Intel803864位和8位低档微处理器时代的CPU发展

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中央处理器（简称CPU）是

电脑系统

它是信息处理和程序运行的最终执行单元。CPU自问世以来，在逻辑结构、运行效率和功能扩展等方面都取得了长足的进步。

[1]

中文名

中央处理器

外国名字

中央处理器

简称

中央处理器

类别

计算机系统的执行单元

特征

信息处理和程序执行的最终执行单元

运行作业

处理指令、执行操作、控制时间、处理数据

CPU出现在

大规模集成电路

次，迭代更新处理器架构设计和

集成电路技术

持续改进促进其不断发展和完善。从最初致力于数学计算到广泛应用于通用计算，从 4 位到 8 位、16 位、

32 位处理器

，最后到

64 位处理器

，从制造商之间的不兼容到不同的

指令系统

架构规范的出现，CPU自诞生之日起就发展迅猛。

[1]

CPU 开发已经有 40 多年的历史了。我们通常将其分为六个阶段。

[3]

（1)第一阶段（1971-1973）。这是4位和8位低端微处理器的时代，代表产品有

英特尔

4004 处理器。

[3]

1971年，英特尔生产的4004微处理器将运算器和控制器集成在一个芯片上，标志着CPU的诞生；1978年，

8086

处理器的出现奠定了

X86指令集架构

，随后8086系列处理器被广泛应用于个人电脑终端、高性能服务器和

云服务器

中间。

[1]

（2)第二阶段（1974-1977）。这是8位中高端微处理器的时代，代表产品是Intel 8080。此时指令系统比较完善.

[3]

（3)第三阶段（1978-1984）。这是16位微处理器的时代，代表产品是Intel 8086，比较成熟。

[3]

（4)第四阶段（1985-1992）。这是32位微处理器的时代，代表产品是Intel 80386，已经具备多任务多用户作业能力。

[3]

1989年发布的80486处理器实现了5级标量流水线，标志着CPU的初步成熟，传统处理器发展阶段的结束。

[1]

（5)第五阶段（1993-2005）。这是奔腾系列微处理器的时代。

[3]

1995 年 11 月，英特尔发布

奔腾

处理器，处理器首次采用超标量指令流水线结构，并引入指令乱序执行和分支预测技术，大大提高了处理器的性能。因此，超标量指令流水线结构一直沿用出现的现代处理器，如AMD（Advanced Micro devices）

锐龙

, 英特尔的

核

系列等

[1]

（6)第六阶段（2005年到2021年）。处理器逐渐向更多核、更高并行度发展。典型代表是Intel的Core系列处理器和AMD的Ryzen系列处理器。

[3]

为了满足操作系统的上层工作需求，现代处理器进一步引入并行化、多核、虚拟化、远程管理系统等功能，不断推动上层信息系统的发展。

[1]

冯诺依曼

建筑是现代计算机的基础。在这种架构下，程序和数据统一存储，指令和数据需要从同一个存储空间访问，通过同一个总线传输，不能重叠执行。根据

冯诺依曼系统

，CPU的工作分为以下五个阶段：取指阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、存取数据和结果回写。

[1]

取指令（IF，instruction fetch），即从

主存储器

取自

指令寄存器

的过程。

程序计数器

中的值，用于指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出时，

程序计数器

(PC) 中的值会根据指令字长自动递增。

[1]

指令解码阶段（ID，指令解码），取指令后，

指令解码器

根据预定的指令格式，对取出的指令进行拆分和解释，识别和区分不同的指令类别和各种获取操作数的方法。现代的

CISC

处理器将拆分以提高并行性和效率。

[1]

执行指令阶段（EX，execute），具体实现指令的功能。CPU 的不同部分相互连接以执行所需的操作。

在访问数据阶段（MEM，内存），根据指令需要访问主存，读取操作数，CPU获取操作数在主存中的地址，从主存中读取操作数进行操作。有些指令不需要访问主存，所以这个阶段可以跳过。

[1]

结果回写阶段（WB，write back），作为最后一个阶段，结果回写阶段将执行指令阶段的运算结果数据“回写”到某种存储形式。生成的数据通常会写入 CPU 的内部寄存器，以便后续指令快速访问；许多指令也改变了

程序状态字寄存器

标志位的状态，标识各种操作的结果，可用于影响程序的行为。

[1]

指令执行完毕并回写结果数据后，若无意外事件（如结果溢出等）

程序计数器

获取下一条指令的地址，开始一个新的循环，下一个指令周期会依次取下一条指令。

[1]

中央处理器（CPU）是电子计算机的主要设备之一，是计算机中的核心附件。它的功能主要是解释计算机指令和处理计算机软件中的数据。CPU是计算机的核心部件，负责读取指令、解码指令并执行指令。中央处理器主要由两部分组成，即

控制器

,

计算器

，其中还包括

高速缓存存储器

以及实现它们之间连接的数据和控制总线。电子计算机的三个核心部件是 CPU、内部存储器和输入/输出设备。中央处理器的主要功能是处理指令、执行操作、控制时间和处理数据。

[2]

在计算机体系结构中，CPU是控制和分配计算机所有硬件资源（如内存、输入和输出单元）并执行一般操作的核心硬件单元。CPU是计算机的计算和控制核心。计算机系统中所有软件层的操作最终都会通过指令集映射到CPU的操作上。

[1]

CPU 性能指标

对于CPU来说，影响其性能的指标主要有：

主频

、CPU的位数、CPU的缓存指令集、CPU核数、IPC（每周期指令）。所谓CPU频率是指时钟频率，它直接决定了CPU的性能。

超频

提高CPU频率以获得更高的性能。CPU中的位数是指处理器一次可以计算的位数。

浮点数

通常，CPU 中的位数越高，CPU 执行操作的速度就越快。2020年代以后个人电脑使用的CPU一般都是64位的，因为64位处理器可以处理更大范围的数据，原生支持更高的内存寻址能力，提高了人们的工作效率。CPU的缓存指令集存储在CPU内部，主要是指能够指导和优化CPU运行的硬件程序。一般来说，CPU的缓存可以分为一级缓存、二级缓存和三级缓存，缓存性能直接影响CPU的处理性能。一些特殊用途的 CPU 可能配备了 L4 高速缓存。

[4]

中央处理器CPU结构

一般来说，CPU的结构大致可以分为算术逻辑组件，

登记

组件和控制组件等。所谓操作逻辑组件主要可以进行相关的逻辑运算，例如：除了可以进行定点或浮点算术运算、地址运算和转换和其他命令。功能单元。寄存器组件用于临时存储指令、数据和地址。控制部分主要用于分析指令并发出相应的控制信号。

对于中央处理器来说，它可以看作是一个大型的

集成电路

，其主要任务是处理和处理各种数据。传统计算机的存储容量比较小，难以处理大规模数据，处理效果也比较低。随着我国信息技术水平的飞速发展，高配置处理器计算机应运而生，高配置处理器作为控制中心，对改进计算机CPU的结构和功能发挥着重要作用。中央处理器的核心部分是控制器和运算器，它们对提高计算机的整体功能起着重要作用，可以实现寄存器控制、逻辑运算、信号收发等多种功能的增殖。 。 根据。

[2]

集成电路在计算机中起到调节信号的作用，根据用户的操作指令执行不同的指令任务。中央处理器是一个非常大规模的集成电路。它由算子、控制器、寄存器等组成，如下图所示。关键操作是各种数据的处理和处理。

[5]

中央处理器结构 [5]

传统计算机存储容量小，面对大规模数据集运行效率低。新一代计算机采用高配置处理器作为控制中心，CPU在结构和功能上都有很大的提升空间。中央处理器以运算器和控制器为主要装置，逐步向逻辑运算、寄存器控制、程序编码、信号收发等多项功能扩展。这些都加速了CPU控制性能的优化升级。

[5]

中央处理器 CPU 总线

中央处理器

公共汽车

它是计算机系统中最快的总线，也是芯片组和主板的核心。人们通常将与CPU直接相连的本地总线称为CPU总线或内部总线，将与各种通用扩展槽相连的本地总线称为系统总线或外部总线。在内部结构比较单一的 CPU 中，往往只设置一组数据传输总线，即 CPU 内部总线，用于连接 CPU 的内部寄存器和算术逻辑运算部件，因此这种总线可以也叫。用于 ALU 总线。至于组件内的总线，每个芯片都是通过一组总线连接在一起的，所以可以称为组件内的总线，一般包括两组线，地址线和数据线。系统总线是指连接系统内部各个部件的线路，是整个系统连接在一起的基础；而系统外的总线是将计算机和其他设备连接在一起的基本线路。

[4]

中央处理器

计算器是指计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件，其中

算术逻辑单元

它是中央处理核心的一部分。

[2]

(1）算术逻辑单元 (ALU)。

算术逻辑单元

它是指实现多组算术和逻辑运算的能力。

组合逻辑电路

，这是中央处理的重要组成部分。算术逻辑单元的运算主要是进行两位算术运算，如加法、减法、乘法等。在运算过程中，算术逻辑单元主要执行计算机指令集中的算术和逻辑运算。一般来说，ALU可以起到直读和读的作用，具体体现在处理器控制器、存储器和输入输出设备等方面，输入输出是在总线的基础上实现的。输入指令包含一个指令字，其中包括操作码、格式码等。

[2]

(2）中间寄存器(IR)。长度为128位，实际长度由操作数决定。IR在”

压栈

在执行该指令的过程中，将ACC的内容发送到IR，然后将操作数取到ACC，然后将IR的内容压入堆栈。

[2]

(3） Operational Accumulator (ACC)。当前寄存器一般是长度为128位的单个累加器。对于ACC，可以看成是一个变长累加器。在指令过程的描述中， ACC长度一般根据ACS的值来表示，而ACS长度与ACC长度直接相关，ACS长度加倍或减半也可以认为是ACC长度加倍或减半。

[2]

(4）描述字寄存器(DR)。主要用于存储和修改描述字。DR的长度为64位。为了简化数据结构处理，使用描述字播放一个重要的角色。

[2]

(5）B寄存器，对指令的修改起重要作用。B寄存器的长度为32位，可以保存修改地址过程中的地址修改。主存地址只能用描述字修改.指向数组中的第一个元素是描述符,所以访问数组中的其他元素应该需要一个修饰符.对于一个数组,它由相同大小的数据或相同大小的元素组成,并且是连续存储的，常见的访问方式是向量描述字，因为向量描述字中的地址是字节地址，所以在转换过程中要先加上基本地址，对于转换工作，主要是实现由硬件自动进行，在这个过程中要特别注意对齐，以免超出数组的范围。

[2]

CPU控制器

控制器是指改变主电路或控制电路的接线，并按预定顺序改变电路中的电阻值，以控制电动机的启动、调速、制动和反转的主指令装置。程序控制器

状态寄存器

它由PSR、系统状态寄存器SSR、程序计数器PC、指令寄存器等组成。作为“决策机构”，它的主要任务是下达命令，起到协调和指挥系统运行的作用。整个计算机系统。控制的分类主要包括组合逻辑控制器和微程序控制器两类。这两个部分都有各自的优点和缺点。其中的组合

逻辑控制器

结构比较复杂，但优点是速度比较快；微程序控制器结构简单，但在修改一条机器指令的功能时，需要对所有的微程序进行重新编程。

[2]

中央处理器“龙芯”系列芯片

“

龙芯

”系列芯片由

中国科学院

由中科科技有限公司设计开发。

MIPS

系统结构，拥有自主知识产权，目前产品除了龙芯7A1000桥接芯片外，还包括龙芯1号小CPU、龙芯2号中型CPU、龙芯3号大CPU三个系列。龙芯1号系列32/64位处理器专为嵌入式领域设计，主要应用于

云终端

、工控、数据采集、手持终端、网络安全、消费电子等领域，具有低功耗、高集成度、高性价比。其中，龙芯1A

32 位处理器

和龙芯1C

64 位处理器

龙芯1B处理器稳定工作在266-300MHz，是一款轻量级的32位芯片。龙芯一维处理器是超声波热量表、水表、燃气表的专用芯片。2015年，

新一代北斗导航卫星

搭载我国自主研发的龙芯1E、1F芯片。这两款芯片主要用于完成星间链路的数据处理任务。

[6]

龙芯2系列是面向桌面和高端嵌入式应用的64位高性能低功耗处理器。龙芯2产品包括龙芯2E、2F、2H和2K1000芯片。龙芯2E首次获得外部生产和销售授权。龙芯2F的平均性能比龙芯2E高出20%以上，可应用于个人电脑、工业终端、工控、数据采集、网络安全等领域。龙芯2H于2012年正式推出，适用于电脑、云终端、网络设备、消费电子等领域的需求，可作为HT或PCI-e接口的全功能芯片。2018年，龙芯推出龙芯2K1000处理器，

工业物联网

快速发展、自主可控的工业安全系统需求。

[6]

龙芯3系列是面向高性能计算机、服务器和高端桌面应用的多核处理器，具有高带宽、高性能和低功耗的特点。龙芯3A3000/3B3000处理器采用独立微结构设计，主频可达1.5GHz以上；计划于2019年上市的龙芯3A4000将是龙芯第三代产品的首款四核芯片，基于28nm工艺。技术，采用新研发的GS464V 64位高性能处理器核心架构，实现256位矢量指令，同时优化片内互连和内存访问路径，集成64位DDR3/4内存控制器，片上集成安全机制，频率和性能将再次大幅提升。

[6]

龙芯7A1000桥接芯片是龙芯首款专用桥接芯片组产品，目标是替代

AMD

RS780+SB710 桥接组，用于

龙芯处理器

提供南北桥功能。它于 2018 年 2 月发布，目前与

龙芯3A3000

紫光4G DDR3内存应用于高性能网络平台。与3A3000+780e平台相比，该方案整体性能有了很大提升，具有高生产率、高性能、高可靠性的特点。

[6]

处理器英特尔

根据

英特尔

产品线规划，截至2021年，英特尔第十代消费级酷睿共有i9/i7/i5/i3/奔腾/赛扬五类。还有 Xeon Platinum/Gold/Silver/Bronze 用于服务器，Xeon W 系列用于 HEDT 平台。

处理器 AMD

根据

AMD

产品线规划，截至2021年，AMD锐龙5000系列处理器共有四个消费产品线：ryzen9/ryzen7/ryzen5/ryzen3。此外，还有面向服务器市场的第三代EPYC处理器和面向HEDT平台的线程撕裂者系列。

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中央处理器 上海兆信

上海兆芯集成电路有限公司

是一家成立于2013年的国有控股公司，处理器采用x86架构。主要产品有开先ZX-A、ZX-c/ZX-C+、ZX-D、开先KX-5000、KX-6000；凯盛ZX-C+、ZX-D、KH-20000等。其中凯显KX-5000系列处理器采用28nm工艺，提供4核或8核版本。整体性能比上一代提升140%，达到国际主流通用处理器的性能水平，完全可以满足党政桌面的要求。办公应用8位复杂指令集cpu设计，以及包括4K超高清视频观看在内的各种娱乐应用需求。凯盛KH-20000系列处理器是兆芯针对服务器等设备推出的CPU产品。凯先KX-6000系列处理器主频高达3.0GHz，兼容全系列Windows操作系统和中科方德、中标麒麟、普华等国产自主可控操作系统，性能与英特尔第七代相同。酷睿 i5 等效。

[6]

CPU 上海神威

神威处理器

简称“Sw处理器”，来自DEC的Alpha 21164，采用Alpha架构，拥有完全自主知识产权。旗下产品包括单核Sw-1、双核Sw-2、四核Sw-410、十六核SW-1600/SW-1610等。超级计算机采用8704片SW-1600，搭载神威睿思操作系统，实现软硬件全本地化。基于Sw-26010的“神威太湖之光”超级计算机自2016年6月发布以来，连续四次位居世界500强超级计算机榜单第一名，两项上“神威太湖之光”千万核心整机应用赢得2016、

[6]

中央处理器指令集的方式

CPU的分类也可以分为指令集

精简指令集计算机

（RISC）和

复杂指令集计算机

(CISC)。RISC指令长度和执行时间是恒定的，CISC指令长度和执行时间不一定。RISC指令的并行执行更好，编译器效率更高。CISC指令针对不同的任务进行了更好的优化，代价是复杂的电路和难以提高并行性。典型的 CISC 指令集具有 x86 微体系结构，典型的 RISC 指令集具有 ARM 微体系结构。然而，在现代处理器架构中，RISC 和 CISC 指令都在解码过程中进行转换，并在 CPU 内部拆分为类似 RISC 的指令。

[4]

中央处理器 嵌入式系统 CPU

传统的嵌入式领域是指一个非常宽泛的范畴，就是处理器除了服务器和

个人电脑

主要应用领域以外的领域。所谓“嵌入式”，是指在很多芯片中，其所包含的处理器就像是嵌入其中，不为人知。

[8]

近年来，随着各种新技术、新领域的深入发展，嵌入式领域本身也发展成几个不同的子领域，形成分化。

[8]

首先是智能手机（Mobile Smart Phone）和

手持设备

随着（Mobile Device）的发展，移动（Mobile）领域逐渐发展成为与PC领域相匹敌甚至超越的独立领域。由于需要加载Mobile领域的处理器

Linux

操作系统还涉及复杂的软件生态系统。因此，它对软件生态系统有着与PC领域一样的高度依赖。

[8]

其次是实时（Real Time）嵌入字段。该领域对软件的依赖相对较少，因此不存在绝对垄断，但由于

ARM处理器

IP商业推广的成功还是以ARM处理器架构为主，其他处理器架构如Synopsys ARC也有不错的市场效果。

[8]

最后是深度嵌入领域。这个字段更像是前面提到的传统嵌入式字段。该领域的需求非常大，但往往侧重于低功耗、低成本和高能效比。不需要加载像 Linux 这样的大型应用程序操作系统。大部分软件需要定制裸机程序或简单

实时操作系统

8位复杂指令集cpu设计，所以对软件生态的依赖比较低。

[8]

中央处理器 主机 CPU

大型机

，或大型机。大型机使用专门的处理器指令集、操作系统和应用软件。大型机一词最初是指一个大型计算机系统，该系统安装在一个非常大的框架铁盒中，用于与较小的小型计算机和

微型计算机

做出改变。

[9]

减少大型机 CPU 消耗是一项重要任务。节省每个 CPU 周期不仅可以延迟硬件升级，还可以根据使用规模降低软件许可费用。

大型机架构主要包括以下两点：高度虚拟化，所有系统资源共享。大型机可以整合大量工作负载并最大限度地提高资源利用率；异步

输入输出操作

. 即执行时

输入输出

在运行期间，CPU 将

输入输出指令

它交给 I/O 子系统来完成，而 CPU 本身则被腾出来执行其他指令。因此，主机可以在执行繁重的 I/O 任务的同时执行其他任务。

[9]

中央处理器强大的数据处理功能，有效提高了计算机的工作效率。在数据处理操作过程中，不仅仅是简单的操作。中央处理器的操作是基于计算机用户发出的指令任务。在执行指令任务的过程中，用户输入的控制指令对应于CPU的控制指令实现。随着我国信息技术的飞速发展，计算机广泛应用于人们的生活、工作和企业办公自动化。

电子商务

网络的发展起到了催化作用，大大提升了CPU控制性能的升级过程。指令控制、实际控制、运行控制等是计算机CPU技术应用的表现。

[2]

(1）选择控制。集中处理模式的运行是根据具体的程序指令来实现的，以满足计算机用户的需要。CPU在运行过程中可以根据实际情况进行选择，以满足用户的需求 数据流的需求 指令控制技术的重要作用 根据用户的需求制定运行模式，从而可以很好的保持数据指令动作的有序制定 在CPU执行过程中，程序的每一条指令的执行都是按照顺利完成的，按照一定的顺序来保证电脑使用的效果，CPU主要是扩展数据集的自动处理，是实现集中控制的关键,其核心是指令控制操作。

[2]

(2）插入控制。CPU产生运行控制信号主要是通过指令的功能来实现的。通过向相应的组件发送指令，达到控制这些组件的目的。实现一条指令的功能，它主要是通过计算机中的组件执行一系列操作来完成。更多的小控制元素是构建集中处理模式的关键，目的是为了更好地完成CPU数据处理操作。

[2]

(3）时间控制。把时间计时应用到各种操作中就是所谓的时间控制。执行某条指令时，应该在规定的时间内完成。CPU的指令是从

高速缓存存储器

或者从内存中取出，然后进行指令译码操作，主要在

指令寄存器

在这个过程中，要注意严格控制节目时间。

[2]

CPU的蓬勃发展也带来了许多安全问题。1994年出现

奔腾

处理器上的 FDIV bug (Pentium Floating Point Division Error) 会导致浮点除法错误；1997 Pentium处理器上的F00F异常指令会导致CPU崩溃；2011 年英特尔处理器

可信执行技术

（TXT，可信执行技术）存在

缓冲

溢出问题可被攻击者用于提权；2017 年，英特尔管理引擎（ME，管理引擎）组件中的一个漏洞可能导致远程未经授权的任意代码执行；2018 年，两个 CPU 漏洞 Meltdown 和 Spectre 几乎影响了过去 20 年制造的每一台计算设备都使存储在数十亿台设备上的私人信息面临被泄露的风险。这些安全问题严重危害国家网络安全、关键基础设施安全和重要行业信息安全，已经或将造成巨大损失。

[1]

中央处理器

图形处理器

也就是说，图像处理器、CPU和GPU的工作流程和物理结构大致相似。与 CPU 相比，GPU 的工作更加单一。在大多数个人计算机中，GPU 仅用于绘制图像。如果CPU要绘制二维图形，只需向GPU发送指令，GPU就可以快速计算出图形的所有像素，并在显示器的指定位置绘制相应的图形。由于 GPU 会产生大量热量，因此显卡上通常有单独的冷却装置。

[3]

CPU设计结构

CPU具有强大的算术运算单元，可以在极少的时钟周期内完成算术运算。同时，还有一个很大的缓存，可以在里面保存很多数据。此外，还有复杂的逻辑控制单元，通过在程序有多个分支时提供分支预测功能来减少延迟。GPU基于大

吞吐量

设计上，算术运算单元多，缓存少。同时GPU支持大量线程同时运行。如果它们需要访问相同的数据，缓存会将这些访问合并，这自然会带来延迟问题。虽然有延迟，但由于算术运算单元数量多，可以达到非常大的吞吐效果。

[3]

CPU使用场景

显然，由于 CPU 有大量的缓存和复杂的逻辑控制单元，所以它非常擅长逻辑控制和串行操作。相比之下，GPU 可以同时执行大量的计算工作，因为它拥有大量的算术运算单元。它擅长的是大规模并发计算。话虽如此，很明显我们可以如何使用 GPU 来提高程序的速度。用CPU做复杂的逻辑控制，用GPU做简单但大的算术运算，可以大大提高程序的运行速度。

[3]

通用中央处理器（CPU）芯片是信息产业的基础部件和武器装备的核心器件。我国缺乏CPU技术和具有自主知识产权的产业，不仅导致信息产业受制于人，也使国家安全难以得到充分保障。“十五”期间，国家“863计划”开始支持CPU自主研发。“十一五”期间，“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”（“Core High-Base”）重大项目将“863计划”CPU成果引入行业。从“

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参考