CPU部分功能新解

最近和人在網路上討論CPU設計。我寫出了對於堆疊(stack)及中斷(interrupt)的認知。


2004年在學了CPU設計同時，我也一併學到編譯器設計及作業系統原理。這段時間不是很長，大約一年，且一個月才有一天機會。

不過從退休教授那所學的，卻和一般書本完全不同。我學的Forth語言，本身就包含有語言及作業系統的組合。這和一般書分開的不同。

所以我必須一邊了解Forth系統，一邊比對。和現在書上的分類及技術上的不同。

不過也許是同時學，才發現CPU設計上一些功能上設計原理。


1.對於Stack的加入

  因Compiler原理看不懂，改看Yacc的應用，發現所有的Compiler是可以從Yacc中做出來。而Yacc其技術便是使用Stack。

  後來又看了Automata Theory，討論了簡單電腦語言。其中對於自動機(Automata)能做到的事給予描述。

  一個計算器(Computer)能因運作元件可以做到多少事加以證明。從一開始的字詞辦識，僅需使用記憶單元及運算單元。

  但對於Context Free Language來說，必須引入Stack元件。而所謂CFL(Context Free Language)是C語言之類的電腦語言工作之範圍。

  其實書本看到這裏我就有點看不是很懂，但可以知道，所謂電腦語言語法，有其工作能力及可以計算問題的範圍。

  當時我正好學會Verilog，心想其實如果FPGA的容量夠大，可能不需使用CPU這樣的結構就可以工作，那為何要將電腦語言濃縮成CPU。

  其實答案很明顯，節省硬體。也就是我們給定計算程序用來解問題，除了計算程序，結果必須有硬體，硬體要克服實現計算，將必須使用的功能濃縮，就是CPU。

  也就是計算器本身不一定由電子電路實現，也有可能由機械、水力、光能來實現計算及記憶。但加入Stack功能便可以寫入高階電腦語言(如C)來執行。

  由於Stack的能力，使得我對於電腦語言及CPU的演算能力有新的認知。原來電腦語言與電腦本身都是實行運算能力的一部分，而非分開發展的。
 

  a.對於無Stack CPU程式的撰寫

    這算是一個自我練習的題目，但很快的我找到了現實的CPU，那就是PIC微控器。
    沒有Stack那就表示，沒有subroutine可以用。結果程式不就只能寫成長長一條。

    可是還是有人可以在上面寫出程式功能塊，可以重覆使用，並引入參數。其運用技術是使用巨集(MACRO)，這是組合語言常用招式。

    巨集實為文章抄寫取代，每次寫出，就會有對應的程式取代，取代完後，程式果真就是長長一條，是符合無Stack CPU來執行。但寫法又可以像一般函式呼叫，只是程式因巨集展開會增大很快。
    
  b.subroutine return stack和data stack的發現 

    主因在於我想解析C語言如何轉成組合語言，發現在X86及68K兩種CPU上不太一樣。X86使用一個Stack，而68K使用二個。

    68k將區域變數另外用一個Stack來存放。這個問題好玩的地方在，萬一程式寫不好，區域變數存取錯誤時，68K的程式仍不會馬上當，X86卻會。

    這使我意識到不同功能Stack最好分開管理，這也是後來RISC CPU要使用多個Stack，方便管理及增加效能。

    而我在看JAVA的虛擬機時，看到採用單一Stack設計，我就會知道一定會像X86一樣效能低且不穩定性高。
 
  我又研究了Lua語言，發現也有使用stack結構來完成虛擬機。一個stack運算機器無疑是完成電腦語言的基本骨架。


2.對於interrupt的加入
  本想，就算沒有這個功能，CPU一樣可以跑。有了也只是對於I/O反應快。
  但在學了作業系統後可不同了。

  有了interrupt，CPU可以在多個程式中轉移，這是多工所需要的。反之沒了interrput，現在作業系統將完全無法移上去。

  現代作業系統的主要功能是產生多工，及電腦資源管理。只要系統大，資源管理是必然。

  但多工的意義呢?我自己寫了一個在8051上的簡單多工系統，發表在8051的版上。
  這個版本的多工因不使用中斷，會使程式寫法大受限制。

  原來多工能力會影響寫程式的樣子，其實程式的寫法不應受CPU的執行力影響。其解法就是CPU必須加入多工，也就是加入interrupt。
 
  a.沒有interrupt時程式的寫法

    這也是自我練習題。結果沒想到竟學到Coroutine技術。其實這是非強制多工作業系統的技術，一個被遺忘的作業系統。

    也就是像一般程式寫法，結構要相同，但不使用interrupt的多工。其主要功能是開發一個coroutine函式，利用它進入及跳出程式。

    因為同一個函式同時可以產生進入及跳出，故名為Coroutine。
    Coroutine的發現，使我完完全全了解了從單晶片電腦到現代PC其上作業系統的演進程序。因為它交代了為何作業系統和單工系統中間的複雜度落差。

    單工系統只需管理共用變數，而作業系統的管理函式一下子暴增。原來是中間有一個被遺忘的作業系統，其管理函式數目介於兩者間。

    Coroutine技術也讓我了解如果純用軟體模擬多工的方法。
   

  b.interrupt和process的相關

    這是多工的反面看。從使用者角度來看。
    由於中斷加入，程式不再受CPU能力而要改寫原始碼。也就是單核心及多核心寫法是沒有差的(有共用變數時則有差)。

    另外一種說法是，使用者可以同時開幾個彼此無相關的程式一同運作，好像每個程式都有獨立CPU。
    這樣的用法不就是平常我們在用的Windows程式，我們一定同時開Word、Excel等程式。Windows要是沒有多工，那不就糟了。

    所以process就是一個利用interrupt產生之CPU的影像。

    也因有了process的觀念，作業系統可以簡單管理多核心CPU。這一切都源於interrupt的發明。