CPU概览篇

时代与机遇

第1节

CPU时代

一个有纸、笔、橡皮擦并且坚持严格的行为准则的人，实质上就是一台通用图灵机。

中国科学院大学2019年本科新生录取通知书里的龙芯3号CPU

信息社会的基石：CPU

CPU = 运算器 + 控制器

计算机是一种可以执行计算功能的自动化设备。在信息社会中，无数的计算机每天都在执行大量的信息处理和计算工作，本来属于人的工作可由计算机自动完成，大大提高了社会生产力。

1946年，世界上第一台通用数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学被制造出来，标志着人类社会进入信息化时代。

按照经典的计算机结构模型，一台计算机由5大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。计算机科学先驱冯·诺依曼（又译作冯·诺伊曼）在1945年写成论文First Draft of a Report on the EDVAC，以101页的篇幅描述了计算机的结构模型，奠定了现代计算机的结构基础，如图1.1所示。

图1.1　冯·诺依曼1945年写的论文的目录，确立了计算机的5大组成部分

冯·诺依曼体系结构是现代计算机共同的模型（见图1.2），现在已经成为每个计算机专业学生在大学必学的知识。无论是高性能的大型科学计算机，还是我们身边的台式计算机、手机，都遵从冯·诺依曼体系结构。

图1.2　冯·诺依曼体系结构

抽象地讲，计算机的主要工作原理如下。

（1）5个部分之间由通信线路进行连接。

（2）要运行的任务（程序）保存在存储器（M）中。程序以连续排列的指令为单位组成，每条指令包含了一项计算操作。

（3）计算机启动后，控制器（CC）从存储器中依次读取指令，将指令包含的信息传送到运算器（CA）中，由运算器解析指令的功能、执行数值运算。

（4）指令执行时，有可能需要从外界读取要加工的数据；控制器向输入设备（I）发出消息，由输入设备把数据传送到计算机的内部。

（5）指令执行结束后，控制器可以把运算器的计算结果存入存储器；控制器也可以向输出设备（O）发出消息，由输出设备把计算结果传送到计算机的外部。

（6）控制器再从存储器中读取下一条指令并送入运算器。

（7）上述“取指令—执行指令—保存结果”的过程多次重复执行，直到程序的最后一条指令执行完成。

这样整个程序就运行结束了，计算机的使用者得到了期望的计算结果。

在实际的计算机中，运算器、控制器两部分经常被一起设计，二者合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。CPU的主要任务就是由控制器指挥计算机中的其他部件一起协同工作，并且由运算器执行数值计算。

CPU是计算机中最重要的芯片。CPU每时每刻都在驱动着信息化社会的运转，就像汽车中的发动机一样，是全世界不可缺少的基石。

电脑之心：CPU在计算机中的地位

CPU在计算机中的地位，就像大脑在人体中的地位

CPU经常被称作“电脑之心”，是当之无愧的计算机中枢。

CPU指挥计算机中的其他部件工作。CPU是程序的调用者和运行者，程序的每一条指令都要经过CPU的解析和执行。外界向计算机输入数据，需要CPU进行接收；程序运行结束后，需要CPU发出指示才能把计算结果输出给外界。

CPU是计算机中最复杂的芯片。CPU采用的是超大规模集成电路，现代的芯片制造技术可以在一根头发丝的宽度上排列1000根电路连线。台式计算机中的一个芯片就能包含50亿个晶体管，而人脑中的神经元的数量也就在800亿个左右。一台计算机中，CPU是复杂度最高、工作最繁忙的部件。主流CPU中的晶体管数量见表1.1。

表1.1　主流CPU中的晶体管数量

CPU制造工艺

Apple M15nm

Intel Haswell GT2 4C22nm

AMD Vishera 8C32nm

Intel Sandy Bridge 4C32nm