设计详情

CPU设计分为以下几部分：

1. 数据路径（例如ALU和管道）
2. 控制单元：控制数据路径的逻辑
3. 内存组件，例如寄存器文件、缓存
4. 时钟电路，例如时钟驱动器、PLL、时钟分配网络
5. 垫收发器电路
6. 逻辑门单元库，用于实现逻辑

为高性能市场而设计的CPU可能需要针对每个项目进行定制（优化或针对特定应用）设计，以实现频率、功耗和芯片面积目标，而为性能较低的市场而设计的CPU可能会减少实施通过购买作为知识产权的这些物品获得负担。控制逻辑实现技术（使用CAD工具进行逻辑综合）可用于实现数据路径，寄存器文件和时钟。CPU设计中使用的常见逻辑样式包括非结构化随机逻辑，有限状态机，微程序设计和可编程逻辑阵列 （在1980年代很常见）。

用于实现逻辑的设备类型包括：

• 晶体管逻辑 小型集成逻辑芯片-不再用于CPU
• 可编程阵列逻辑和可编程逻辑设备 -不再用于CPU
• 发射极耦合逻辑（ECL）门阵列 -不再常见

• CMOS 门阵列 -不再用于CPU

• CMOS 批量生产的IC-绝大多数CPU
• CMOS ASIC-由于费用而仅适用于少数特殊应用
• 现场可编程门阵列（FPGA）- 软微处理器通用，或多或少需要可重构计算

CPU设计项目通常具有以下主要任务：

• 程序员可见的指令集体系结构，可以通过多种微体系结构实现
• ANSI C / C ++或SystemC中的体系结构研究和性能建模^{[ 需要澄清 ]}
• 高级综合（HLS）或寄存器传输级（RTL、例如逻辑）实现
• RTL验证
• 速度关键组件（高速缓存、寄存器、ALU）的电路设计
• 逻辑综合或逻辑门级设计
• 时序分析，以确认所有逻辑和电路将以指定的工作频率运行
• 物理设计、包括布局规划、逻辑门的布局和布线
• 检查RTL、门级、晶体管级和物理级表示是否等效
• 检查信号完整性，芯片可制造性

将CPU内核重新设计为较小的裸片区域有助于缩小所有内容（“ 光掩模缩小”），从而在较小的裸片上具有相同数量的晶体管。它提高了性能（较小的晶体管开关速度更快），降低了功率（较小的导线具有较小的寄生电容）并降低了成本（更多的CPU安装在同一硅晶片上）。在相同大小的裸片上发布CPU，但CPU内核更小，成本保持不变，但可以在一个超大型集成芯片（附加缓存，多个CPU或其他组件）中实现更高级别的集成，从而提高性能并降低整体系统成本。

与大多数复杂的电子设计一样，逻辑验证工作（证明该设计没有错误）现在控制着CPU的项目进度。

CPU关键的体系结构创新包括索引寄存器、缓存、虚拟内存、指令流水线、超标量、CISC、RISC、虚拟机、仿真器、微程序和堆栈。

已经提出了各种新的CPU设计思想，包括可重配置逻辑，无时钟CPU，计算RAM和光学计算。

基准测试是测试CPU速度的一种方法。例如，由Standard Performance Evaluation Corporation开发的SPECint和SPECfp，以及由嵌入式微处理器基准联盟EEMBC开发的ConsumerMark。

一些常用的指标包括：

• 每秒指令数 -大多数消费者选择计算机架构（通常是Intel IA32架构），以便能够运行大量的预先存在的预编译软件。由于对计算机基准测试一无所知，因此其中一些基于工作频率选择了特定的CPU（请参阅兆赫兹神话）。
• FLOPS-每秒浮点运算的数量对于选择用于科学计算的计算机通常很重要。
• 每瓦性能 -构建并行计算机（如Google）的系统设计人员根据每瓦电源的速度选择CPU，因为为CPU供电的成本超过了CPU本身的成本。
• 一些构建并行计算机的系统设计人员会根据每美元的速度来选择CPU。
• 构建实时计算系统的系统设计人员希望保证最坏情况下的响应。当CPU的中断等待时间短并且响应确定时，这样做比较容易。（DSP）
• 直接使用汇编语言进行编程的计算机程序员希望CPU支持功能齐全的指令集。
• 低功率-适用于电源有限的系统（例如太阳能、电池、人力）。
• 体积小或重量轻-适用于便携式嵌入式系统，航天器系统。
• 环境影响-在制造和回收以及使用过程中将计算机对环境的影响最小化。减少浪费、减少有害物质。。

优化其中一些指标可能会有所取舍。特别是，许多使CPU运行速度更快的设计技术会使“每瓦性能”，“每美元性能”和“确定性响应”变得更糟，反之亦然。