CPU基本工作原理

一、CPU基本工作原理

CPU(Central Processing Unit，中央處理器)是計算機的運算核心和控制核心，由運算器、控制器和寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。

CPU的運作原理可分為四個階段: 提取(Fetch)、解碼(Decode)、執(zhí)行(Execute)和寫回(Writeback)。CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，并執(zhí)行指令。

CPU緩存分為一級和二級緩存。一級緩存，即L1Cache。集成在CPU內(nèi)部中，用于CPU在處理數(shù)據(jù)過程中數(shù)據(jù)的暫時保存。由于緩存指令和數(shù)據(jù)與CPU同頻工作，L1級高速緩存的容量越大，存儲的信息越多，可減少CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換次數(shù)，提高CPU的運算效率。一般L1緩存的容量通常在32-256KB。二級緩存，即L2 Cache。由于L1級高速緩存容量的限制，為了再次提高CPU的運算速度，在CPU外部放置一高速存儲器，即二級緩存。CPU在讀取數(shù)據(jù)時，先在L1中尋找，再從L2尋找，然后是內(nèi)存，再后是外存儲器。

CPU的主要性能參數(shù)包括：主頻、倍頻和外頻。CPU的主頻也叫時鐘頻率，CPU 主頻為 CPU 的額定工作頻率，當(dāng)內(nèi)核數(shù)目和緩存大小一樣時，主頻越高的CPU性能越好，主頻越高CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快，CPU的主頻=外頻×倍頻系數(shù)。

外頻和倍頻的區(qū)分主要和CPU的發(fā)展有關(guān)的。由于CPU發(fā)展太快，而其他硬件無法達(dá)到同樣頻率來交互，于是CPU進行妥協(xié)，將外頻作為和主板其他部件之間通訊的頻率，而工作頻率靠倍頻來調(diào)節(jié)提升。

• CPU的主頻，即CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。即為通常所說的CPU是xx MHz。
• 外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。
• 倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關(guān)系。一般情況下，同代（同針腳）的CPU，其外頻往往是一樣的，只是倍頻系數(shù)的變化導(dǎo)致主頻不同。

多核處理器把多個CPU(核心)集成到單個集成電路芯片(Integrated Circuit Chip)中。一個雙核的CPU有2個中央處理單元，操作系統(tǒng)可以看到真正的2個核心，所以2個不同的進程可以分別在不同的核心中同時執(zhí)行，這大大加快了系統(tǒng)的速度。由于2個核心都在一個芯片上，因此它們之間的通信也要更快，系統(tǒng)也會有更小延遲。

超線程(Hyper Threading)其實就是同時多線程技術(shù)，是一項允許一個CPU執(zhí)行多個控制流的技術(shù)。它的原理就是把一顆CPU當(dāng)成兩顆來用，將一顆具有超線程功能的物理CPU變成兩顆邏輯CPU，而邏輯CPU對操作系統(tǒng)來說，跟物理CPU并沒有什么區(qū)別。因此，操作系統(tǒng)會把工作線程分派給這兩顆（邏輯）CPU上去執(zhí)行，讓（多個或單個）應(yīng)用程序的多個線程，能夠同時在同一顆CPU上被執(zhí)行。注意：兩顆邏輯CPU共享單顆物理CPU的所有執(zhí)行資源。實際上，超線程技術(shù)就是對CPU的虛擬化。

二、CPU架構(gòu)的分類

CPU架構(gòu)是CPU廠商給CPU產(chǎn)品定的一個規(guī)范，主要目的是為了區(qū)分不同類型的CPU。當(dāng)前市場上的CPU分類主要分有兩大分類：一個是intel、AMD為首的復(fù)雜指令集CPU，另一個是以ARM為首的精簡指令集CPU。那什么是復(fù)雜指令集？什么是精簡指令集呢？在講解X86和ARM CPU架構(gòu)之前，我們先了解CISC復(fù)雜指令集和RISC精簡指令集。

CISC（Complex Instruction Set Computer）復(fù)雜指令系統(tǒng)是為了增強原有指令的功能，設(shè)置更為復(fù)雜的新指令實現(xiàn)部分大量重復(fù)的軟件功能的硬件化。由于早期的電腦主頻低、運行速度慢，為了提高運算速度，不得已將更多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中來提高電腦的處理效率，慢慢形成以桌面電腦為首的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）精簡指令集是從CISC中取其精華去其糟粕，簡化指令功能，讓指令的平均執(zhí)行周期減少，達(dá)到提升計算機工作主頻的目的，同時引入大量通用寄存器減少不必要的讀寫過程，提高子程序執(zhí)行速度，從而程序運行時間縮短并且減少了尋址，提高了編譯效率，最終達(dá)到高性能目的。

CPU 按指令集的架構(gòu)區(qū)分，分為 CISC復(fù)雜指令集和 RISC精簡指令集型兩類 。

而不同品牌的CPU，其產(chǎn)品的架構(gòu)也不相同，X86架構(gòu)的主要代表工資是有：Intel、AMD、國產(chǎn)海光等， ARM架構(gòu)公司有ARM、Ampere、國產(chǎn)飛騰；PowerPC架構(gòu)的公司有IBM。這里主要看主流的X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)。

X86架構(gòu)（The X86 architecture）是Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱，也標(biāo)識一套通用的計算機指令集合，X與處理器沒有任何關(guān)系，它是一個對所有*86系統(tǒng)的簡單的通配符定義。x86架構(gòu)是重要的可變指令長度的復(fù)雜指令集（CISC）。

ARM架構(gòu)是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)。ARM處理器由于節(jié)能的特點非常適用于行動通訊領(lǐng)域，目標(biāo)特效為低耗電。和Intel公司不同， ARM公司不制造，不銷售芯片，而是只自己設(shè)計IP核，包括指令集架構(gòu)、微處理器、GPU、互連架構(gòu)等，然后誰想用就授權(quán)賣給誰，再從每顆實際造出來的產(chǎn)品中收取版稅。

ARM的授權(quán)分為3種，分別是架構(gòu)授權(quán)、內(nèi)核授權(quán)和使用授權(quán)。分別對應(yīng)大中小公司，貼個牌子就能說是自己的CPU，為ARM處理器的廣泛使用打下堅實基礎(chǔ)。

1）架構(gòu)授權(quán)：是指企業(yè)購買了架構(gòu)級的ARM處理器設(shè)計和制造許可。企業(yè)獲得架構(gòu)授權(quán)之后，可以從整個架構(gòu)和指令集方面入手，對ARM架構(gòu)進行大幅度改造，甚至可以對ARM指令集進行擴展或縮減，以便達(dá)到更高性能、更低功耗或更低成本等不同目的。

2）內(nèi)核授權(quán)：內(nèi)核授權(quán)則是指用戶可以將其所購買的ARM核心應(yīng)用到其自行設(shè)計的芯片中。但用戶不得對其購買的ARM核心本身進行修改。

3）使用授權(quán)：擁有使用授權(quán)的用戶只能購買已經(jīng)封裝好的ARM處理器核心，而如果想要實現(xiàn)更多功能和特性，則只能通過增加封裝之外的DSP核心的形式來實現(xiàn)。

目前，在移動芯片領(lǐng)域，ARM架構(gòu)的芯片占據(jù)了90%以上的市場份額，在服務(wù)器CPU市場上，Intel X86處理器占據(jù)超過90%市場份額。但兩大CPU處理器指令體系CISC和RISC架構(gòu)也都在互相取長補短，走向融合。CISC借用RISC的理念優(yōu)化指令系統(tǒng)效率，RISC引入增強指令提高復(fù)雜任務(wù)處理效率。CISC復(fù)雜指令集特點在于指令多，一條指令執(zhí)行多個功能。優(yōu)點體現(xiàn)在特定功能執(zhí)行效率高，例如多媒體處理；缺點是系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，執(zhí)行效率低。RISC精簡指令集特點是指令少，復(fù)雜任務(wù)由多個精簡指令組合完成。優(yōu)點是常用工作執(zhí)行效率高，功耗低；缺點是部分復(fù)雜任務(wù)處理效率偏低，例如多媒體處理。

隨著國產(chǎn)服務(wù)器芯片快速研發(fā)與創(chuàng)新迭代，目前國產(chǎn)服務(wù)器芯片也取得一定的顯著成果，在服務(wù)器市場上市場占有率顯著上升，主要的CPU研發(fā)公司包括：華為鯤鵬(ARM)，飛騰(ARM)，海光(x86)，兆芯(x86)，龍芯(MIPS)，申威(Alpha)等。主要可代工生產(chǎn)CPU的國產(chǎn)企業(yè)包括中芯國際、華虹半導(dǎo)體和華力微電子等公司。例如，國內(nèi)華為和飛騰已獲得永久性Arm V8架構(gòu)指令層級授權(quán)，這是廠商高度自主研發(fā)服務(wù)器芯片的設(shè)計根基。基于Arm架構(gòu)的服務(wù)器CPU芯片（鯤鵬CPU、飛騰CPU）在自主創(chuàng)新、安全可控、產(chǎn)業(yè)生態(tài)、芯片性能等綜合實力，目前已成為替代Intel等國外CPU芯片的最佳選擇