CPU基本工作原理

一、CPU基本工作原理

CPU(Central Processing Unit，中央处理器)是计算机的运算核心和控制核心，由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

CPU的运作原理可分为四个阶段: 提取(Fetch)、解码(Decode)、执行(Execute)和写回(Writeback)。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。

CPU缓存分为一级和二级缓存。一级缓存，即L1Cache。集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存的容量越大，存储的信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。一般L1缓存的容量通常在32-256KB。二级缓存，即L2 Cache。由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存储器，即二级缓存。CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是内存，再后是外存储器。

CPU的主要性能参数包括：主频、倍频和外频。CPU的主频也叫时钟频率，CPU 主频为 CPU 的额定工作频率，当内核数目和缓存大小一样时，主频越高的CPU性能越好，主频越高CPU处理数据的速度就越快，CPU的主频=外频×倍频系数。

外频和倍频的区分主要和CPU的发展有关的。由于CPU发展太快，而其他硬件无法达到同样频率来交互，于是CPU进行妥协，将外频作为和主板其他部件之间通讯的频率，而工作频率靠倍频来调节提升。

• CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。即为通常所说的CPU是xx MHz。
• 外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
• 倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。一般情况下，同代（同针脚）的CPU，其外频往往是一样的，只是倍频系数的变化导致主频不同。

多核处理器把多个CPU(核心)集成到单个集成电路芯片(Integrated Circuit Chip)中。一个双核的CPU有2个中央处理单元，操作系统可以看到真正的2个核心，所以2个不同的进程可以分别在不同的核心中同时执行，这大大加快了系统的速度。由于2个核心都在一个芯片上，因此它们之间的通信也要更快，系统也会有更小延迟。

超线程(Hyper Threading)其实就是同时多线程技术，是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。它的原理就是把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理CPU变成两颗逻辑CPU，而逻辑CPU对操作系统来说，跟物理CPU并没有什么区别。因此，操作系统会把工作线程分派给这两颗（逻辑）CPU上去执行，让（多个或单个）应用程序的多个线程，能够同时在同一颗CPU上被执行。注意：两颗逻辑CPU共享单颗物理CPU的所有执行资源。实际上，超线程技术就是对CPU的虚拟化。

二、CPU架构的分类

CPU架构是CPU厂商给CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型的CPU。当前市场上的CPU分类主要分有两大分类：一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU，另一个是以ARM为首的精简指令集CPU。那什么是复杂指令集？什么是精简指令集呢？在讲解X86和ARM CPU架构之前，我们先了解CISC复杂指令集和RISC精简指令集。

CISC（Complex Instruction Set Computer）复杂指令系统是为了增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令实现部分大量重复的软件功能的硬件化。由于早期的电脑主频低、运行速度慢，为了提高运算速度，不得已将更多的复杂指令加入到指令系统中来提高电脑的处理效率，慢慢形成以桌面电脑为首的复杂指令系统计算机。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）精简指令集是从CISC中取其精华去其糟粕，简化指令功能，让指令的平均执行周期减少，达到提升计算机工作主频的目的，同时引入大量通用寄存器减少不必要的读写过程，提高子程序执行速度，从而程序运行时间缩短并且减少了寻址，提高了编译效率，最终达到高性能目的。

CPU 按指令集的架构区分，分为 CISC复杂指令集和 RISC精简指令集型两类 。

而不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，X86架构的主要代表工资是有：Intel、AMD、国产海光等， ARM架构公司有ARM、Ampere、国产飞腾；PowerPC架构的公司有IBM。这里主要看主流的X86架构和ARM架构。

X86架构（The X86 architecture）是Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称，也标识一套通用的计算机指令集合，X与处理器没有任何关系，它是一个对所有*86系统的简单的通配符定义。x86架构是重要的可变指令长度的复杂指令集（CISC）。

ARM架构是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构。ARM处理器由于节能的特点非常适用于行动通讯领域，目标特效为低耗电。和Intel公司不同， ARM公司不制造，不销售芯片，而是只自己设计IP核，包括指令集架构、微处理器、GPU、互连架构等，然后谁想用就授权卖给谁，再从每颗实际造出来的产品中收取版税。

ARM的授权分为3种，分别是架构授权、内核授权和使用授权。分别对应大中小公司，贴个牌子就能说是自己的CPU，为ARM处理器的广泛使用打下坚实基础。

1）架构授权：是指企业购买了架构级的ARM处理器设计和制造许可。企业获得架构授权之后，可以从整个架构和指令集方面入手，对ARM架构进行大幅度改造，甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减，以便达到更高性能、更低功耗或更低成本等不同目的。

2）内核授权：内核授权则是指用户可以将其所购买的ARM核心应用到其自行设计的芯片中。但用户不得对其购买的ARM核心本身进行修改。

3）使用授权：拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的ARM处理器核心，而如果想要实现更多功能和特性，则只能通过增加封装之外的DSP核心的形式来实现。

目前，在移动芯片领域，ARM架构的芯片占据了90%以上的市场份额，在服务器CPU市场上，Intel X86处理器占据超过90%市场份额。但两大CPU处理器指令体系CISC和RISC架构也都在互相取长补短，走向融合。CISC借用RISC的理念优化指令系统效率，RISC引入增强指令提高复杂任务处理效率。CISC复杂指令集特点在于指令多，一条指令执行多个功能。优点体现在特定功能执行效率高，例如多媒体处理；缺点是系统设计复杂，执行效率低。RISC精简指令集特点是指令少，复杂任务由多个精简指令组合完成。优点是常用工作执行效率高，功耗低；缺点是部分复杂任务处理效率偏低，例如多媒体处理。

随着国产服务器芯片快速研发与创新迭代，目前国产服务器芯片也取得一定的显著成果，在服务器市场上市场占有率显著上升，主要的CPU研发公司包括：华为鲲鹏(ARM)，飞腾(ARM)，海光(x86)，兆芯(x86)，龙芯(MIPS)，申威(Alpha)等。主要可代工生产CPU的国产企业包括中芯国际、华虹半导体和华力微电子等公司。例如，国内华为和飞腾已获得永久性Arm V8架构指令层级授权，这是厂商高度自主研发服务器芯片的设计根基。基于Arm架构的服务器CPU芯片（鲲鹏CPU、飞腾CPU）在自主创新、安全可控、产业生态、芯片性能等综合实力，目前已成为替代Intel等国外CPU芯片的最佳选择