一、CPU基本工作原理

CPU(Central Processing Unit，中央處理器)是計算機的運算核心和控制核心，由運算器、控制器和寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態的總線構成。主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。

CPU的運作原理可分為四個階段: 提取(Fetch)、解碼(Decode)、執行(Execute)和寫回(Writeback)。CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，并執行指令。

CPU緩存分為一級和二級緩存。一級緩存，即L1Cache。集成在CPU內部中，用于CPU在處理數據過程中數據的暫時保存。由于緩存指令和數據與CPU同頻工作，L1級高速緩存的容量越大，存儲的信息越多，可減少CPU與內存之間的數據交換次數，提高CPU的運算效率。一般L1緩存的容量通常在32-256KB。二級緩存，即L2 Cache。由于L1級高速緩存容量的限制，為了再次提高CPU的運算速度，在CPU外部放置一高速存儲器，即二級緩存。CPU在讀取數據時，先在L1中尋找，再從L2尋找，然后是內存，再后是外存儲器。

CPU的主要性能參數包括：主頻、倍頻和外頻。CPU的主頻也叫時鐘頻率，CPU 主頻為 CPU 的額定工作頻率，當內核數目和緩存大小一樣時，主頻越高的CPU性能越好，主頻越高CPU處理數據的速度就越快，CPU的主頻=外頻×倍頻系數。

外頻和倍頻的區分主要和CPU的發展有關的。由于CPU發展太快，而其他硬件無法達到同樣頻率來交互，于是CPU進行妥協，將外頻作為和主板其他部件之間通訊的頻率，而工作頻率靠倍頻來調節提升。

• CPU的主頻，即CPU內核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。即為通常所說的CPU是xx MHz。
• 外頻是CPU的基準頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。
• 倍頻系數是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關系。一般情況下，同代（同針腳）的CPU，其外頻往往是一樣的，只是倍頻系數的變化導致主頻不同。

多核處理器把多個CPU(核心)集成到單個集成電路芯片(Integrated Circuit Chip)中。一個雙核的CPU有2個中央處理單元，操作系統可以看到真正的2個核心，所以2個不同的進程可以分別在不同的核心中同時執行，這大大加快了系統的速度。由于2個核心都在一個芯片上，因此它們之間的通信也要更快，系統也會有更小延遲。

超線程(Hyper Threading)其實就是同時多線程技術，是一項允許一個CPU執行多個控制流的技術。它的原理就是把一顆CPU當成兩顆來用，將一顆具有超線程功能的物理CPU變成兩顆邏輯CPU，而邏輯CPU對操作系統來說，跟物理CPU并沒有什么區別。因此，操作系統會把工作線程分派給這兩顆（邏輯）CPU上去執行，讓（多個或單個）應用程序的多個線程，能夠同時在同一顆CPU上被執行。注意：兩顆邏輯CPU共享單顆物理CPU的所有執行資源。實際上，超線程技術就是對CPU的虛擬化。

二、CPU架構的分類

CPU架構是CPU廠商給CPU產品定的一個規范，主要目的是為了區分不同類型的CPU。當前市場上的CPU分類主要分有兩大分類：一個是intel、AMD為首的復雜指令集CPU，另一個是以ARM為首的精簡指令集CPU。那什么是復雜指令集？什么是精簡指令集呢？在講解X86和ARM CPU架構之前，我們先了解CISC復雜指令集和RISC精簡指令集。

CISC（Complex Instruction Set Computer）復雜指令系統是為了增強原有指令的功能，設置更為復雜的新指令實現部分大量重復的軟件功能的硬件化。由于早期的電腦主頻低、運行速度慢，為了提高運算速度，不得已將更多的復雜指令加入到指令系統中來提高電腦的處理效率，慢慢形成以桌面電腦為首的復雜指令系統計算機。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）精簡指令集是從CISC中取其精華去其糟粕，簡化指令功能，讓指令的平均執行周期減少，達到提升計算機工作主頻的目的，同時引入大量通用寄存器減少不必要的讀寫過程，提高子程序執行速度，從而程序運行時間縮短并且減少了尋址，提高了編譯效率，最終達到高性能目的。

CPU 按指令集的架構區分，分為 CISC復雜指令集和 RISC精簡指令集型兩類 。

而不同品牌的CPU，其產品的架構也不相同，X86架構的主要代表工資是有：Intel、AMD、國產海光等， ARM架構公司有ARM、Ampere、國產飛騰；PowerPC架構的公司有IBM。這里主要看主流的X86架構和ARM架構。

X86架構（The X86 architecture）是Intel首先開發制造的一種微處理器體系結構的泛稱，也標識一套通用的計算機指令集合，X與處理器沒有任何關系，它是一個對所有*86系統的簡單的通配符定義。x86架構是重要的可變指令長度的復雜指令集（CISC）。

ARM架構是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構。ARM處理器由于節能的特點非常適用于行動通訊領域，目標特效為低耗電。和Intel公司不同， ARM公司不制造，不銷售芯片，而是只自己設計IP核，包括指令集架構、微處理器、GPU、互連架構等，然后誰想用就授權賣給誰，再從每顆實際造出來的產品中收取版稅。

ARM的授權分為3種，分別是架構授權、內核授權和使用授權。分別對應大中小公司，貼個牌子就能說是自己的CPU，為ARM處理器的廣泛使用打下堅實基礎。

1）架構授權：是指企業購買了架構級的ARM處理器設計和制造許可。企業獲得架構授權之后，可以從整個架構和指令集方面入手，對ARM架構進行大幅度改造，甚至可以對ARM指令集進行擴展或縮減，以便達到更高性能、更低功耗或更低成本等不同目的。

2）內核授權：內核授權則是指用戶可以將其所購買的ARM核心應用到其自行設計的芯片中。但用戶不得對其購買的ARM核心本身進行修改。

3）使用授權：擁有使用授權的用戶只能購買已經封裝好的ARM處理器核心，而如果想要實現更多功能和特性，則只能通過增加封裝之外的DSP核心的形式來實現。

目前，在移動芯片領域，ARM架構的芯片占據了90%以上的市場份額，在服務器CPU市場上，Intel X86處理器占據超過90%市場份額。但兩大CPU處理器指令體系CISC和RISC架構也都在互相取長補短，走向融合。CISC借用RISC的理念優化指令系統效率，RISC引入增強指令提高復雜任務處理效率。CISC復雜指令集特點在于指令多，一條指令執行多個功能。優點體現在特定功能執行效率高，例如多媒體處理；缺點是系統設計復雜，執行效率低。RISC精簡指令集特點是指令少，復雜任務由多個精簡指令組合完成。優點是常用工作執行效率高，功耗低；缺點是部分復雜任務處理效率偏低，例如多媒體處理。

隨著國產服務器芯片快速研發與創新迭代，目前國產服務器芯片也取得一定的顯著成果，在服務器市場上市場占有率顯著上升，主要的CPU研發公司包括：華為鯤鵬(ARM)，飛騰(ARM)，海光(x86)，兆芯(x86)，龍芯(MIPS)，申威(Alpha)等。主要可代工生產CPU的國產企業包括中芯國際、華虹半導體和華力微電子等公司。例如，國內華為和飛騰已獲得永久性Arm V8架構指令層級授權，這是廠商高度自主研發服務器芯片的設計根基。基于Arm架構的服務器CPU芯片（鯤鵬CPU、飛騰CPU）在自主創新、安全可控、產業生態、芯片性能等綜合實力，目前已成為替代Intel等國外CPU芯片的最佳選擇。