第五章 设计参数

    第五章入伙

    “你也看到了，我目前正在做的工作。”张亿诚指了指桌子上的图纸，“我要完成这个设计还需要很多的其他的工作来验证，你看到的还只是第一步，如果设计验证没有问题，那么我还需要一个平台来检验他的性能，所以我想你会对组装一部自己的计算机很感兴趣吧，我知道的苹果公司可是你的偶像。”张亿诚有绝对的把握他的老同学埃里克先生会答应，埃里克是70年代个人计算机爱好者成立的“家酿计算机俱乐部”的成员。

    关于家酿计算机俱乐部的来由还是有一些典故；70年代早期在加利福尼亚州伯克利分校的一群人成立了一家：人民计算机公司，他们声称计算机被DEC、HP、CDC、IBM这些大公司垄断，生产的计算机被出售给国家的军事部门，军事部门利用这些计算机制造各种武器和导弹这些毁灭人类的武器，被政客和资本家所控制和使用，所以这些计算机基本是用来反对人民而不是帮助人民，所以他们提出口号：人民计算机，在他们的鼓吹下于是研制人人能用、走进家庭的计算机成为了当时无线电爱好者和发烧友们的最热门话题，“卷起袖子为你自己做一台计算机”成了他们的口头禅，而为了能做出好的自己的计算机，他们就需要技术的交流，于是当时成立了很多的计算机俱乐部。在众多的计算机俱乐部中，最有名、映像最大的就是在加州硅谷成立的“家酿俱乐部”，发展到这个时候家酿俱乐部几乎是个人计算机爱好者中的圣地，发烧友以能够加入这个俱乐部为荣。

    以前埃里克就有自己做一台自己的计算机的想法，只是一直受限于资金，所以才迟迟没有行动。美国的大学生可没中国的娇贵，他们大部分在校期间都有兼职，甚至有的学生在有空闲的时候宁愿去码头当搬运工赚取外块也不会随便张口向父母要钱。

    张亿诚现在以帮助自己研究的名义像埃里克伸出橄榄枝不怕他不接，果然当埃里克听到自己的工作是组建自己的计算机的时候，眼睛里神采被狂热兴奋所替代，以一种兴奋而略带不确定的口气问道：“你确定是让我帮你做自己的计算机（个人计算机）？”

    “我非常的肯定的告诉你，你没听错，但是首先我想先申明一点，我需要你做的计算机用我的这个处理器，毕竟这是我的目的所在。”

    “这个没问题，我要确定的是你的处理器什么时候可以完成，我已经快等不及了，真想看看我亲手做的计算机出现在俱乐部里的时候那帮家伙是什么表情。”可怜的埃里克已经掉入张亿诚的陷阱而不自知，要想真正的做成这台计算机单单前期做市场上各种配件的调查就不知道需要花费多长时间，要知道这个时候还不像前世那样电脑零部件市场到处都是，这个时候电脑市场里基本卖的都是整机，而张亿诚恰好又没有足够的时间去做这样的工作，招聘个专业的人员还需要付工资，埃里克又完全是免费的内行人，还有比这样更合适的人吗，真是一举两得啊。

    “亲爱的埃里克我理解你急迫的心情，请在给我一点点时间，不会让你等待太长的时间，我保证。”张亿诚低头看了看手表，已经晚上8点一刻。接着说到“那么现在，我想是我需要晚餐的时间，如果你不介意我邀请你和我共进晚餐，前提是你需要自己动手做，让我看看冰箱里还有什么，一般的情况下，我一个人是不会做饭的。”张亿诚边说边向厨房的方向走去一边和埃里克说着话，埃里克紧紧的跟随过去。

    “我不知道你晚饭还没吃，虽然我已经在学校吃过了，但是我还是想尝尝你们中国人的手艺。”

    张亿诚可没时间去做中国菜，看了看冰箱里的保鲜室，还有几个土豆、猪排和一些胡萝卜以及一些白菜。

    埃里克就像个刚得到了大人承诺帮自己买心目中的玩具的孩子一样，滔滔不绝的说着自己的构想，张亿诚只是时不时的应一声表示自己的存在，21世纪作为这方面的专家他实在对埃里克的设想缺乏兴趣。

    吃过晚饭后，2人坐在沙发上，埃里克还在畅谈他的构想，张亿诚实在被他烦透了。

    “埃里克，你有时间在这里畅谈不如你到我的书房去或者回到学校的宿舍把自己的构想用你手中的笔写下来如何，这样我们将知道如果完成这样一件作品我们还需要那些东西，而价格又是多少，你觉的呢？”这个时候张亿诚已经决定今天晚上就完成处理器核心的图纸设计工作，要加快进度。“明天开始除了学习外，我想你的主要工作是做电路板公司以及存储器公司等这方面的调查报告。”

    在给埃里克吩咐了工作后，就把他给送出了大门，现在张亿诚想集中精力工作免受任何的打扰。

    张亿诚设计的芯片采用流水线设计，这种设计方法目前还没有出现，那么这将是张亿诚后面如果自己的芯片出师不利，将也会采取限制别人的第一步，那就是专利战。

    为了优良的性能和安全，张亿诚将采用的流水线设计分为用户模式和专用模式2种工作模式，而寄存器也分为2种，通用寄存器和特殊寄存器，为此而专门设计了16个寄存器，在用户模式下，指令只能访问12个通用寄存器，而专用模式可以多全部的16个寄存器自愿进行访问，从用户模式近入专用模式的钥匙就是中断和例外。

    中断对于流水线的数据通道而言，只有两种情况，一类是执行的指令代码不合法，需要转入中断服务程序，另外一类是例外或者中断指令，例如系统启动、硬件中断和中断返回等。

    在张亿诚的设计中指令的执行过程被划分为3个步骤：取指令、译码和执行，为什么这样设计，首先让大家看下比如有3条指令输入计算机是123，123，123，那么采用了流水线后，执行的情况首先取值1然后译码到2的位置，这个时候第二条指令正好进入取值环节，当指令1进入到执行的阶段的时候，那么第二条指令正好是译码阶段而第三条指令处于取值阶段，这样处理器内部将全速运行，这个时候处理器的执行效率最高，这也是在不增加计算机频率上就可以增加计算机的性能的一项技术。

    而这个时候的8086还在读一条指令执行完在读下一条指令的原始阶段。为什么张亿诚不采用4级5级甚至8级9级流水线，不是他目前不想设计，而是流水线越多，结构将越复杂，以现在的工艺做出的成品，张亿诚估计良品率可能不会超过10%，次品如此之多的后果将是售价的提高，造成竞争力的急剧减弱，对于张亿诚这种想快速大面积推向个人计算机市场来说会非常不利。

    张亿诚挑灯夜战在努力的做着他的工作，“呼，前面的步骤终于差不多了，那么接下来让我开始总线的架构设计。”张亿诚自言自语的说道。

    总线是处理器的内部的数据、地址以及控制信号的传输通道，同时也是外部交流的接口，因此，处理器总线的设计对处理器的性能有着非常重要的影响。这就好比如果一个城市没有宽敞畅通且快速的大马路，和有宽阔大马路甚至高速比较，如果你想从城东到城西办事，你觉的那个更快捷。

    张亿诚把片外的总线分为3部分数据总线、地址总线和控制总线，采用3总线并行结构。数据总线为16位的双向总线，用于外部程序存储器或者数据存储器读取指令或者数据和对外数据存储器进行写cao作的通道，对只读存储器和对随机存储器的读和写是分时复用。地址总线也是16位，可以寻址的空间为64K，程序计数器是个16位的地址寄存器，用来存放要访问的程序存储器的地址，子程序计数器也是一个16位的地址寄存器，在子程序调用或者执行中断程序的时候来代替程序寄存器的功能。外部的控制总线将由访问存储器的读、写和准备等信号组成，主要读写外部存储器和I/O设备（input/output的缩写，比如键盘是输入设备打印机是输出设备）。

    完成了外部总线设计的张亿诚又开始了下一步片内总线的设计，这一次张亿诚思考了一会，因为这牵扯到2种总线结构，冯诺依曼体系和哈佛体系，自然哈佛体系对计算机的性能的提升有很大帮助但是也将会造成工艺的复杂对成本控制不利，哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的cao作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。而冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，英特尔的8086就是这种结构，张亿诚仔细的想了想为了以后设计的连贯性最终还是决定使用哈佛体系的存储器结构。