电子基础科普篇-CPU架构

前言

本篇针对一些关于CPU知识的扫盲
包括但不限于以下内容

• CPU的基本构造
• CPU的架构
• CPU的发展
• CPU的性能评判

CPU的基本构造

CPU（中央处理器）的基本单元可以分为多个核心模块，这些模块共同完成指令的获取、解码、执行和结果存储等功能。以下是 CPU 的主要基本单元及其功能：

1. 控制单元（Control Unit, CU）

• 功能：
  • 负责指令的解码和控制信号的生成。
  • 指挥其他单元协调工作，控制数据流和操作步骤。
• 核心任务：
  • 从内存中取出指令（Fetch）。
  • 解析指令含义（Decode）。
  • 向其他模块发送控制信号（例如启动运算或存储操作）。

2. 运算单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）

• 功能：
  • 执行算术运算（加法、减法等）。
  • 执行逻辑运算（与、或、非、异或等）。
  • 执行比较操作（如大于、小于、等于判断）。
• 作用：
  • 处理 CPU 中大部分的数据计算任务。

3. 寄存器（Registers）

• 功能：
  • 提供 CPU 内部快速存储数据的位置，用于存放指令、操作数和中间结果。
• 种类：
  • 通用寄存器：用于临时存储数据或中间计算结果（如 R1、R2）。
  • 专用寄存器：
    • 程序计数器（PC, Program Counter）：存储下一条指令的地址。
    • 指令寄存器（IR, Instruction Register）：存储当前正在执行的指令。
    • 状态寄存器（Flags Register）：保存运算状态（如进位、溢出、零标志等）。

4. 缓存（Cache）

• 功能：
  • 临时存储频繁使用的数据和指令，减少从主存（RAM）取数的时间。
• 层次：
  • L1 Cache：直接嵌入到 CPU 核心中，速度最快，容量最小。
  • L2 Cache：容量比 L1 大，速度略慢。
  • L3 Cache：共享缓存，用于多核心 CPU。

5. 总线接口单元（Bus Interface Unit, BIU）

• 功能：
  • 负责 CPU 与外部设备（如内存、输入输出设备）之间的数据传输。
• 总线种类：
  • 数据总线：传输数据。
  • 地址总线：指定数据的存储位置。
  • 控制总线：传输控制信号。

6. 解码单元（Decoder）

• 功能：
  • 将取出的指令翻译为 CPU 能够识别的控制信号。
  • 配合控制单元，确定指令操作类型和目标操作数。

7. 流水线单元（Pipeline Unit）

• 功能：
  • 将指令的执行过程分成多个阶段（如取指、解码、执行、写回）。
  • 允许多条指令同时在不同阶段处理，提高执行效率。

8. 浮点运算单元（Floating Point Unit, FPU）

• 功能：
  • 专门负责浮点数运算（如小数的加减乘除）。
• 重要性：
  • 提高复杂计算（如科学计算、3D 渲染）的速度。

9. 分支预测单元（Branch Predictor）

• 功能：
  • 预测程序中的分支（如 if-else）走向。
• 作用：
  • 减少流水线中的停顿，提升 CPU 的执行效率。

10. 内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）

• 功能：
  • 管理 CPU 和内存之间的地址映射。
  • 提供虚拟内存支持，实现地址转换和访问权限控制。

11. 时钟与同步单元

• 功能：
  • 提供系统时钟信号，控制各个模块的同步操作。
• 时钟频率：
  • 直接影响 CPU 的运行速度。

12. 多核与线程单元

• 功能：
  • 每个核心可以独立运行任务，多核 CPU 提供更强大的并行计算能力。
  • 支持超线程（Hyper-Threading）技术，虚拟出更多的逻辑处理单元。

总结

CPU 的各个基本单元协同工作，形成一个高效的数据处理和指令执行系统。根据需求的不同，现代 CPU 不仅包含传统的运算和控制模块，还加入了更多专用单元（如 GPU 集成单元、AI 加速单元等）以适应更复杂的应用场景。

CPU的指令集架构

常见架构：

x86

厂商：Intel、AMD
特点：CISC（复杂指令集计算机）架构，性能强大，主要用于个人电脑、服务器。
应用场景：桌面电脑、服务器、大型计算任务。

ARM

厂商：ARM Holdings（架构设计），Qualcomm、Apple 等厂商基于其设计芯片。
特点：RISC（精简指令集计算机）架构，低功耗，高效率，广泛用于移动设备。
应用场景：智能手机、平板电脑、嵌入式设备、物联网。

RISC-V

特点：开源 RISC 架构，可定制，灵活性高，支持硬件和软件开源开发。
应用场景：物联网、嵌入式设备、教育和研究领域。

LoongArch

龙芯CPU，国产CPU,不太常见（消费级）

CPU的发展

PC机(x86)的CPU制造厂家,Inter and AMD

【想知道作为电子数字世界大脑的CPU是如何发展至今的吗？【CPU发展史｜仿生之旅】】 https://www.bilibili.com/video/BV1ME421A78n/?share_source=copy_web&vd_source=59d9734fc97a6b9510465651bf85b98c

关键词

卡片 纸带
图灵 图灵机 图灵完备 指令
ABC机 类指令

通常是指计算机架构中与特定类型的指令相关的指令集。类指令可以被分为多个类别，每个类别包含具有相似功能或目的的指令。它们通常与 CPU 指令集架构（ISA）有关，并描述如何在处理器中执行某些操作。

IBM公司
战争 真空电子管 军方需求
冯诺依曼 五大部件 哈佛存储架构
其他架构

集成电路 光刻技术
八大逆徒 美国仙童半导体
薄膜技术 光蚀刻技术
MOS
摩尔定律
inter … 硅谷
沃森 多线程 IBM 指令集架构
4001ROM 4002RAM 4003移位寄存器 4004逻辑运算芯片（cpu）
8080 8086（x86架构）
精简指令集
arm(单片机)
AMD 32->64
2010 RISC-V
1985 赛灵思XILINX FPGA

CPU的性能评判

超线程与线程分裂技术

inter

AMD

微架构

IPC