力 和 知 识 产 权 , 因 此 在 开 源 社
区 上 能 够 找 到 的 主 要 是 简 单 的 入 门 级
CPU, 几 乎 难 以 找 到 高 端 CPU。 典 型
的 开 源 CPU 有 OpenRisc、RISC-LV
等 , 主 要 面 向 嵌 入 式 、 物 联 网 领 域 。
少 数 一 些 服 务 器 级 别 的 CPU 选 择 开
源 , 也 是 原 开 发 企 业 在 市 场 很 难 做 下
去 的 情 况 下 、 想 保 持 市 场 关 注 度 的 无
奈 之 举 , 典 型 的 有 OpenSPARC 、
OpenPOWER 等 。
相 比 之 下 , 开 源 软 件 的 发 展 水 平 可 以
算 是 高 出 一 大 截 。 以 操 作 系 统 为 例 ,
有 Linux 这 样 在 全 世 界 的 服 务 器 、 手 机
(Android) 、 岗 入 式 设 备 中 广 泛 使
用 的 产 品 级 操 作 系 统 , 也 有 Red _Hat
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这 样 专 业 维 护 Linux 发 行 版 、 提 供 商 业
服 务 的 企 业 。 如 果 不 想 取 得 企 业 的 服
务 , 用 操 作 系 统 不 花 钱 “ 已 经 是 一 种
可 以 实 现 的 状 态 。
而 在 硬 件 领 域 , 还 没 有 当 红 的 CPU 企
业 敢 于 这 么 大 方 地 把 桌 面 、 服 务 器
CPU 开 源 。
在 这 里 可 以 介 绍 一 下 全 世 界 最 大 的 开
源 电 路 模 块 网 站 OpenCores (https:
//Nopencores.org) , 上 面 有 各 种 类
型 的 开 源 处 理 器 , 数 量 超 过 200 个 ,
可 以 作 为 一 个 参 考 资 料 库 , 但 是 近 几
年 更 新 缓 慢 , 很 多 项 目 已 经 有 10 多 年
没 有 更 新 了 。 另 外 一 个 大 型 社 区 就 是
Github, 里 面 也 有 一 些 CPU 设 计 源 代
码 。 搜 索 关 键 字 “CPU FPGA“ 可 以 找
到 600 多 个 项 目 , 但 是 这 些 项 目 活 跃
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第 3 节 人 人 可 学 CPU
这 样 专 业 维 护 Linux 发 行 版 、 提 供 商 业
服 务 的 企 业 。 如 果 不 想 取 得 企 业 的 服
务 , 用 操 作 系 统 不 花 钱 “ 已 经 是 一 种
可 以 实 现 的 状 态 。
而 在 硬 件 领 域 , 还 没 有 当 红 的 CPU 企
业 敢 于 这 么 大 方 地 把 桌 面 、 服 务 器
CPU 开 源 。
在 这 里 可 以 介 绍 一 下 全 世 界 最 大 的 开
源 电 路 模 块 网 站 OpenCores (https:
//Nopencores.org) , 上 面 有 各 种 类
型 的 开 源 处 理 器 , 数 量 超 过 200 个 ,
可 以 作 为 一 个 参 考 资 料 库 , 但 是 近 几
年 更 新 缓 慢 , 很 多 项 目 已 经 有 10 多 年
没 有 更 新 了 。 另 外 一 个 大 型 社 区 就 是
Github, 里 面 也 有 一 些 CPU 设 计 源 代
码 。 搜 索 关 键 字 “CPU FPGA“ 可 以 找
到 600 多 个 项 目 , 但 是 这 些 项 目 活 跃
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度 都 很 低 , 其 中 获 得 Star 评 分 最 高 的
是 一 个 兼 容 RISC-V 指 后 集 的 CPU 设
计 项 目 , 获 得 了 5400 个 StarL1l。 相 比
Github 上 随 便 一 个 软 件 组 件 项 目 就 能
获 得 上 万 个 Star,CPU 的 开 源 资 源 确
实 是 比 较 薄 弱 的 。
L 数 据 查 询 时 间 为 2021 年 9 月 。
龙 芯 从 2016 年 推 出 “ 面 向 计 算 机 系 统
能 力 培 养 的 龙 芯 CPU 高 校 开 源 计
划 “, 将 GS132 和 GS232 两 款 CPU 的
核 心 源 代 码 向 高 校 开 源 , 大 学 老 师 可
以 基 于 龙 芯 平 台 设 计 CPU 实 验 课 程
( 见 图 1.16) , 让 学 生 在 课 堂 上 有 机
会 设 计 “ 真 实 的 处 理 器 “。

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CPU 技 札 在 计 算 机 科 学 中
的 地 位
CPU 是 整 个 计 算 机 中 最 复 杂 的 模 块 ,
是 计 算 机 科 学 的 制 高 点 。
计 算 机 科 学 中 主 要 的 原 理 大 部 分 都 涉
及 CPU。 在 国 际 计 算 机 学 会 (Assoc
iation for Computing Machinery,
ACM) 2013 年 制 定 的 计 算 机 专 业 的 18
个 知 识 领 域 中 , 涉 及 计 算 机 本 身 工 作
原 理 的 课 程 都 和 CPU 相 关 , 甚 全 是 以
CPU 为 核 心 。18 个 知 识 领 域 列 举 如
下 。

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洁
( 1》 算 法 与 复 杂 度 《10)》 网 络 与 通 信
《2》 体 系 结 构 与 组 织 * 《 操 作 系 统 *
(3) 计 算 科 学 . 《12) 基 于 平 台 的 开 发
《4〉 离 散 结 构 (《13》 并 行 和 分 布 式 计 算
(5) 图 形 学 与 可 视 化 《14) 程 序 设 计 语 言
《6) 人 机 交 互 〈157 软 件 开 发 基 础
〈《7》 悦 息 保 障 与 安 全 《16》 软 件 工 程
吴 国 园 园 国 园
(《8》 信 息 管 理 《17》 系 统 基 础
国 园 国 团 园
(《9》 智 能 系 统 _ 《18》 社 会 问 题 与 专 业 实 践
人 1
上 面 标 星 号 的 两 个 课 程 都 与 CPU 关 联
紧 密 。 体 系 结 构 与 组 织 主 要 针 对 计 算
机 的 硬 件 组 成 , 尤 其 是 以 CPU 为 中 心
的 整 个 计 算 机 的 硬 件 设 计 。 操 作 系 统
是 在 CPU 上 运 行 的 软 件 , 操 作 系 统 的
设 计 和 工 作 流 程 也 要 紧 密 围 绕 CPU 展
开 。
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经 典 的 计 算 机 体 系 结 构 教 材 , 第 一 节
都 是 讲 解 CPU 的 原 理 , 其 次 才 是 存 储
器 和 输 入 / 输 出 (IMO) 。CPU 原 理 能
卢 整 个 计 算 机 原 理 的 70%。 把 CPU 讲
透 , 才 能 明 日 整 个 计 算 机 是 怎 样 工 作
的 。 在 此 基 础 上 , 设 计 配 套 的 操 作 系
统 , 提 供 一 个 管 理 计 算 机 的 软 件 平
台 , 也 提 供 运 行 上 层 应 用 软 件 的 平
台 。
可 以 列 出 这 样 一 个 等 式 :
制 作 计 算 机 = 做 CPU + 做 操 作 系 统
会 做 CPU、 操 作 系 统 才 代 表 会 制 作 “
计 算 机 。 中 国 产 业 界 经 常 称 CPU 为
“ 电 脑 之 心 “ 、 操 作 系 统 为 “ 电 脑 之
魂 “ , 很 贴 切 地 反 映 了 这 两 者 的 地
位 。

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