计算生态导论 课件 第2章中央处理器

定义与功能中央处理器0102定义功能定义01中央处理器（CentralProcessingUnit,简称CPU）CPU简要结构图计算系统的运算和控制核心，负责执行程序。CPU的内部组成结构决定了CPU在计算机中扮演着像

“大脑”

一般的角色。CPU主要由运算器（ALU）、控制器（CU）、以及存储单元组成。其中存储单元包括了寄存器、高速缓冲存储器等中央处理器的组成结构负责对数据进行加工。运算器存储原始数据、中间或最终运算结果。包括寄存器、高速缓冲存储器（Cache）等。存储单元负责协调、控制执行程序的指令序列。工作过程可以分为取指令、解码、执行三个阶段。控制器CPU的相关参数光刻又称制程。指用于生产集成电路的半导体技术。数值越小，代表其工艺越先进。缓存高速缓冲存储器是处理器上的一个快速记忆区域。通常性能越强的CPU搭配更大的缓存。最大内存大小处理器支持的最大内存容量处理器基本频率又称时钟频率、主频。指处理器晶体管打开和关闭的速率。主频越高，执行速度越快。线程数线程，指的是单核CPU交付或处理的基本有序指令序列。

CPU支持的线程数越多，越能并行处理多个任务，性能越强。内核数内核数代表单个计算组件中的独立中央处理器的数量。一般情况下，内核数越多，越有利于运行多个程序，性能越强。功能02中央处理器的功能01指令控制02时间控制03中断处理04操作控制05数据加工为了让控制过程有序进行，中央处理器会产生时间控制信号，辅助各种操作的有序进行。中央处理器得到指令之后，进行相应的分析，进而完成指令所指定的功能。处理CPU运转过程中的特殊需求和异常情况。指令执行过程中，CPU将每条指令相应的操作信号送往各个部件，利用这些操作信号控制各部件运转，合力完成指令指定的功能。对数据的运算处理。中央处理器的工作过程01取指令阶段02指令译码阶段03指令执行阶段04访存取数阶段05结果写回阶段CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序。程序的执行过程实际上是不断地取指令、分析指令、执行指令的过程。CPU从存放程序的主存储器里取出一条指令，经过一定的分析，即译码后，执行该指令，并且保存结果数据，顺利完成这些步骤后，CPU立即取出下一条指令，开始新一轮的循环作业，除非遇到停机指令，否则计算机不停地运行，自动地工作。冯·诺伊曼型计算机的CPU中央处理器的工作过程01取指令阶段02指令译码阶段03指令执行阶段04访存取数阶段05结果写回阶段根据已获取的指令的格式，指令译码器对指令的内容进行分析。指令译码器解读了指令的要求，明白了指令需要计算机做什么。根据程序计数器PC的数值，从主存储器向指令寄存器获取指令的过程。获取执行指令所需要的输入，负责具体实现指令的功能这一阶段中，控制单元、运算单元和存储单元共同协作当需要从主存储器中获取操作数时，CPU进入访存取数阶段。否则，跳过该阶段。CPU根据指令地址码，从主存中读取操作数。把运行结果数据存储下来，有需要时再取出使用。为了缩短读写时间，便于被后续的指令快速访问，结果数据通常被写入到CPU的内部寄存器。许多指令还将更改程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位表示着不同的操作结果，可以影响程序接下来的行为。CPU的优化1324早期计算机提速的主要方式。通过提高时钟速度，使CPU运转得更快。该提速方式非常有限，并且受硬件技术影响，速度上的无限提高是不可能的。减少晶体管切换时间使用Cache来解决内存（RAM）与CPU之间的数据传输延迟问题。将CPU近期所需的程序、数据等复制到Cache上。当CPU需要对这些内容进行读写时，只需访问Cache，不必对主存进行操作，避免CPU与I/O设备争抢访存，减少了CPU空等的时间，提高了CPU运行的效率。Cache的应用实现某些具体功能时，使用方便的指令代替需占用许多个时钟周期的标准操作。用于优化复杂度和速度之间的平衡问题。世界上第一个集成CPU——Intel4004微处理器。使用指令集“指令流水线”通过使用并行处理的方法，提升CPU的利用率。多核处理器可同时运行多个指令流。当多核不够时，可以使用多个CPU。“指令流水线”与多核处理器Thanks

发展史中央处理器华南理工大学传统处理器发展阶段第一块CPU的诞生1971英特尔公司于1971年11月15日造出了世界上第一块CPU——Intel4004微处理器，它只有46条指令，能处理4bit的数据，大约有2300颗晶体管。与现在的CPU相比，其性能不值一提，但它却具有非凡的意义。8位中高档处理器时代1974Intel8008微处理器发展成为Intel8080微处理。Intel8080微处理器成为了计算机行业的标准，CPU的历史进入了8位中高档处理器时代X86架构诞生1976英特尔公司发布了新款16位微处理器8086。X86架构诞生，该架构是特定微处理器执行的一些计算机语言指令集，很快成为了通用的业界标准沿用至今。第一台PC机的诞生1982第一台PC机IBM5150诞生。它使用了Intel8088芯片，开创了微型计算机的新时代，个人电脑的概念逐渐流行起来。传统处理器发展阶段32位微处理器时代1985Intel30386的诞生，标志着CPU的历史向32位微处理器时代迈进，它属于低功耗、节能型芯片，主要用于便携机以及节能型台式机，因此，这是PC厂商和AMD公司等CPU生产厂商走“兼容”道路的开始。CPU初步成熟1989Intel30486处理器的诞生，不仅能够承担多任务、多用户作业，还实现了5级标量流水线，更在晶体管数量的提升上，突破了100万的边界限制，它的诞生标志着CPU的初步成熟和传统处理器发展阶段的结束。1991AMD公司也宣布了新产品——AMD386。随后，AMD研制了AMD486DX，衍生出了一系列产品。其中，AMD486DX4-120在频率上第一次超过了竞争对手英特尔公司的同期产品。奔腾系列微处理器发展时代奔腾系列微处理器时代1993-2005年是奔腾（Pentium）系列微处理器时代。这一时期的芯片已经具有相互独立的指令和数据高速缓存，而采用超标量指令流水线结构是它们典型的共同特征。这一时代的典型产品是英特尔公司的奔腾系列芯片和与其兼容的AMD公司的K6、K7系列微处理器芯片。奔腾系列微处理器发展时代奔腾微处理器的诞生1993英特尔公司停止向AMD公司授权，将包含了310万晶体管的60MHz的新推出的处理器命名为奔腾（Pentium），希望可以表示处理器强大的处理能力和高速性能。该处理器为了最小化流水线的停工时间，引入了指令的乱序执行和分支预测技术，大幅提高了处理器的性能。K6处理器的推出19971997年前后，AMD公司抓住市场机遇，推出了完全兼容Socket7架构而且性能优良并带有多媒体扩展指令集技术的K6处理器，进入了一个全新的时代，与英特尔公司分庭抗礼CPU市场两雄争霸1999英特尔公司推出了第三代奔腾处理器，大幅提升了3D、影像、语音识别等应用的性能，极大提升用户的使用体验。原来代号为K7的速龙（Athlon）处理器凭其超标量、超流水线、多流水线的Risc内核及其强大的浮点单元，使AMD处理器在浮点上首次超过了Intel当时的处理器，让当时全世界PC用户重新认识AMD公司，CPU市场逐步呈现出两雄争霸的局势。各有突破2000AMD公司的速龙（代号Thunderbird）突破1G主频.。AMD公司的毒龙（Duron）凭其高性价比，迅速成为DIY用户首选。英特尔公司发布了第二个奔腾Ⅳ核心（代号为Northwood），这款芯片改用了更为精细的0.13微米制程，不仅支持DDR内存，FSB还提升到了533MHz。奔腾系列微处理器发展时代竞争焦灼2001奔腾Ⅳ的频率已经达到2.0G。AMD公司发布了速龙XP，加入了SSE指令支持。这个时期下，AMD公司没有研发出性能王者，但是也推出了不少高性价比的产品。K8微架构的诞生2003AMD公司发布了K8的Athlon64（代号：ClawHammer），它是首款X86的64位CPU。AMD公司的高光时刻2005Intel抢先发布了桌面上第一款双核CPU——PentiumD处理器。AMD公司推出了双核Athlon64X2。功耗控制与双核性能均领先于IntelPentiumD。64位、“真双核”、高性能/低功耗等等，业界的风向标都趋向AMD公司。酷睿系列微处理器发展时代酷睿系列微处理器发展时代从05年开始，英特尔公司就制定了一套“钟摆计划”（Tick-Tock战略）。这套计划中，每一个“嘀嗒”代表着两年一次的工艺制程的进步。英特尔公司希望能够紧跟时间脚步，不断改进工艺制程，跟上时代和市场的需求。这套计划的实施，让英特尔步步紧逼AMD公司，并在06年之后逆转了市场局面，将AMD公司逼退。酷睿系列微处理器发展时代酷睿时代来临2006英特尔公司启用全新的名称——酷睿（Core）并发布了酷睿架构处理器，首次针对移动、台式机和服务器这三个平台采用了相同的核心架构模型，也代表了酷睿系列微处理器时代的来临。英特尔年底又发布了首款四核CPU，Core2Quad，重新树立技术层面的绝对领先位置。AMD公司受困2006AMD公司重新定位了Athlon64X2，着重采用性价比策略。AMD公司收购了当时著名的显示芯片生产商ATI公司，陷入了为期三年的财务困难。AMD产品线冗长，市场价格战使公司负累重重，AMD公司连年亏损。主打性价比策略2007AMD公司发布了新一代四核CPU——羿龙（Phenom）。AMD公司针对主流市场发布了不锁倍频、轻松超频的“黑盒”系列CPU。针对IntelCore2双核，AMD公司发布了羿龙三核处理器，反响一般。英特尔公司的高光时刻2008IntelCorei系列诞生了，它的架构代号为Nehalem，初期上市的产品有三款。其原生四核心、QPI总线架构、HT超线程技术、整合内存控制器等革新空前绝后，迅速吸引了相关市场客户的眼球。同代Corei系列中，数字越大，性能越强。酷睿系列微处理器发展时代2009AMD公司发布了新一代的羿龙II和速龙II，开始走多核路线。这两款产品具有多核心、性价比、整合平台等优势，勉强保住了AMD公司的市场份额。AMD公司剥离其芯片制造业务。英特尔公司发布首款四核i5桌面处理器。APU的推出2011AMD公司推出首款APU。在AMD公司看来，加速处理器（APU）是结合CPU、GPU优点的产品：通过将中央处理器和独立显卡核心实现在同一芯片上，使其兼具高性能处理器和独立显卡的多媒体类处理性能Ryzen7亮相2017AMD锐龙（Ryzen7）亮相，与上一代架构相比，Ryzen7的Zen架构性能提升大大超越了英特尔的“挤牙膏”式的升级。英特尔公司发布i9桌面处理器。英特尔CPU发展史上的刀光剑影大多来自于英特尔和AMD两家公司。他们相互竞争，互相促进，引领着CPU市场乃至IT行业的发展方向，恩恩怨怨不止十年许。AMDThanks

国产中央处理器中央处理器华南理工大学中央处理器国产化类型CPU作为一种能够进行大规模数据处理的集成电路，在信息技术领域中占有非常重要的核心地位。为了确保技术领先和快速发展，国家政府将实施积极的产业政策。国产化这一类企业的主要特点是他们会选择和国外厂商合作、合资，或者是他们在软硬方面完全依附于经典的双A体系，然后将这些技术引进并且用于生产CPU，其代表主要是兆芯、宏芯等企业，后者的主要代表是海思、展讯等企业。技术引进系从CPU架构以及CPU领域的最底层的算法开始入手，完完整整地构建属于自己的技术体系。这一类企业研发的CPU主要运用在我国政府部门，军事等领域的机器当中。其代表是龙芯、申威。自主研发系

这一类企业的特点是自己设计微结构，保障芯片安全可控，但是依托的系统与架构还是外国的体系，如Wintel（Microsoft系统+Intel芯片）或者是双A（Android系统+ARM芯片）体系，这些企业所研发的CPU相容于上述的体系，所研发的CPU主要用于各大企业的机器中。其代表是飞腾、君正、众志、国芯、中天。半自主系飞腾飞腾CPU产品的主要特征是拥有全面的谱系，高性能，完善的生态系统和高度的自治性。从端到云为所有类型的CPU提供核心计算能力支持。高性能服务器CPU（腾云S系列）高性能桌面CPU（腾锐D系列）高端嵌入式CPU（腾珑E系列）飞腾S2500处理器芯片参数具体数值工艺特征16nm工艺核心集成64个FTC663处理器核主频2.0~2.2GHz二级缓存每4核共享2MBL2，总共32MB三级缓存64MB储存控制器集成8个DDR4-3200通道PCIE接口集成1个17LanesPCIe3.0接口：1个X16（可拆分成2个X8），1个X1直连通路集成4个直连通路，每个通路组成为X4，单lane速率25Gbps，支持2、4、8路CPU互连其他接口集成4个UART，1个LPCMaster，32个GPIO，2个I2Cmaster/slave控制器，2个I2Cslave控制器，2个看门狗WDT，1个通用SPI电源管理支持动态频率调整典型功耗150W封装FCLBGA封装，引脚个数3576尺寸61mmx61mmS2500处理器芯片采用并行片上系统（PSoC）架构，集成了64个独立开发的处理器内核FTC663，并与ARMv8指令集兼容。通过集成高效处理器内核，基于数据亲和力的大规模一致存储架构，分层二维Mesh互连网络，多端口高速直接连接，优化存储访问延迟，并提供行业领先的计算性能和内存访问带宽和IO扩展功能。该芯片在单个核心的计算能力，单个芯片同时处理多任务的性能，单个芯片同时缓存多个任务的一致性以及内存访问带宽方面一直是在国内甚至是国际行业领先水平。该芯片的主要适用于对性能以及吞吐量需求比较大的领域尤其是大型企业主机服务器领域。飞腾1324FT-2000+/64芯片里面包含64个公司独立研发的高性能处理器内核，主要使用乱序四发射超标量流水线。该芯片的主要适用于对性能以及吞吐量需求比较大的领域尤其是大型企业主机服务器领域。FT-200+/64FT-2000/4从硬件级别增强了芯片的安全性，支持飞腾定义的处理器安全性体系结构标准PSPA，并在更复杂的应用场景中满足了对性能，安全性和可靠性的需求。FT-2000/4的所有与安全相关的模块均由飞腾公司独立设计，它是第一个可以在CPU级别有效支持TrustedComputing3.0标准的国产CPU。FT-2000/4FT-1500A/16芯片集成了飞腾自主开发的16个高能效处理器内核FTC660，使用乱序四发射超标量流水线，采用片上并行系统（PSoC）架构，与64位ARMV8指令集兼容，并支持硬件虚拟化操作。该产品适用于构建具有更高计算能力和更高吞吐量的服务器产品，支持商业和工业分级。FT-1500A/16FT-2000A/2芯片集成2个公司自行研发的高能效处理器内核FTC661，采用乱序四发射超标量流水线，芯片兼容64位ARMV8指令集并支持ARM64和ARM32两种执行模式，支持单精度、双精度浮点运算指令和向量处理指令。FT-2000A/2华为海思01040203无线通信智能设备物联网应用视频应用海思半导体是第一个将5G无线芯片组商业化以促进5G行业发展的公司。发布了PLC/G.hn/Connectivity/NB-IoT产品，以构建可靠和安全的渠道网络，以连接每个家庭和各个行业中的数字设备。海思的麒麟SoC提供高性能，高功率效率和超智能的移动AI解决方案，以创造卓越的用户体验。发布了针对智能IP摄像机，智能机顶盒和智能电视的全球领先芯片，提供了端到端全4K产品以及专注于图像记录，解码和显示的解决方案。华为海思1324麒麟990包含建立在达芬奇架构上的双核NPU。大核可在繁重的计算场景中实现出色的性能和能效，而小核可实现超低功耗。麒麟990旨在为4G手机用户提供卓越的性能，最佳的能源效率以及升级的AI智能和摄影功能。麒麟990昇腾310作为昇腾系列第一个芯片，是一款高效率、灵活性高、可编程的AI处理器。昇腾310在功耗和计算能力等方面突破了传统设计的约束。昇腾310将人工智能从数据中心延伸到边缘设备，为自动驾驶、平安城市、云服务以及IT智能、智能制造、机器人等应用场景提供了焕然一新的解决方案，使之接近智慧未来。昇腾310电源效率比业界同类产品高30％。降低功耗的同时，鲲鹏920也提供了更高的计算性能。华为鲲鹏920将为大数据，分布式存储，数据库，ARM-Native，边缘计算等场景提供高性能，低功耗的计算平台。在即将到来的多元化计算时代，它带来了独特的价值。鲲鹏920昇腾910是一款高集成度的片上系统（SoC），它基于达芬奇架构的AI核，集成了多个CPU、DVPP和任务调度器（TaskScheduler），具有自我管理能力，可以充分发挥其高算力的优势。昇腾910集成了HCCS、PCIe4.0和RoCEv2接口，为构建横向扩展（ScaleOut）和纵向扩展（ScaleUp）系统提供了灵活高效的方法。昇腾910龙芯龙芯3A1000是龙芯3号多核处理器系列的第一款产品，采用65nm工艺制造，在单个芯片内集成了4个64位超标量通用处理器核，最高工作主频为1GHz。龙芯1C300（以下1C）芯片是基于LS232处理器内核的单芯片系统。它的主要优点是经济高效，并且1C的储存接口支持多种类型的储存器。龙芯2H是高度集成的系统芯片，专为安全且适用的计算机而设计。1C2H3A1000“龙芯”是我国开发的第一系列高性能市场化的处理器，它于2001年在中科院计算所开始研究和开发。龙芯中科于2010年，由中国科学院和北京市政府共同投资，公司正式成立并开始以市场为导向，旨在将龙芯处理器的研发成果产业化。基于龙芯的自主信息产业体系正在逐步形成。兆芯1324开先KX-6000系列处理器是公司独立自主研发的最新一代通用SoCCPU产品，它是中国第一款采用16nmCMOS工艺技术的处理器芯片。可提供基于硬件的数据加密保护，还可以满足多种市场的应用需求，主要应用的领域为高性能桌面、便携终端、嵌入式等市场应用领域。开先KX-6000系列处理器开胜KH-30000系列处理器是最新一代服务器通用SoC处理器产品，兆芯独立研发的国内率先采用16nmCMOS制程工艺的处理器芯片，它采用尺寸为35mmx35mm的HFCBGA封装技术，8个CPU内核集成在一个芯片封装中、双通道DDR4内存控制器，以及PCIe3.0、SATA、USB等通用外设接口，可良好兼容市场主流的硬件配置环境。开胜KH-30000系列处理器开先ZX-C系列处理器是专为高性能计算而设计的四核处理器。开先ZX-C系列处理器具有独特的安全引擎，可以提供基于硬件的运行数据加密，是内容保护和系统安全的重要工具。开先ZX-C系列处理器开胜ZX-C+FC-1080/1081处理器是针对高性能运算而设计的新一代处理器。在同等的功耗封装下，拥有较高的多线程优化性能。其CPU核心支持CPU虚拟化（VT）技术。具有独特的安全引擎，支持SM3与SMS4国密算法，可以提供基于硬件的数据加解密功能，这些特性是保护内容和系统安全的重要工具。开胜ZX-C+系列处理器申威申威111是基于第三代“申威64”内核的国产嵌入式处理器，主要用于高密度计算嵌入式应用，集成PCI、Ethernet、USB、UART、I2C、LBC等标准I/O接口，这些I/O接口可以根据系统应用需求配