一文解析CPU概念、运作原理、指令集架构生态

信创产业（信创产业链全梳理（2022）），即信息技术应用创新产业，旨在实现信息技术领域的自主可控，保障国家信息安全。从产业链角度看，信创产业主要由基础硬件、基础软件、应用软件、信息安全4部分构成，其中芯片、整机、操作系统、数据库、中间件是最重要的产业链环节。

CPU概念及运作原理

中央处理器（Central Processing Unit），是实现计算机的运算核心和控制核心。主要包括运算器、控制器和寄存器等模块。运算器负责执行运算和测试，控制器负责提取指令、进行译码、控制数据流动方向，寄存器位于CPU内部和内存类似，能够在处理指令时暂时存储个数字能使运算变得更快。 CPU的运作原理可分为“取”、“译”、“执行”∶CPU从内存中提取指令，由解码器译码，将指令转化为控制CPU其他部分的信号，最后由运算器进行运算和测试。

CPU指令集概念及分类

CPU指令集（Instruction Set）是CPU中计算和控制计算机系统所有指令的集合。计算机的程序最终需要转化为“指令”才能在CPU上运行。 CPU按照指令集可分为CISC（复杂指令集）和RISC（精简指令集）两大类，CISC型CPU目前主要是x86架构，RISC型CPU主要包括ARM、RISC-V、MIPS、POWER、Alpha架构等。

CPU指令集架构生态

在生态方面，基于x86和ARM架构的CPU与下游软硬件的兼容性较好，适配产品较为丰富，对用户使用较为友好。 基于MIPS和Alpha架构的CPU在高性能计算、嵌入式工控机等特定领域应用较好，市场化仍有待进一步的发展。

GPU基本概念

GPU基本概念∶图形处理器（graphics processing unit，缩写GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。 GPU是显卡的处理器∶显卡全称显示适配卡，又称显示适配器，用于协助CPU进行图像处理，作用是将CPU送来的图像信号经过处理再输送到显示器上，由主板连接设备、监视器连接设备、处理器和内存组成，GPU即是显卡处理器。

GPU工作原理与结构

GPU工作原理∶GPU的工作通俗来说就是完成3D图形的生成，将图形映射到相应的像素点上，对每个像素进行计算确定最终颜色并完成输出，一般分为顶点处理、光栅化计算、纹理贴图、像素处理、输出五个步骤。GPU 采用流式并行计算模式，可对每个数据行独立的并行计算。 GPU与CPU区别∶CPU基于低延时设计，由运算器（ALU）和控制器（CU），以及若干个寄存器和高速缓冲存储器组成，功能模块较多，擅长逻辑控制，串行运算。GPU基于大吞吐量设计，拥有更多的ALU用于数据处理，适合对密集数据进行并行处理，擅长大规模并发计算，因此GPU也被应用于Al训练等需要大规模并发计算场景。

GPU分类：GPU可分为独立GPU和集成GPU

独立GPU独立GPU一般封装在独立的显卡威廉希尔官方网站 板上，使用专用的显示存储器，独立显卡性能由GPU性能与显存带宽共同决定。一般来讲，独立GPU的性能更高，但因此系统功耗、发热量较大。 集成GPU集成GPU常和CPU共用一个Die，共享系统内存。集成GPU的制作由CPU厂家完成，因此兼容性较强，并且功耗低、发热量小。但如果显卡运行需要占用大量内存，整个系统运行会受限，此外系统内存的频率通常比独立显卡的显存低很多，因此一般集成GPU的性能比独立GPU更低。

存储存储概念及分类

计算机存储，主要是指各种存储器（Memory）和企业级存储（Storage），企业级存储产品中使用了各种存储器技术。 按照存储介质的不同，将存储器分为光学存储、半导体存储和磁性存储三大类。半导体存储又划分为RAM（随机存储器）和ROM（只读存储器）。 RAM是与CPU直接交换数据的内部存储器，也就是主存，断电数据会丢失，ROM掉电数据不会丢失。 其中DRAM和Flash（包括NOR Flash和NAND Flash）为当前主流存储器，占据了全球主要的存储器市场。2020年，DRAM占全球存储器市场的比例超一半，高达53%，是存储器分支中市场规模最大的产品。

基础硬件：整机

信创产业，旨在实现信息技术领域的自主可控，保障国家信息安全。从产业链角度看，信创产业主要由基础硬件、基础软件、应用软件、信息安全4部分构成，其中芯片、整机、操作系统、数据库、中间件是最重要的产业链环节。（完整报告：信创产业链全梳理（2022））。

编辑：黄飞