一文詳解CPU概念及運作原理

信創產業（信創之CPU、GPU、存儲、整機基礎硬件），即信息技術應用創新產業，旨在實現信息技術領域的自主可控，保障國家信息安全。從產業鏈角度看，信創產業主要由基礎硬件、基礎軟件、應用軟件、信息安全4部分構成，其中芯片、整機、操作系統、數據庫、中間件是最重要的產業鏈環節。

CPU概念及運作原理

中央處理器（Central Processing Unit），是實現計算機的運算核心和控制核心。主要包括運算器、控制器和寄存器等模塊。運算器負責執行運算和測試，控制器負責提取指令、進行譯碼、控制數據流動方向，寄存器位于CPU內部和內存類似，能夠在處理指令時暫時存儲個數字能使運算變得更快。 CPU的運作原理可分為“取”、“譯”、“執行”∶CPU從內存中提取指令，由解碼器譯碼，將指令轉化為控制CPU其他部分的信號，最后由運算器進行運算和測試。

CPU指令集概念及分類

CPU指令集（Instruction Set）是CPU中計算和控制計算機系統所有指令的集合。計算機的程序最終需要轉化為“指令”才能在CPU上運行。 CPU按照指令集可分為CISC（復雜指令集）和RISC（精簡指令集）兩大類，CISC型CPU目前主要是x86架構，RISC型CPU主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER、Alpha架構等。

CPU指令集架構生態

在生態方面，基于x86和ARM架構的CPU與下游軟硬件的兼容性較好，適配產品較為豐富，對用戶使用較為友好。 基于MIPS和Alpha架構的CPU在高性能計算、嵌入式工控機等特定領域應用較好，市場化仍有待進一步的發展。

GPU基本概念

GPU基本概念∶圖形處理器（graphics processing unit，縮寫GPU），又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備（如平板電腦、智能手機等）上做圖像和圖形相關運算工作的微處理器。 GPU是顯卡的處理器∶顯卡全稱顯示適配卡，又稱顯示適配器，用于協助CPU進行圖像處理，作用是將CPU送來的圖像信號經過處理再輸送到顯示器上，由主板連接設備、監視器連接設備、處理器和內存組成，GPU即是顯卡處理器。

GPU工作原理與結構

GPU工作原理∶GPU的工作通俗來說就是完成3D圖形的生成，將圖形映射到相應的像素點上，對每個像素進行計算確定最終顏色并完成輸出，一般分為頂點處理、光柵化計算、紋理貼圖、像素處理、輸出五個步驟。GPU 采用流式并行計算模式，可對每個數據行獨立的并行計算。 GPU與CPU區別∶CPU基于低延時設計，由運算器（ALU）和控制器（CU），以及若干個寄存器和高速緩沖存儲器組成，功能模塊較多，擅長邏輯控制，串行運算。GPU基于大吞吐量設計，擁有更多的ALU用于數據處理，適合對密集數據進行并行處理，擅長大規模并發計算，因此GPU也被應用于Al訓練等需要大規模并發計算場景。

GPU分類：GPU可分為獨立GPU和集成GPU

獨立GPU獨立GPU一般封裝在獨立的顯卡電路板上，使用專用的顯示存儲器，獨立顯卡性能由GPU性能與顯存帶寬共同決定。一般來講，獨立GPU的性能更高，但因此系統功耗、發熱量較大。 集成GPU集成GPU常和CPU共用一個Die，共享系統內存。集成GPU的制作由CPU廠家完成，因此兼容性較強，并且功耗低、發熱量小。但如果顯卡運行需要占用大量內存，整個系統運行會受限，此外系統內存的頻率通常比獨立顯卡的顯存低很多，因此一般集成GPU的性能比獨立GPU更低。

存儲存儲概念及分類

計算機存儲，主要是指各種存儲器（Memory）和企業級存儲（Storage），企業級存儲產品中使用了各種存儲器技術。 按照存儲介質的不同，將存儲器分為光學存儲、半導體存儲和磁性存儲三大類。半導體存儲又劃分為RAM（隨機存儲器）和ROM（只讀存儲器）。 RAM是與CPU直接交換數據的內部存儲器，也就是主存，斷電數據會丟失，ROM掉電數據不會丟失。 其中DRAM和Flash（包括NOR Flash和NAND Flash）為當前主流存儲器，占據了全球主要的存儲器市場。2020年，DRAM占全球存儲器市場的比例超一半，高達53%，是存儲器分支中市場規模最大的產品。

基礎硬件：整機

信創產業，旨在實現信息技術領域的自主可控，保障國家信息安全。從產業鏈角度看，信創產業主要由基礎硬件、基礎軟件、應用軟件、信息安全4部分構成，其中芯片、整機、操作系統、數據庫、中間件是最重要的產業鏈環節。

審核編輯：黃飛

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