【SoC基础】第2节：CPU简介

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CPU结构设计

结构类型	结构特点	优点	缺点	适用场景	典型例子
冯诺依曼结构	程序和数据都放在内存中且不彼此分离，使用同一个总线来传输指令和数据，指令和数据共享同一个地址空间	结构简单、灵活	安全和稳定性存在问题，执行程序时需依次读取指令和数据，在某些场景下效率受限	适用于通用计算机	大多数通用计算机
哈佛结构	指令存储器和数据存储器独立，分别使用不同的地址空间，使用不同的总线分别传输指令和数据	可以同时读取指令和数据，提高并行处理能力，安全和稳定性高	软件处理相对复杂，需要统一规划链接地址等	适用于嵌入式系统和高性能计算	大部分单片机（MCS51、ARM9等）

CPU生产厂商

常见的CPU生产厂商如下：

厂商分类	厂商名称	总部所在地	成立时间	主要产品系列	应用领域
国际厂商	Intel（英特尔）	美国	1968年	酷睿、至强、奔腾、赛扬、凌动	PC、服务器、移动设备等
	AMD（超威半导体）	美国	1969年	锐龙、霄龙、皓龙、速龙	PC、服务器、游戏主机等
	ARM Ltd	英国	1990年	Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M	嵌入式系统、移动设备等
	Apple（苹果）	美国	1976年	A系列、M系列	iPhone、iPad、Mac等苹果设备
	Nvidia（英伟达）	美国	1993年	Tegra系列	移动设备、车载系统、人工智能等
	Qualcomm（高通）	美国	1985年	骁龙系列	智能手机、平板电脑等移动设备
	IBM	美国	1911年（前身CTR公司成立）	Power系列	服务器、大型机、高性能计算等
	Freescale Semiconductor（飞思卡尔）	美国	1999年（从摩托罗拉分拆）	PowerPC等系列	嵌入式系统、汽车电子等
	MediaTek（联发科技）	中国台湾	1997年	Helio系列、天玑系列	手机、平板电脑、物联网设备等
	VIA（威盛）	中国台湾	1987年	VIA CyrixⅢ（C3）等	低端PC、嵌入式系统等
国内厂商	龙芯中科	中国	2008年	龙芯系列	国产计算机、信息安全等领域
	申威处理器	中国	/	申威高性能计算、服务器/桌面、嵌入式处理器系列	高性能计算、服务器、桌面应用等
	兆芯	中国	2013年	开先、开胜系列	国产PC、服务器等
	海光Hygon	中国	2014年	海光通用处理器等	服务器、工作站等
	鲲鹏Kunpeng	中国	/	鲲鹏系列	服务器、云计算等
	飞腾PHYTIUM	中国	2014年	服务器CPU、桌面CPU、嵌入式CPU三大系列	国产信息系统、云计算、边缘计算等
	玄铁xuanTie	中国	2001年	玄铁系列	计算视觉、数据存储、工业互联等多个领域

CPU工作原理

CPU运行处理过程：Flash（外存，相当于一个仓库）用于存储编译好的程序，外部的代码想要通过CPU的编译需要先经过DDR(内存，相当于一个火车)“运输”到寄存器中。然后通过运算器进行读取和解码。
CPU的工作流程，一般分为以下五个阶段：

1、获取指令 ：首先将内存中的指令读取到CPU寄存器中
2、指令译码 ：在获取指令后进入指令译码阶段，译码器对指令分析，获取指令类别和操作方法
3、执行指令 ：译码结束后完成指令下的各种操作；
4、获取数据 ：然后根据地址码从主存中读取数据进行运算；
5、写回数据：最后将运行的数据写回到内部的寄存器中，便于之后的指令存取。

CPU的工作原理基于时钟信号的节奏，以固定的频率进行指令的执行。每一个时钟周期，CPU会依次执行取指、解码、执行、访存、写回等步骤，从而实现程序的顺序执行。

CPU的组成

CPU=ALU（运算器）+CU（控制器）+ACC（寄存器）
ALU：（Arithmetic Logic Unit，算术逻辑单元）是CPU中负责执行算术运算和逻辑运算等操作的单元。
CU：（Control Unit，控制单元），负责控制和协调整个CPU的操作。
ACC：（Accumulator，累加器）是一种特殊的寄存器，用于存储和操作算术运算的结果。

CPU（中央处理器）主要由运算器、控制器、寄存器组和高速缓冲存储器等部分组成，以下以表格形式呈现：

组成部分	主要部件	功能
运算器	算术逻辑单元（ALU）、累加器、数据缓冲寄存器等	执行算术运算（如加法、减法、乘法、除法等）和逻辑运算（如与、或、非、异或等），对数据进行处理和加工
控制器	指令寄存器、指令译码器、程序计数器、时序发生器等	负责从存储器中读取指令，对指令进行译码，确定指令的操作类型和操作数，然后根据指令的要求产生相应的控制信号，控制计算机各部件协同工作，使计算机能够按照程序的规定顺序执行指令
寄存器组	通用寄存器、专用寄存器	通用寄存器可用于暂存操作数、中间结果等，提高数据处理的速度和效率，减少对内存的访问次数。专用寄存器包括程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）等，各自承担特定的功能，如PC用于存储下一条要执行指令的地址，SP用于指示堆栈的栈顶位置
高速缓冲存储器（Cache）	指令缓存（ILM）、数据缓存（DLM）	指令缓存用于存储近期可能会被CPU频繁执行的指令，数据缓存用于存储CPU正在处理或即将处理的数据。Cache的存在大大提高了CPU访问指令和数据的速度，减少了CPU等待数据从内存传输的时间，从而提高了CPU的整体性能

CPU的类型

CPU设计方式发展
1．早期简单CPU，指令和功能都很有限
2．CISC年代 —— CPU功能扩展依赖于指令集的扩展，实质是CPU内部组合逻辑电路的扩展。
3．RISC年代 —— CPU仅提供基础功能指令（譬如内存与寄存器通信指令，基本运算与判断指令等），功能扩展由使用CPU的人利用基础架构来灵活实现。
以下是表格形式呈现的CPU类型：

分类标准	类型	特点	举例
按指令集架构	复杂指令集计算机（CISC）	指令丰富、寻址模式复杂，指令长度可变，功能强大，可通过一条指令完成较复杂操作，硬件设计相对复杂，执行效率在某些情况下可能不如RISC架构	英特尔x86架构的大部分CPU，如酷睿i9-13900K等
按指令集架构	精简指令集计算机（RISC）	指令集简单，指令长度固定，执行速度快，功耗低，注重指令执行的并行性和流水线技术，硬件设计相对简单，编译器设计较为复杂	ARM架构的高通骁龙8 Gen2、RISC - V架构的平头哥玄铁系列、PowerPC架构的早期苹果G系列、MIPS架构的一些早期网络设备芯片
按应用场景	通用CPU	具备强大计算和多任务处理能力，有完善的操作系统和软件生态支持，可处理各种类型的计算任务，性能全面，可扩展性强	英特尔酷睿系列用于个人电脑、英特尔至强系列用于服务器、AMD锐龙系列用于桌面及笔记本、AMD霄龙系列用于服务器
按应用场景	嵌入式CPU	对体积、功耗和成本要求严格，通常针对特定的嵌入式系统应用进行定制化设计，可靠性要求高，实时性强，一般集成了特定的外设接口	基于ARM内核的恩智浦i.MX系列、瑞萨R-Car系列等用于汽车电子；意法半导体STM32系列用于工业控制等各种嵌入式场景
按应用场景	移动CPU	注重低功耗和集成度，为移动设备设计，通常集成了GPU等多种功能模块，以满足移动设备图形处理等需求，散热要求苛刻，需要在性能和功耗之间取得良好平衡	高通骁龙系列用于安卓手机、苹果A系列用于iPhone和iPad、华为麒麟系列用于华为手机和平板、联发科天玑系列用于安卓手机和平板
按核心数量	单核CPU	只有一个处理核心，所有计算任务都由这一个核心来处理，在同一时间只能处理一个程序或线程，适用于简单计算任务或早期计算机系统	早期的英特尔4004、8086等，以及一些简单的工业控制芯片
按核心数量	多核CPU	包含多个核心，可同时执行多个程序或线程，通过并行处理提高整体计算能力，各核心可协同工作或分担不同任务，性能提升明显，但对软件的并行化要求较高	英特尔酷睿i7-12700K有12个核心、AMD锐龙9 7950X有16个核心等，还有服务器用的多核CPU如英特尔至强可扩展系列
按制程工艺	不同制程工艺的CPU	制程工艺越先进，晶体管尺寸越小，能在相同面积芯片上集成更多晶体管，从而提升性能、降低功耗、提高集成度，通常代表着更高的技术水平和成本投入	英特尔10nm工艺的Ice Lake处理器、台积电5nm工艺的苹果A14、麒麟9000、三星5nm工艺的Exynos 2100
按品牌	英特尔（Intel）CPU	以高性能、稳定架构和强大生态系统著称，在个人电脑和服务器市场长期占据重要地位，技术研发投入大，产品更新换代快	酷睿系列、至强系列、奔腾系列、赛扬系列
按品牌	超威半导体（AMD）CPU	具有出色性价比和多核心性能，在多线程处理等方面表现优秀，近年来产品竞争力不断提升，对市场格局产生较大影响	锐龙系列、霄龙系列、速龙系列
按品牌	其他品牌	在各自应用领域有一定市场份额，部分国产芯片在自主可控等方面具有重要意义	龙芯的龙芯3A系列、飞腾的FT-2000/4系列、兆芯的开先KX-6000系列，以及众多基于ARM架构的国产厂商产品如全志、瑞芯微等的芯片

CPU内核与CPU的关系

CPU 内核并不完全等同于 CPU 本身，它们之间存在着包含与被包含的关系，在功能和概念上有明显区别，以下是具体分析：
功能方面
CPU 内核：是 CPU 的核心运算部件，主要负责执行指令、进行数据处理和运算等核心任务，像进行复杂的数学运算、逻辑判断以及数据的移位等操作，是 CPU 实现计算功能的最关键部分。
CPU：除了包含内核具备的运算功能外，还承担着更多协调和管理的工作。它要与内存、硬盘、显卡等其他计算机硬件进行数据交互和通信，控制数据在各个部件之间的传输，还要负责对整个计算机系统的资源进行管理和分配，比如决定哪个程序可以使用多少 CPU 时间、多少内存空间等。
结构方面
CPU 内核：只是 CPU 内部的一个关键组成部分，主要由运算器、控制器、寄存器组和高速缓冲存储器等构成，专注于指令执行和数据处理。
CPU：是一个更为复杂的整体硬件，除了内核外，还包括缓存（除了内核中的高速缓存外，还有可能有二级缓存、三级缓存等）、总线接口等其他功能模块。缓存用于存储更多临时数据，以减少内核访问内存的频率，提高整体性能；总线接口则用于实现 CPU 与其他硬件设备之间的连接和数据传输。

以常见的电脑 CPU 为例，英特尔酷睿 i7 处理器可能包含多个 CPU 内核，如 6 个或 8 个内核，这些内核协同工作，再加上处理器中的缓存、总线等其他部分，共同构成了完整的 CPU，以实现计算机的各种计算和处理任务。

CPU 内核种类

CPU 内核种类繁多，按照不同的架构和应用场景，主要可分为 x86 内核、ARM 内核、RISC-V 内核、PowerPC 内核以及 MIPS 内核等，以下是具体介绍：

内核种类	简介	特点	应用场景
x86内核	英特尔公司为其第一块16位CPU（8086）专门开发的，后发展为32位和64位架构，也被称为IA-32（Intel Architecture 32-bit）和x86-64等	具有丰富的指令集，能很好兼容各种软件，在个人电脑和服务器领域占据主导地位，发展历程长，技术成熟，生态系统完善	广泛应用于个人计算机、笔记本电脑以及服务器等设备，如英特尔酷睿系列、至强系列处理器，AMD锐龙系列、霄龙系列处理器等
ARM内核	一种基于精简指令集计算机（RISC）架构的处理器内核，由ARM公司设计	低功耗、低成本、高性能，采用独特的Thumb指令集，在保持高性能的同时进一步降低功耗和成本	在移动设备领域占据绝对主导地位，如智能手机、平板电脑、智能手表等，像高通骁龙系列、苹果A系列、华为麒麟系列、联发科天玑系列等移动处理器都采用；此外，在物联网、嵌入式系统等领域也有广泛应用
RISC-V内核	一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），具有高度的可定制性	开源免费，允许用户根据自身需求对内核进行定制和扩展，灵活性和可扩展性好，有望打破传统指令集架构的垄断	在物联网、嵌入式系统、边缘计算等领域具有广阔的应用前景，如平头哥的玄铁系列处理器
PowerPC内核	一种精简指令集（RISC）架构的微处理器，由IBM、摩托罗拉和苹果公司共同开发	具有较高的性能和可靠性，采用超标量流水线技术和多指令发射技术，能同时执行多条指令，提高处理效率	曾经广泛应用于苹果的Mac电脑、游戏机（如任天堂GameCube、索尼PS3等）以及一些工业控制、航空航天等领域；随着x86和ARM架构的发展，市场份额逐渐缩小，但在一些特定领域仍有应用
MIPS内核	一种基于精简指令集计算机（RISC）的处理器架构，由MIPS科技公司开发	具有简单、高效的特点，采用五级流水线结构，能快速执行指令，指令集相对较小，易于实现和优化	在早期的网络设备、嵌入式系统等领域有广泛应用，如一些路由器、交换机等网络设备中常采用；近年来市场份额有所下降，但在一些特定的嵌入式应用场景中仍有一席之地

参考

CPU内核详解