CPU

CPU是计算机系统的核心和 大脑,主要由控制器、运算器、存储器和连接总线构成。其中,控制器和运算器组成CPU的内核,内核从存储器中提取数据,根据控制器中的指令集将数据解码,通过运算器中的微架构(电路)进行运算得到结果,以某种格式将执行结果写入存储器。

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 。CISC 的设计者希望通过直接在硬件中构建复杂的指令从而使编程更方便、 程序运行速度更快,其架构中每个指令可执行若干低端操作,诸如从存储器读取、存储、和计算操作,全部集于单一指令之中;与之相反, RISC 架构中只包含使用频率高的少量简单指令,并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言 。

CISC阵营以 Intel、AMD的X86架构为代表,而RISC阵营则包括 ARM 、MIPS 、 Power PC 等架构。


1)从硬件角度来讲, CISC处理的是不等长指令集,而 RISC 执行的是等长精简指令集,在并行处理方面 RISC 明显优于CISC 。由于RISC执行的是精简指令集,相比CISC在硬件层面需要更少的晶体管,所以它的硬件制造工艺更简单且成本更低廉。RISC型CPU 与CISC的CPU在软件和硬件上都不兼容,这是由指令集的特性而决定的。

2)从性能角度来说, CISC 与 RISC 并无绝对的孰优孰劣之分 。但在发展过程中, CISC 阵营的Intel 和 AMD在提升芯片性能上做出了持续的努力,芯片的功耗被放在了性能后的第二位;而 RISC 本身出现时间较CISC晚十年左右(ARM诞生于1985年, X86诞生于1978年),ARM 、 MIPS 在创始初期缺乏与Intel产品对抗的实力,专注于以低功耗为前提的高性能芯片。

RISC 阵营的Power PC架构最初是为个人计算机产品而设计,但其出现时已是 1992 年,此时 Intel 旗下的 80386和 80486 占据了大部分 PC 市场。次年, Intel 赫赫有名的奔腾系列发布并助力 Intel 占领了绝大部分 PC 市场,这是第五代基于 CISC 的X86 架构微处理器, Intel 将其命名为“ Pentium ”。在整个 1990 年代中期, PowerPC 处理器均达到或超 过了最快的x86 CPU的基准测试成绩。但由于PowerPC面向Windows、OS/2 和Sun的客户都存在应用软件极度缺乏的问题,所以最终并未在 PC 市场溅起水花。但其后 Apple 因为 PowerPC 处理器的更高性能,在 Macintosh 个人电脑系列使用了 PowerPC 处理器。2005 年,出于发热量和能源消耗有关的考虑, Apple 宣布不再在其 Apple Macintosh 计算机中使用 PowerPC处理器,转而支持 Intel 生产的处理器。此后 PowerPC 开始往超高性能服务器方向发展。


3)CISC 与 RISC 已 逐步走向融合,两方处理器互相借鉴互相优化 。例如,Intel 公司的 Pentium Pro 种内含三个能够把 x86 指令转换成 118 位定长的 RISC 风格微操作的译码器。



4)整体来看,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 计算 CPU 市场上,英特尔 X86 处理器占据超过 90% 市场份额。MIPS和 Power 虽然已经不是主流,却也有部分厂商仍在使用 。

5)国产CPU与X86产品尚存在差距主要体现在:1)专业人才 是技术和水平的承载体,国内专业人才数量少、 整体规模尚小;2 )硬实力包括软硬件设计开发环境 EDA 等存在短板;3 )软实力包括 CPU 的设计方法学、CPU 的设计流程与规范等存在差距。

关于国产CPU的发展现状,中国自200 年开始启动处理器设计项目,至今 将近 20 年,产生了以中科龙芯、天津飞腾、 海光信息、 上海申威、上海兆芯等为代表的国产 CPU并且产品的性能逐年提高,应用领域不断扩展,使中国长期以来无“芯”可用的局面得到了极大扭转,为构建安全、自主、可控的国产化计算平台奠定了基础。目前, 国产主要CPU厂家有六家。


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