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1、CPUCPU发展历史发展历史 制作人：时间：2024年X月CONTENTS目录目录第第1 1章章 CPU CPU发展简介发展简介第第2 2章章 早期早期CPUCPU的发展历程的发展历程第第3 3章章 现代现代CPUCPU的构造和设计的构造和设计第第4 4章章 CPU CPU的应用的应用第第5 5章章 CPU CPU的未来发展的未来发展 01010101第第1章章 CPU发发展展简简介介 什么是什么是什么是什么是CPU?CPU?CPU?CPU?CPU(Central Processing Unit),CPU(Central Processing Unit),CPU(Central Process
2、ing Unit),CPU(Central Processing Unit),即中央处理器，是计算机的核心部件，是即中央处理器，是计算机的核心部件，是即中央处理器，是计算机的核心部件，是即中央处理器，是计算机的核心部件，是执行指令、控制输入输出、进行数据处理和运算的设备。执行指令、控制输入输出、进行数据处理和运算的设备。执行指令、控制输入输出、进行数据处理和运算的设备。执行指令、控制输入输出、进行数据处理和运算的设备。CPUCPU的作用的作用CPU负责执行计算机内部的各种指令，例如算术运算、逻辑运算、分支、跳转等操作。执行指令执行指令CPU对计算机输入输出设备的控制和管理，包括鼠标、键盘、显示
3、器等信息输入输出设备。控制输入输出控制输入输出CPU代表计算机进行各种数据处理和运算，例如在各种应用程序中进行数据的输入、输出和运算等操作。进行数据处理进行数据处理与运算与运算 CPUCPU的分类的分类CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)。按指令集分类按指令集分类16位处理器、32位处理器、64位处理器等。按处理器的位按处理器的位数分类数分类单核CPU、双核CPU、四核CPU、八核CPU等。按按CPUCPU的核数的核数分类分类 CPUCPUCPUCPU的起源和演变的起源和演变的起源和演变的起源和演变CPUCPUCPUCPU的起源可以追溯到的起源可以追溯到的起源可以追溯到的
4、起源可以追溯到20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代，美国的一些大学和研究机构开始开发自年代，美国的一些大学和研究机构开始开发自年代，美国的一些大学和研究机构开始开发自年代，美国的一些大学和研究机构开始开发自己的计算机。在技术的不断发展和进步下，特别是微处理器的出现，己的计算机。在技术的不断发展和进步下，特别是微处理器的出现，己的计算机。在技术的不断发展和进步下，特别是微处理器的出现，己的计算机。在技术的不断发展和进步下，特别是微处理器的出现，CPUCPUCPUCPU的性能的性能的性能的性能得到了极大的提升。得到了极大的提升。得到了极大的提升。得到了极大的提升。运算器运算器运算器
5、运算器用来进行各种算术运算和逻辑运算用来进行各种算术运算和逻辑运算寄存器寄存器寄存器寄存器存放指令和数据的内存单元存放指令和数据的内存单元缓存缓存缓存缓存缓存缓存CPUCPU经常需要使用的数据，提高访问速度经常需要使用的数据，提高访问速度CPUCPU的内部构造的内部构造控制器控制器控制器控制器取指令、解码、分析、控制取指令、解码、分析、控制030102操作系统负责管理计算机的各种资源，包括内存、硬件设备、网络等资源。资源管理资源管理操作系统负责向用户提供友好的用户界面，使用户可以方便地操作计算机。用用户户接口接口操作系统负责管理计算机中存储的文件，包括文件的创建、读取、修改、删除等操作。文件管
6、理文件管理CPUCPU的性能指标的性能指标CPUCPU的性能指标包括主频、缓存、核心数、架构的性能指标包括主频、缓存、核心数、架构等。其中主频越高，等。其中主频越高，CPUCPU处理速度越快；缓存越处理速度越快；缓存越大，大，CPUCPU读取速度越快；核心数越多，读取速度越快；核心数越多，CPUCPU处理数处理数据的并行能力越强；架构越先进，据的并行能力越强；架构越先进，CPUCPU性能越好。性能越好。02020202第第2章章 早期早期CPU的的发发展展历历程程 第一代计算机及其第一代计算机及其第一代计算机及其第一代计算机及其CPUCPUCPUCPU第一代计算机从第一代计算机从第一代计算机从
7、第一代计算机从20202020世纪世纪世纪世纪40404040年代到年代到年代到年代到50505050年代初应运而生，这些计算机几乎都是由电年代初应运而生，这些计算机几乎都是由电年代初应运而生，这些计算机几乎都是由电年代初应运而生，这些计算机几乎都是由电子管组成的。电子管不可靠，非常容易损坏，体积庞大，发热量很大，需要冷子管组成的。电子管不可靠，非常容易损坏，体积庞大，发热量很大，需要冷子管组成的。电子管不可靠，非常容易损坏，体积庞大，发热量很大，需要冷子管组成的。电子管不可靠，非常容易损坏，体积庞大，发热量很大，需要冷却，这是第一代计算机面临的主要问题。第一代计算机的中央处理器（却，这是第一
8、代计算机面临的主要问题。第一代计算机的中央处理器（却，这是第一代计算机面临的主要问题。第一代计算机的中央处理器（却，这是第一代计算机面临的主要问题。第一代计算机的中央处理器（CPUCPUCPUCPU）由）由）由）由一组逻辑电路和寄存器组成，它采用的是单一指令流水线处理器结构，运行速一组逻辑电路和寄存器组成，它采用的是单一指令流水线处理器结构，运行速一组逻辑电路和寄存器组成，它采用的是单一指令流水线处理器结构，运行速一组逻辑电路和寄存器组成，它采用的是单一指令流水线处理器结构，运行速度很慢。度很慢。度很慢。度很慢。第二代计算机及其第二代计算机及其第二代计算机及其第二代计算机及其CPUCPUCPU
9、CPU第二代计算机诞生于第二代计算机诞生于第二代计算机诞生于第二代计算机诞生于20202020世纪世纪世纪世纪50505050年代后期到年代后期到年代后期到年代后期到60606060年代初期，这些计算机采用的是晶年代初期，这些计算机采用的是晶年代初期，这些计算机采用的是晶年代初期，这些计算机采用的是晶体管技术，这种技术比电子管可靠得多、更小、更快。第二代计算机的体管技术，这种技术比电子管可靠得多、更小、更快。第二代计算机的体管技术，这种技术比电子管可靠得多、更小、更快。第二代计算机的体管技术，这种技术比电子管可靠得多、更小、更快。第二代计算机的CPUCPUCPUCPU比第比第比第比第一代计算机
10、的一代计算机的一代计算机的一代计算机的CPUCPUCPUCPU复杂，有更多的寄存器，也使用了更多的指令集。复杂，有更多的寄存器，也使用了更多的指令集。复杂，有更多的寄存器，也使用了更多的指令集。复杂，有更多的寄存器，也使用了更多的指令集。第三代计算机及其第三代计算机及其第三代计算机及其第三代计算机及其CPUCPUCPUCPU20202020世纪世纪世纪世纪60606060年代末到年代末到年代末到年代末到70707070年代初，第三代计算机应运而生，这些计算机使用了成熟年代初，第三代计算机应运而生，这些计算机使用了成熟年代初，第三代计算机应运而生，这些计算机使用了成熟年代初，第三代计算机应运而生
11、，这些计算机使用了成熟的集成电路技术。第三代计算机的的集成电路技术。第三代计算机的的集成电路技术。第三代计算机的的集成电路技术。第三代计算机的CPUCPUCPUCPU集成了更多的运算器、寄存器和存储器，集成了更多的运算器、寄存器和存储器，集成了更多的运算器、寄存器和存储器，集成了更多的运算器、寄存器和存储器，并且采用了流水线处理器结构，可以完成更多的指令。并且采用了流水线处理器结构，可以完成更多的指令。并且采用了流水线处理器结构，可以完成更多的指令。并且采用了流水线处理器结构，可以完成更多的指令。030102速度更快，更可靠集成电路技术集成电路技术更多指令集，更高的运算速度流水流水线处线处理器
12、理器结结构构更高效的运算多寄存器多寄存器第四代计算机及其第四代计算机及其CPUCPU个人电脑普及微处理器技术微处理器技术UNIX、Windows等操作系统的发操作系统的发展展更高效率的处理对称多处理技对称多处理技术术更快的处理速度大规模集成电大规模集成电路技术路技术第二代计算机第二代计算机第二代计算机第二代计算机晶体管技术晶体管技术更复杂的寄存器更复杂的寄存器更多的指令集更多的指令集第三代计算机第三代计算机第三代计算机第三代计算机集成电路技术集成电路技术流水线处理器结构流水线处理器结构更多指令集更多指令集第四代计算机第四代计算机第四代计算机第四代计算机微处理器技术微处理器技术大规模集成电路技术
13、大规模集成电路技术对称多处理技术对称多处理技术CPUCPU结构的发展结构的发展第一代计算机第一代计算机第一代计算机第一代计算机单一指令流水线处理器单一指令流水线处理器逻辑电路和寄存器组成逻辑电路和寄存器组成小结小结CPUCPU是计算机的核心，是计算机的核心，CPUCPU的发展经历了多个阶段，的发展经历了多个阶段，每个阶段都有其特点。第一代计算机采用的是电每个阶段都有其特点。第一代计算机采用的是电子管技术，第二代计算机采用的是晶体管技术，子管技术，第二代计算机采用的是晶体管技术，第三代计算机采用的是集成电路技术，第四代计第三代计算机采用的是集成电路技术，第四代计算机采用的是微处理器技术和大规模集
14、成电路技算机采用的是微处理器技术和大规模集成电路技术。术。03030303第第3章章 现现代代CPU的构造和的构造和设设计计 现代现代现代现代CPUCPUCPUCPU的内部构造的内部构造的内部构造的内部构造现代现代现代现代CPUCPUCPUCPU经历了多年的发展，采用了超标量、超线程、多核心等技术，内部架构经历了多年的发展，采用了超标量、超线程、多核心等技术，内部架构经历了多年的发展，采用了超标量、超线程、多核心等技术，内部架构经历了多年的发展，采用了超标量、超线程、多核心等技术，内部架构也随之演化。也随之演化。也随之演化。也随之演化。现代现代CPUCPU的发展的发展处理器内部有一条指令流水线
15、单核心单核心CPUCPU处理器内部有多条指令流水线多核心多核心CPUCPU一个时钟周期内执行多条指令超标量超标量CPUCPU使用单核心模拟多核心的效果超线程超线程CPUCPU现代现代现代现代CPUCPUCPUCPU的制造工艺的制造工艺的制造工艺的制造工艺现代现代现代现代CPUCPUCPUCPU采用半导体工艺，晶体管的制造工艺也在不断变化。采用半导体工艺，晶体管的制造工艺也在不断变化。采用半导体工艺，晶体管的制造工艺也在不断变化。采用半导体工艺，晶体管的制造工艺也在不断变化。半导体工艺的发展半导体工艺的发展n型场效应晶体管的制造工艺NMOSNMOS工艺工艺p型场效应晶体管的制造工艺PMOSPMO
16、S工艺工艺n型和p型场效应晶体管的集成制造工艺CMOSCMOS工艺工艺3D纵向晶体管的制造工艺FinFETFinFET工艺工艺晶体管的制造工艺晶体管的制造工艺晶体管是晶体管是CPUCPU的基本组成部分，随着半导体工艺的基本组成部分，随着半导体工艺的进步，晶体管的数量不断增加，而体积不断缩的进步，晶体管的数量不断增加，而体积不断缩小，这就是著名的摩尔定律。小，这就是著名的摩尔定律。030102计算机的时钟频率主频主频CPU 的多任务处理能力并并发发能力能力CPU能同时执行的指令条数运算能力运算能力并发能力并发能力并发能力并发能力并发能力越强，并发能力越强，CPU CPU 处理多任务越快处理多任务
17、越快并发能力受制于硬件设计和软件优化并发能力受制于硬件设计和软件优化运算能力运算能力运算能力运算能力运算能力越强，运算能力越强，CPU CPU 处理大数据越快处理大数据越快运算能力受制于指令集架构和缓存设计运算能力受制于指令集架构和缓存设计能效比能效比能效比能效比高能效比代表高能效比代表 CPU CPU 效能提升的能量消耗更少效能提升的能量消耗更少能效比受制于制造工艺和电源管理等因素能效比受制于制造工艺和电源管理等因素各种性能指标的比较各种性能指标的比较主频主频主频主频主频越高，计算能力越强主频越高，计算能力越强主频受阻于散热和功耗等因素主频受阻于散热和功耗等因素现代现代现代现代CPUCPUC
18、PUCPU的设计方法的设计方法的设计方法的设计方法CPUCPUCPUCPU设计涉及到芯片硬件、系统软件、编译器、设计涉及到芯片硬件、系统软件、编译器、设计涉及到芯片硬件、系统软件、编译器、设计涉及到芯片硬件、系统软件、编译器、EDAEDAEDAEDA等方面的内容，需要团队协等方面的内容，需要团队协等方面的内容，需要团队协等方面的内容，需要团队协作完成。作完成。作完成。作完成。04040404第第4章章 CPU的的应应用用 存储器和存储器和CPUCPU的关系的关系存储器的种类存储器和存储器和CPUCPU的基本概念的基本概念存储器和CPU的数据交换存储器和存储器和CPUCPU的配合关系的配合关系存
19、储器和CPU的频率和带宽匹配存储器和存储器和CPUCPU的性能匹配的性能匹配 个人电脑个人电脑CPUCPU的发展的发展Intel的8086和AMD的8088个人电脑个人电脑CPUCPU的历史的历史多核心和低功耗个人电脑个人电脑CPUCPU的发展趋势的发展趋势Intel、AMD、ARM和苹果各品牌各品牌CPUCPU的的特点比较特点比较 030102ARM和高通的芯片移动设备移动设备CPUCPU的历史的历史高通、三星、华为和苹果各品牌各品牌CPU的特点比的特点比较较AI、5G和超大规模集成电路移移动设备动设备CPU的的发发展展趋势趋势工业控制工业控制工业控制工业控制CPUCPUCPUCPU的发展趋
20、势的发展趋势的发展趋势的发展趋势实时操作系统和网状控制系统实时操作系统和网状控制系统大数据和人工智能大数据和人工智能工业互联网和云计算工业互联网和云计算工业控制工业控制工业控制工业控制CPUCPUCPUCPU的应用范围和特点的应用范围和特点的应用范围和特点的应用范围和特点高可靠性和高抗干扰性高可靠性和高抗干扰性通用性和可编程性通用性和可编程性多任务和多通道多任务和多通道 工业控制工业控制CPUCPU的发展的发展工业控制工业控制工业控制工业控制CPUCPUCPUCPU的历史的历史的历史的历史PLCPLC的应用的应用后控制器的出现后控制器的出现嵌入式嵌入式CPUCPU的兴起的兴起多核心技术在多核心
21、技术在多核心技术在多核心技术在CPUCPUCPUCPU中中中中的应用的应用的应用的应用多核心技术是将多个多核心技术是将多个多核心技术是将多个多核心技术是将多个CPUCPUCPUCPU核心集成到同一芯片上，可以提高核心集成到同一芯片上，可以提高核心集成到同一芯片上，可以提高核心集成到同一芯片上，可以提高CPUCPUCPUCPU的性能和效率。的性能和效率。的性能和效率。的性能和效率。多核心技术可以通过分时、抢占和多线程等方式实现，可以在同一时间内处理多核心技术可以通过分时、抢占和多线程等方式实现，可以在同一时间内处理多核心技术可以通过分时、抢占和多线程等方式实现，可以在同一时间内处理多核心技术可以
22、通过分时、抢占和多线程等方式实现，可以在同一时间内处理多个任务，提高处理能力和响应速度。多核心技术的应用在桌面、服务器和移多个任务，提高处理能力和响应速度。多核心技术的应用在桌面、服务器和移多个任务，提高处理能力和响应速度。多核心技术的应用在桌面、服务器和移多个任务，提高处理能力和响应速度。多核心技术的应用在桌面、服务器和移动设备等多个领域有广泛的应用。动设备等多个领域有广泛的应用。动设备等多个领域有广泛的应用。动设备等多个领域有广泛的应用。030102CPU的电压和频率功耗的来源功耗的来源降低超大规模集成电路的功耗功耗的功耗的优优化方案化方案功耗的调整和分级功耗的控制策略功耗的控制策略CPU
23、CPU的性能评估的性能评估1.1.主频主频/时钟频率：指时钟频率：指CPUCPU运行的主频，单位是运行的主频，单位是赫兹。主频越高，赫兹。主频越高，CPUCPU的运算速度越快。的运算速度越快。2.2.核心核心数数/线程数：指线程数：指CPUCPU中的核心数或线程数，核心数中的核心数或线程数，核心数越多，越多，CPUCPU的处理能力越强。的处理能力越强。3.3.缓存容量：指缓存容量：指CPUCPU中的缓存容量，缓存容量越大，中的缓存容量，缓存容量越大，CPUCPU的运算效的运算效率越高。率越高。4.4.架构类型：指架构类型：指CPUCPU的架构类型，不同的架构类型，不同的架构类型有不同的性能和能
24、耗特点。的架构类型有不同的性能和能耗特点。5.5.芯片芯片制造工艺：指制造工艺：指CPUCPU芯片的制造工艺，工艺越先进，芯片的制造工艺，工艺越先进，CPUCPU的性能越好。的性能越好。CPUCPU的制造商的制造商全球最大的CPU制造商之一IntelIntel与Intel竞争的CPU制造商AMDAMD移动设备和嵌入式系统CPU的主要制造商ARMARM使用自家设计的A系列CPU苹果苹果 05050505第第5章章 CPU的未来的未来发发展展 前沿技术和发展趋势前沿技术和发展趋势将数据存储和处理从本地转移到云端云计算云计算采用量子比特进行数据存储和处理量子计算量子计算模仿人脑神经元工作原理进行计算
25、神经计算神经计算 人工智能人工智能人工智能人工智能CPUCPUCPUCPU人工智能技术的兴起大大推动了人工智能技术的兴起大大推动了人工智能技术的兴起大大推动了人工智能技术的兴起大大推动了CPUCPUCPUCPU的发展，未来的人工智能的发展，未来的人工智能的发展，未来的人工智能的发展，未来的人工智能CPUCPUCPUCPU需要具备高效需要具备高效需要具备高效需要具备高效率、低能耗、大规模并行等特点，以满足深度学习等人工智能任务的需求。率、低能耗、大规模并行等特点，以满足深度学习等人工智能任务的需求。率、低能耗、大规模并行等特点，以满足深度学习等人工智能任务的需求。率、低能耗、大规模并行等特点，以
26、满足深度学习等人工智能任务的需求。特点特点特点特点海量处理海量处理高速缓存高速缓存大带宽大带宽多核心多核心研究进展研究进展研究进展研究进展美国美国SummitSummit超级计算机采用超级计算机采用IBMIBM的的POWER9POWER9和和NVIDIANVIDIA的的V100V100加速器构建加速器构建中国的天河系列超级计算机采用自主研发的申威处理器中国的天河系列超级计算机采用自主研发的申威处理器欧洲的欧洲的JUWELSJUWELS超级计算机采用超级计算机采用AMDAMD的的EPYCEPYC处理器处理器展望展望展望展望超越超越ExascaleExascale更广泛的应用领域更广泛的应用领域全
27、球性超算竞赛全球性超算竞赛超级计算机超级计算机CPUCPU要求要求要求要求高性能高性能高可靠性高可靠性低能耗低能耗可扩展性可扩展性030102加强技术研发，降低对外依赖自主可控自主可控加强节能技术研发，降低能耗和污染低功耗低功耗融合人工智能技术，提升计算能力和智能化水平智能化智能化CPUCPU的影响和启示的影响和启示CPUCPU的发展推动了计算机技术的不断进步，深刻的发展推动了计算机技术的不断进步，深刻地改变了人们的工作和生活方式。地改变了人们的工作和生活方式。CPUCPU的未来发的未来发展需要与各个领域的需求和应用相结合，不断推展需要与各个领域的需求和应用相结合，不断推陈出新，为人类创造更多的可能。陈出新，为人类创造更多的可能。谢谢观看！