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CPU设计

2018-08-29 18:01:57     所属分类:信息技术

CPU 设计是指设计中央处理器(CPU)的工程学,是计算机硬件(设计)[注 1]的一部分,它是计算机工程和电子工程中的一个分支。

目录

  • 1 细节
    • 1.1 微架构的概念
    • 1.2 研究课题
    • 1.3 性能分析和基准测试
  • 2 市场情况
    • 2.1 通用计算
      • 2.1.1 高端经济型处理器
    • 2.2 科学计算
    • 2.3 嵌入式设计
      • 2.3.1 经济型嵌入式处理器
      • 2.3.2 CPU设计的研究与教育
      • 2.3.3 微处理器内核
  • 3 注释
  • 4 参考文献
    • 4.1 出处
    • 4.2 书籍
  • 5 外部链接
  • 6 参见

细节

CPU设计关注:

  1. 数据路径 (如ALU 和 计算管道)
  2. 控制单元:逻辑控制的数据路径
  3. 记忆体元件,如寄存器文件缓存
  4. 时脉电路,如时脉驱动器,PLL,时钟分配网络
  5. 垫收发器电路
  6. 逻辑门电路的实现[注 2]

CPU为高性能需求设计。可能需要为每个项目的定制设计以实现变频

为性能较低的需求设计的CPU可能实施:

  • 购买一些知识产权
  • 使用控制逻辑的实现技术(使用CAD工具等)来实现其他组成部分.

在CPU设计中包括的一般逻辑为:

  • 非结构化的随机逻辑
  • 有限状态机
  • 微程序设计 (常见于1965年到1985年)
  • 可编程逻辑阵列 (常见于80年代,现在比较罕见)

用来实现逻辑设备类型包括:

  • TTL 小规模集成 逻辑芯片 - 已不被使用
  • 可编程阵列逻辑 和 可编程逻辑器件 - 已不被使用
  • 射极耦合逻辑 (ECL) 门阵列 - 已不普遍
  • CMOS 门阵列 - 已不被使用
  • CMOS ASICs - 今天常用,它们非常常用以致单词ASIC并不用于CPU
  • 现场可编程逻辑门阵列 (FPGA) - 常见于软微处理器,多少需要可重构计算

CPU设计计划大致上有这些主要工作:

  • 程序员可见指令集, 各种微架构的实现
  • 在ANSI C/C++或者SystemC的体系研究和性能建模
  • 高级综合 (HLS) 或 RTL (例如逻辑) 执行
  • RTL 验证
  • 关键速度相关部件(缓存、寄存器、算数逻辑单元)电路设计
  • 逻辑综合 或逻辑门层设计
  • 进行时序分析 以确认所有逻辑和电路将以特定频率运行
  • 物理设计,包括布局、布线、版图设计
  • 检查 RTL,逻辑门层,晶体管层及物理层表示相符
  • 检查 信号完整性,芯片可制造性

通过重新设计CPU核心,来获得更小的裸片面积,有助于实现以上目标中的几个。

微架构的概念

研究课题

性能分析和基准测试

因为现在针对各种CPU的基准测试有太多,并在迅猛发展。

最著名的基准是SPECint和SPECfp的基准测试标准性能评估组织和ConsumerMark benchmark developed by the Embedded Microprocessor Benchmark Consortium EEMBC。

需测量的地方包括:

  • IPS
  • 浮点
  • 效能功耗比
  • 低功耗
  • 小尺寸、轻重量
  • 环境影响

Some of these measures conflict. In particular, many design techniques that make a CPU run faster make the "performance per watt", "performance per dollar", and "deterministic response" much worse, and vice versa.

市场情况

研发新的,高端的CPU是一个代价沉重的命题,例如,一般的电脑工程师年薪在每年25万美元左右。这包括工资、福利、CAD工具、电脑、办公场地租金等。假设设计CPU需要100名工程师,那么该项目需要4年。

总支出 = $250,000 / 工程师数/年 x 100 工程师数 x 4 年 = $100,000,000美元。

上述金额只是一个例子.现代通用CPU的设计团队有几百个团队成员.

通用计算

高端经济型处理器

在1984年, 大多数高性能的CPU需要四到五年的发展

科学计算

嵌入式设计

经济型嵌入式处理器

CPU设计的研究与教育

微处理器内核

对于嵌入式系统,高性能往往并不考虑功耗的问题。这一点,使用处理器时,它可以完全实现逻辑合成技术。 这些合成的处理器,可以实现更快的处理速度。

注释

  1. ^ 此处英文原文为 a component of computer hardware
  2. ^ 原文为:Library (electronics) which is used to implement the logic

参考文献

出处

书籍

  • Hwang, Enoch. Digital Logic and Microprocessor Design with VHDL. Thomson. 2006. ISBN 0-534-46593-5. 
  • Processor Design: An Introduction

外部链接

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Microprocessor Design

参见

  • 中央处理器
  • 微处理器
  • 系统单芯片
  • 电子设计自动化
  • 通用CPU历史英语History of general purpose CPUs (英文)
  • 微架构
  • 摩尔定律
  • 阿姆达尔定律
  • 精简指令集
  • 复杂指令集
  • 最小指令集英语Minimal instruction set computer(英文)
  • 高级综合

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