1.3 龙芯电脑架构

1.3.1 电脑之心：CPU

CPU是一台计算机中最重要的组件。虽然CPU看起来只是比巴掌还小的一块塑料片，但是，为什么说CPU是一台计算机的“神经中枢”呢？做CPU究竟难在哪里呢？本节将为读者进行技术上的解释。如果要从内到外清晰地认识一台计算机，最好的起点就是从CPU开始。

CPU 全称是中央处理器（Central Processor Unit），它是一个高复杂度的集成电路，也是计算机中最重要的核心控制部件。CPU的结构和功能如图1-3所示。

现代的CPU一般可以实现以下4方面功能。

1.数值运算

这是 CPU 最核心的一个功能，因为计算机最根本的功能就是“计算”，也就是用户把计算任务输入电脑中，经过 CPU 中的数据运算功能进行加工处理，最后生成计算的结果。数据运算一般包括定点运算、浮点运算、逻辑运算 3 种，其中定点运算是对整型数据（也就是不带小数点的数据 ) 进行计算，例如加减乘除等；浮点运算是对带有小数的数据进行计算，除了加减乘除之外，还有三角函数、求对数等高级运算功能；逻辑运算是对 CPU 中以二进制方式表示的数值进行与、或、非等布尔代数的操作。在高级的 CPU 中，还会实现多媒体计算、数字信号处理甚至3D图形等更丰富的指令。CPU的数值运算功能主要是通过图1-3中的“运算器”实现的。

2.内存访问

内存是在计算机中与CPU直接相连接的一块具有数据记忆功能的电路板，内存中存储的是CPU进行数值运算的输入数据、中间结果以及最终结果。因为现在计算机处理的计算任务都有很大的数据量，这些数据不可能都放在CPU中，所以就专门制作了用于存储大数据量的内存。CPU在执行数值运算任务的过程中，要频繁访问内存中的数据，也就是从内存中读取数据或者向内存中写入数据，因此CPU要具有内存访问的功能。CPU的内存访问功能主要是通过图1-3中的“控制器”实现的。

3.外设控制

CPU和内存共同承担了进行数据计算的核心功能，但并不是全部。对于一台完整的计算机来说，还需要具有其他方面的功能。例如，需要在机器断电的情况下保存计算的结果到硬盘上，在计算的过程中将数据显示在一个图像屏幕中，以及将计算的数据通过网络传递到另外一台计算机上，还要能够让用户通过键盘、鼠标等方式控制计算机。这些功能称为计算机的“输入、输出”功能（Input/Output），人们发明了专门的设备来实现这些功能，称为输入、输出设备，统称为外部设备，简称“外设”。常见的外设有，用于存储数据的硬盘（Hard disk）、用于远程传输数据的网卡（Network Adapter）、用于输出图像信号的显卡（Display Adapter），以及用于处理用户输入的键盘、鼠标等设备。CPU必须和这些外设打交道才能实现上述要求，这些外设都是在CPU的“控制器”操作下完成相应的功能。

4.其他功能

除了上面所说的功能之外，CPU还包含了很多细节的功能。例如：为了保护CPU在过高的功耗下不被烧毁而实现温度检测功能，方法是在CPU核心的部位放置一个温度检测单元，一旦发现CPU核心温度超过警戒线则自动停机；为了CPU能够灵活地适用于不同的主板而提供配置功能，比如设置主频的高低、处理核的数目以及数据Cache的大小；为了实现操作系统的安全机制，CPU提供不同等级的运行级别，对内存的访问也实行分段、分页的保护式层次结构；为了在一台物理机器上运行多个隔离的操作系统而实现虚拟机（Virtual Machine）功能；为了支持图像识别等功能，CPU还不断集成深度学习等人工智能算法模块。总之，在计算机的几十年发展过程中，计算机的结构发生了日新月异的变化，CPU这个计算机中最核心的部件也是日益复杂化。

提示！

操作系统的安全机制、虚拟机等概念涉及几门专业领域的知识，有需要的读者可以查找相关的书籍进行深入学习。对于一般的用户和应用软件开发者来说，则可以暂时忽略。

分析完CPU的组成结构，可以看到CPU是整个电脑中的“主控单元”，扮演着人的大脑的角色。从地位上来看，CPU负责控制电脑中的其他部件。电脑中的内存和外部设备都是在CPU的指挥下完成数据通信和调度，如果把计算机比喻为一个人体，那么CPU就是大脑，外部设备就是四肢。从复杂度上来看，CPU是整个主板上速度最快、计算量最大的芯片。当前主流的CPU的主频都在1GHz以上，像龙芯3A3000就达到1.5GHz，而且包含4个独立的处理器核，理论上每秒最快能做几十亿次计算操作。对于日常生活中的电脑来说，大多数情况下，计算能力是过剩的。

由此可见，任何计算机都离不开CPU这个最重要的“神经中枢”。

接下来可以为读者解答，为什么CPU是一个世界难题。CPU虽然看上去很小，但是制作起来非常困难。国际上现存的商业CPU设计公司数量本来就不多，能够研制桌面、服务器等高性能CPU的企业则少之又少，耳熟能详的以Intel、AMD、ARM公司为代表，在中国则有龙芯。高端芯片一直是各国竞争的技术高地，CPU的主要难点体现在以下几方面。

1.CPU是一个高度复杂的电路系统

CPU是由晶体管按照一定的逻辑构成的数字电路，目前商用CPU的晶体管数量已经突破了10亿，这是什么概念呢？研究结果表明，人脑中的神经元数量是860亿左右。因此这样一个复杂的系统，对设计团队的技术能力、工程能力、管理能力都提出了高度的要求，往往需要十年以上的技术积累才能具备高端CPU的设计能力。表1-1是几种CPU的晶体管数量。

2.CPU的生产制造需要较高的工艺条件

在CPU设计出来以后，还要经过一系列生产过程才能形成芯片产品。半导体制造技术可算得上人类制造技术中最尖端技术。从最核心的晶圆生产到封装测试，目前国内的生产条件与欧美日韩的企业相比还有一定差距。

下面以集成电路生产工艺中的一个重要概念“制程”进行讲解。制程是指半导体硅片上每两个晶体管中的栅极之间的最小距离，读者可以简单理解为间距越小则晶体管排列得越紧密，电子在从一个晶体管流动到下一个晶体管的时间就越短，所以相同的数字电路能够在更短的时序内完成预定的功能，那么CPU的主频就很容易提高上去，计算性能就能够得到提升。另外，也是更重要的，整个电路能够在更小的硅片上生产出来，所以功耗降低非常明显。

现在半导体行业已经逐步进入了10nm时代，龙芯3A3000使用28nm的制造工艺，相当于在一根头发丝的宽度上排布1000根电路连线。读者可能会问，龙芯是不是可以使用最好的工艺进行生产？事实上工艺越高，对于生产设备的要求也越高，成本也呈指数级增长。另外，高端集成电路制造设备主要来自4家生产商，即荷兰的ASML、日本的Nikon、日本的Cannon、美国的Ultratech。其中ASML垄断了80%的市场份额，最高端的设备售价高达1亿美元一台，Intel、三星的14nm生产线都是买自ASML。但是，这些最尖端的生产工艺并不对所有厂商开放，不是想使用就能够用上的。

3.CPU承载了计算机体系结构中日益发展的新功能

现代CPU虽然从20世纪90年代就确立了基本架构，但是在近年间伴随应用的发展而不断扩充新的功能。例如，为了支持多线程高效运行，提出超线程（Hyper-Threading）技术；为了支持数字信号处理和密集数据计算，提出SIMD（Single Instruction Multiple Data）技术；为了降低功耗，提出ACPI（Advanced Configuration and Power Management Interface）等电源管理技术；为了支持虚拟化、云计算，提出VT-x等技术；最近的潮流则是把图形处理器、人工智能、深度学习等算法都集成到CPU中。这样导致CPU越来越复杂，早就脱离了仅仅是“计算单元”的定义，而成为多种技术综合交叉的“微观巨系统”。

由于以上这些原因，CPU成为计算机中最难制作的部件。龙芯使用了近20年时间，已经逐渐追赶上了国外厂商的步伐，再有几年的发展时间极有希望攀升到国际水平的“天花板”。

1.3.2 龙芯3A3000

龙芯CPU产品线包括“龙芯1号”“龙芯2号”“龙芯3号”三个系列。在信息化应用中主要是龙芯3号，基于64位多核架构，目前主推的是用于桌面终端的3A3000和用于服务器的3B3000（可制成双路、四路主板），很多龙芯电脑产品都是使用这个CPU，如图1-4所示。

3A3000芯片的尺寸是40mm×40mm，在顶部标有处理器的型号名称“龙芯3号”和商标“LOONGSON”，在底部则是有1121个金属焊点，这些金属焊点称为“引脚”，能够通过专用设备焊接到主板上，这样CPU就能够和主板上其他电子元器件进行数据通信。

在CPU内部是由大量晶体管组合成的复杂集成电路，一般人是没有机会拆开看的，只有通过观察版图进行了解。版图是指所有晶体管电路堆叠在一块半导体硅片上形成的结构，越是高端的CPU，其版图越复杂。3A3000的所有电路都是在一个面积为155.78 mm2的硅片上实现的，总共包含了大约12亿个晶体管。这么多的晶体管拥挤地排列在版图上，在图1-5中已经很难区分具体哪一个晶体管是什么作用了，只能够以模块的方式大体划分出不同的功能区域。图1-5展示了龙芯3A3000内部的电路版图。

龙芯3A3000包含以下功能模块。

1.处理器核

处理器核是指CPU中执行数值运算功能的部件。3A3000是一个四核CPU，也就是在一个CPU中包含了4个能够独立执行数值运算功能的处理器核，编号是从0到3。每个处理器核的最高主频是1.5GHz。对于桌面电脑的CPU来说，一般四核就能满足使用要求了。

2.三级Cache

Cache的直译是“高速缓存”，是CPU中用于存储数据的区域。虽然计算机中绝大部分的数据都是在内存和硬盘中保存，但是CPU内部也设计了一块容量较小的存储空间Cache，Cache中的内容是内存中数据的一个“局部缩影”，这样做的好处是，CPU处理器核能够以非常快的速度访问Cache，如果要访问的数据不存在于Cache中，转到内存中去访问。Cache的发明极大地提高了计算机的性能。3A3000的Cache是分成3级的，其中一级、二级Cache都是在每一个处理器核中私有的，而三级Cache是4个处理器核共享使用的。私有一级缓存是64KB，私有二级缓存是256KB，共享三级缓存是4MB。三级Cache占据了3A3000版图上很大比例的晶体管面积，所以增大三级Cache会显著增加CPU的成本。

3.内存控制器

内存控制器是CPU访问内存的通道，内存控制器有一定数量的引脚焊接到主板上，通过主板上的走线连接到主板上插入的内存条。3A3000有两个独立的内存控制器，不仅支持DDR2/3-1333规范，而且支持内存数据校验（ECC算法）。

4.HT控制器

HT控制器是CPU与外部设备之间的控制接口，通过引脚连接到主板上，与各种外部设备进行通信。3A3000有两个独立的外设控制器，支持HT 3.0总线规范（HyperTransport）。HyperTransport本质上是一种为主板上的集成电路互连而设计的端到端总线技术，目的是加快芯片间的数据传输速度。HyperTransport技术以前主要在AMD的CPU上使用，现在龙芯CPU也兼容这种总线协议。

1.3.3 龙芯电脑主板

一台计算机的最主要功能是用于进行“计算”，实际上超过80%的计算工作都是由CPU完成的，剩下20%的工作才是主板上的其他芯片完成的。主板是计算机中的一块电路板，包括CPU、内存条以及其他主要电路模块都在主板上，这样共同组合成一台完整的电脑。CPU和主板都封装在机箱里，平时看不到，只有打开机箱，才能一睹CPU的“芳容”。图1-6是龙芯3A3000桌面台式机中广泛使用的电脑主板。

对于有一定电路基础的读者，深入了解主板有助于学习电脑的结构。从技术角度画出这个主板的逻辑框图，如图1-7所示。

龙芯主板主要包括以下3个模块。

1.CPU和内存插槽

处于图1-7正中间、最上面的芯片就是本书的主角—龙芯3A3000 CPU。左侧与之相连接的是两个支持DDR3协议的内存插槽。

2.桥片

3A3000下面连接的是一个桥片7A1000，这是龙芯自行研制的桥片。桥片是除了CPU之外最重要的集成电路芯片，它的作用主要是作为CPU和外部设备之间的桥梁，也就是计算机和外部设备之间的数据通道。现在的桥片往往都集成了大量常用的外设控制器，由专业厂商生产销售。有的厂商把桥片设计成两个独立的芯片：一个芯片用于集成高速的外设控制器，称为“北桥”，另一个芯片用于集成低速的外设控制器，称为“南桥”。北桥和南桥经常搭配着使用，习惯上称为“套片”，也称为“芯片组”，7A1000在一个芯片中同时提供北桥、南桥的功能。

3.各种接口

从CPU引出一个UART串行口，主要用于调试CPU和操作系统的运行状态，普通用户在日常办公中一般不使用这个接口。串行口会在主板的后面板上有一个插座。另外，CPU还提供一个BIOS接口（基本输入输出系统），通常在主板上会连接一个支持SPI协议的Flash芯片（称为ROM），存储一个最小软件，在计算机上电时执行最基本的初始化和引导操作系统的功能。

龙芯主板提供了两路显示器接口VGA和HDMI，还有网络控制器、音频控制器，另外还预留了若干PCIE接口用于插接独立PCIE板卡设备。这些接口都在主板的后面板上提供相应的插座。主板还提供了硬盘接口，即高速串行SATA接口。对于移动设备，主板还提供了最多12个USB 2.0接口。

1.3.4 龙芯电脑有多快

一台电脑的运行速度在很大程度上取决于CPU的性能。龙芯CPU采用国际主流MIPS标准指令集，并在MIPS指令集基础上进行指令扩展，形成“兼容国际主流、自主发展指令集”的特色。龙芯已经得到MIPS指令集的永久商业授权。龙芯在MIPS原有的近400条指令基础上新增了1000多条指令，主要包括虚拟机指令、向量指令、数字信号处理指令、媒体指令等。从龙芯指令集的演进与发展过程来看，龙芯处理器已经在继续保持兼容MIPS的基础上逐渐发展为自主龙芯指令集LoongISA。龙芯CPU在近几年中的性能提升路线如图1-8所示。

龙芯3A3000于2017年4月发布，性能超越国际主流中低端门槛，单核通用处理性能比2014年的产品提高3～5 倍，SPEC CPU2006 分值为10～11 分，超过Intel凌动系列和高端ARM系列。访存带宽为10～13Gbit/s，与Intel I5相当。采用MIPS兼容的龙芯指令集LoongISA，新一代自主微结构设计GS464E，乱序执行四发射超标量处理器结构，综合设计复杂度达到与Intel的IvyBridgy及AMD的Steamroller相当的水平。片内所有功能模块（CPU、内存控制器等）均为自主设计。

使用CPU性能测试工具进行评估，在相同主频的条件下，龙芯达到与AMD、Intel部分型号相当的性能，如图1-9所示。

龙芯团队继续优化设计、提高性能，第三代产品将在2019年或2020年推出，3A4000继续使用28nm工艺，四核2.0GHz，通用处理性能提高一倍。3C5000使用16nm工艺，2.5GHz， 16核，单核性能再提高20%～30%。整体达到AMD水平，具有一定的市场竞争力。

1.3.5 龙芯电脑哪里买

为了促进宣传推广和辅助高校教育，龙芯公司设立了一个“龙芯开发者计划”，定期举办面向开发者的活动。龙芯开发者计划的目标是通过“一个开放社区、一个开发者大会、一个应用公社”，共同构成开发者的生态根据地。在这个计划中，龙芯的开发者可以在龙芯社区进行技术交流和探讨，可以参加龙芯的开发者大会，可以通过龙芯应用公社来分享开发的小程序、小游戏。

如果读者有志向成为龙芯电脑的开发者，第一件工作就是要购买一台龙芯电脑。龙芯社区为开发者建立了专门的产品购买渠道，开发者可以用成本价甚至低于成本价的优惠价格购买到龙芯的产品。龙芯开发者商城供应组装好的龙芯电脑整机，可以方便地在线购买，一台3A3000电脑和市面上X86电脑的价格是不相上下的。图1-10是龙芯电脑的购买页面。

龙芯3A3000电脑的主要规格参数如表1-2所示。

龙芯电脑推荐安装的操作系统有很多种，首选推荐的是龙芯社区维护的开源版本Loongnix，这个版本包含了大量面向开发者的编程环境和工具，非常适合于进行应用软件开发。另外，还有很多商业版本的国产操作系统也为个人用户提供免费下载，包括中标麒麟、深度Deepin、普华等。本书所介绍的应用程序开发技术，对于Loongnix和其他操作系统都是适用的。在办公软件方面，金山WPS Office也对龙芯电脑的个人版和社区版提供了免费下载服务。