前言
大家好，我是沉默之海。
CPU，全名中央处理器单元，简称CPU。这是一句正确的废话
上面这条CPU的解释，即使是非专业人士，也略知一二。但是，如果配上指令集、架构、内核、微架构这些概念呢？小白见到直接糊了。这些词，如果只看术语本身，也能基本看懂其含义；但是，如果想要理解它们在计算机体系结构中的地位，则需要更加深入的学习。
我一开始也迷迷糊糊分不清这些概念，即使去百度，看了这些概念的解释，也只能理解其字面意思，而不能知晓它们之间的关联。所以，我不求看了这个专栏的人立刻理解这些概念的含义，读者只要能在心中留下一个引子，在以后的学习中少走一点弯路，那就够了。
从宏观到微观
我是嵌入式开发出身，因此我对计算机体系结构的理解，也是从嵌入式处理器的角度出发。如有不足之处，欢迎指正。
处理器
处理器，其实是一个非常广泛的概念。它是计算机运行的核心，但又不只是核心。家用电脑的intel i5 6500, amd 3500x 能被称作处理器；手机中的SoC，如k990,s855，也能被称作处理器；嵌入式设备中的ESP32，STC8等MCU也能被称作处理器；在FPGA上搭一个8051软核也能被称作处理器；甚至PPT也能被称作处理器(PPT图灵完备！)。
处理器为了能运行程序，运算单元是必不可少的；为了效能，需要有定时器、SRAM等外设；为了与外部电路交互，需要有IO接口；为了控制功耗，需要有电源和时钟控制。
以MCU，即微控制器为例，处理器内部大致可以分为内核和外设。内核负责执行程序指令，控制外设的工作；外设为内核服务，向内核传递程序指令，同时也受内核控制。内核和外设，就像人的大脑和躯干，两者相辅相成。
处理器的实例：i5 6500,k990,STM32F1/F4/H7,STC8,AT89C52
内核
内核是处理器最重要的部分，它负责执行程序指令，决定了处理器可以执行什么指令，执行得多快。以ARM Cortex-M3内核为例，ST拿它做出了STM32F1系列MCU，GD拿它做出了GD32F1系列MCU。因为用的是同一个内核，所以把STM32的bin程序之间写到GD32里，也能运行，只不过因为两者外设的区别会出现一些问题。
因此，虽然APM32F1与STM32F1是两个不同的处理器，但由于内核相同，外设的寄存器配置相同，两者可以相互替换。
内核的实例：ARM Cortex-M3/A8/A76,蜂鸟E203,E8051
微架构
微架构是比内核更抽象的概念，它们有时候又可以划等号。例如，i5 6500的微架构是SkyLake，i7 6700的微架构也是SkyLake，但是它们内核有所差别，性能也有差距。微架构是指某个指令集的具体实现方式，而内核是根据这种实现方式做出来的实体。同样，以MCU为例，STM32F1是ARM CM3内核，但ARM CM3也可以被称为微架构。
微架构的实例：ARM Cortex-M3/A8/A76,蜂鸟E203,E8051,SkyLake
指令集
指令集，又称指令集架构(ISA)，定义了一套指令集合和程序编写指南，它是处理器的灵魂。例如，8051指令集，定义了一大堆指令的格式，定义了存储/数据空间的读写方式，定义了寄存器的行为，等等。
指令集通过各种功能指令的配合，满足顺序、选择、循环结构的实现，让程序员知道汇编程序写，让编译器知道C语言转换成什么东西。
指令集的实例：x86/64,ARMv7,RISC-V,8051
反过来走一遍
以上内容，从处理器到指令，由浅入深，读者越看越费劲，我也越写越费劲。实际的处理器开发流程，其实是 指令集->微架构/内核->处理器。以这个顺序去梳理思路，其实会更顺畅。
关注我的朋友应该都知道，我正在从零开始不完全是零，设计大黄鸭处理器。这也就意味着，指令集需要我来规划，内核需要我来设计，处理器需要我来集成，而这些工作是依次进行的。大黄鸭处理器很简单，微架构/内核就没必要分开谈了。下面，我将依照大黄鸭处理器的开发流程，对以上内容进行梳理。
指令集
大黄鸭指令集是我工作的起点。设计指令集不是乱设计，必须至少考虑两个问题：功能完备，硬件实现。
功能完备指的是，指令需要具备顺序选择循环结构，可以访问足够的数据空间，有充足的算术/逻辑运算指令。硬件实现指的是，单条指令必须是硬件可以完成的工作，比如逻辑移位、无符号加法；如果我设计一条指令的功能是播放Bad apple，数字前端会觉得我脑子有问题。
我设计的大黄鸭指令集属于RISC(精简指令集)，16条指令，可以顺序执行、条件跳转，8/16位长度，16个寄存器，16位寻址位宽。即具备合理的功能，也易于硬件实现。
内核
大黄鸭内核在指令集的指导下完成，是指令集的具体实现。设计处理器内核，不是拿着verilog乱设计，这一切需要符合指令集的规则。为了实现大黄鸭指令集，我切出一个2级流水线，并为流水线的每一级分配功能，如寄存器读写、算术逻辑运算、访存等。
内核设计阶段，我不考虑指令存储器有多大，SRAM有多大，只需要内核可以正常执行指令集中的所有指令。
处理器
处理器是内核+外设的整合。内核只能执行指令，并且指令还得由外设喂给内核。为了降低内核访问外设的负载，还塞进去了一条总线。将各种功能结合，内核+总线+外设，外面套一层封装，就是可以用的处理器了。
