一文搞懂CPU处理器

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中央处理器（CPU） 是计算机的核心部件。如果把计算机比作人，那CPU就是大脑，负责执行计算机程序中的指令，进行算术和逻辑运算，控制其他硬件组件工作。

1. CPU处理器内部结构

CPU内部的主要组件及其功能如下：

1）运算器：它是数据加工处理部件，用于完成计算机的各种算术和逻辑运算，运算器的操作都是由控制器发出的控制信号来指挥。

• 算术逻辑单元（ALU）：运算器的重要组成部件，负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

• 数据缓冲寄存器（DR）：它用于临时存储数据的寄存器。它通常用于在计算机的不同部件之间传输数据，起到数据缓冲和数据传输的作用。数据缓冲寄存器可以在数据传输过程中临时存储数据，以便在需要时进行处理或传输到下一个阶段。

• 状态条件寄存器（PSW）：用于存储当前程序的状态和条件信息。

• 累加寄存器（AC）：简称累加器，一个通用寄存器，用来暂时存放算术逻辑运算部件ALU运算的结果信息。

2）控制器：它用于控制整个CPU的工作，它决定计算机运行过程的自动化。不仅要保证程序正确执行，而且能够处理异常事件。它一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和终端控制逻辑等几个部分。

• 指令译码器（ID）：对指令中的操作码字段进行分析和解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需功能。指令包含操作码和地址码两部分，为了能执行任何给定的指令，必须对操作码进行分析，以便识别所完成的操作。

• 控制逻辑电路：生成控制信号，协调数据流和操作顺序。

• 高速缓存存储器（Cache）：位于CPU和主存之间的高速存储器，用于临时存储频繁访问的数据和指令，以加快访问速度。

• 程序计数器（PC）：又称为指令计数器，它具有计数和存储下一条要执行指令的地址的功能。当执行一条指令时，处理器首先需要从PC中取出指令在内存中的地址，通过地址总线寻址获取

• 指令寄存器（IR）：存储即将执行的指令。当CPU执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，再送入IR暂存，指令译码器根据IR的内容产生微操作指令来控制其他组成部分工作，完成所需功能。

• 地址寄存器（AR）：它保存当前CPU所访问的内存单元的地址，直至内存的读写操作完成为之

3）寄存器（Registers）：存储临时数据和指令，提供快速的数据访问。其中包括通用寄存器（存储操作数和结果）、专用寄存器（如程序计数器PC、状态寄存器SR）等。

4）总线（Bus）：负责CPU与外部内存、输入输出设备之间的数据传输。总线包括地址总线、数据总线和控制总线。

5）浮点运算单元（FPU）：执行浮点数运算，处理科学计算和图形计算等需要高精度计算的任务。

6）分支预测单元：预测程序的执行路径，提高指令流水线的效率。

7）内存管理单元（MMU）：管理内存地址转换和虚拟内存，实现内存保护和分段。

CPU工作流程可以概括为“取指令-解码-执行”三个主要步骤：

1. 取指令（Fetch）：从内存中获取下一条指令，并将其加载到指令寄存器。

2. 解码（Decode）：控制单元解码指令，确定所需的操作和操作数。

3. 执行（Execute）：ALU或FPU执行解码后的操作，处理数据并将结果存入寄存器或内存。

以下主要介绍消费级的国际主流CPU和国产CPU。

2. 国际主流CPU

2.1 英特尔（Intel）

英特尔是全球领先的半导体制造商，起初是以生产半导体存储器（如SRAM和DRAM）起家的。目前主要业务包括设计和制造微处理器、芯片组、嵌入式处理器和图形处理器等。英特尔的产品广泛应用于个人计算机、服务器、物联网设备和数据中心。英特尔在微处理器（CPU）领域占据主导地位，其产品包括Core、Pentium、Celeron、Xeon等系列。

（1）Intel Core 系列（酷睿）：英特尔面向主流消费者市场的主要产品线，广泛应用于台式电脑和笔记本电脑。包括 Core i3、i5、i7 和 i9。

• Core i3：适合基本办公和轻度娱乐应用。

• Core i5：适合中等性能需求，如多任务处理、高清视频播放和轻度游戏。

• Core i7：适合高性能需求，如视频编辑、图形设计和较高要求的游戏。

• Core i9：适合顶级性能需求，如专业视频制作、3D 渲染和高端游戏。

Intel Core Ultra 系列：中文名为英特尔酷睿超极系列，英特尔的新一代高端处理器，主要针对需要极高性能和能效比的用户。这些处理器通常采用最新的技术和架构，提供更高的计算能力和更好的图形性能。

（2）Pentium系列 （奔腾）：用于入门级电脑。

（3）Celeron系列（赛扬）：用于低端和入门级电脑。

（4）Xeon系列（至强）：用于服务器和工作站，提供更高的稳定性和性能，适用于需要高并发处理能力的专业应用。

（5） Atom系列（凌动）：用于低功耗设备，如平板电脑和物联网设备。

2.1.1 Intel处理器命名规则

（1）品牌名：可忽略，通过产品线和型号可知道是哪个品牌的。

（2）产品线名：英特尔产品线从低到高分别是：赛扬Celeron、奔腾Pentium、酷睿Core、至强Xeon。

（3）型号：主要有低端i3、中端i5、高端i7、旗舰i9。注意高中低端指的是同产品线的同代产品定位，而不代表实际的性能等级。比如2023年的i3-13100F的处理器性能比2020年的i5-10400F强。

（4）代数：除了第一代没有数字之外，从第二代开始以此类推，新一代CPU在前一代基础上加1。代数主要看开头的一位或两位数，如i9-13900K指的是13代i9，i7-8700指的是8代i7。同产品线同型号的CPU相比，代数越高，性能越好。

（5）子型号：代数后3位数通常用于划分更细微的子型号，数值越高，性能越强。各型号对应的子型号：i3子型号100，i5子型号400，i7子型号700，i9子型号900，其中子型号还可细分，比如i5子型号除了400，还有490等。

（6）尾缀：这个数值也很重要，以无尾缀CPU为基准比较其他尾缀如下：

• 无尾缀：自带核显，锁倍频（超频时不能超倍频）；

• K：自带核显，频率更高，不锁倍频；

• F：无核显，一般带F的CPU会比不带F的稍微便宜点；

• KF：后缀K、F组合出现，频率更高，不锁倍频，无核显；

• T：低功耗版本；

• S：4代酷睿以及之前指低功耗版本，现在指特别版（更高频率）；

• X：高性能、高频率、无核显、不锁倍频；（重点在核心线程数上，目前暂时停止更新）

• XE：X的强化版，至尊性能、无核显；（重点在核心线程数上，目前暂时停止更新） -Y：超低功耗，TDP为7W;

• U：更低功耗，TDP为15W的低电压处理器，一般用于主打便携的超薄本;

• P：低功耗，TDP为28W;

• H：标准功耗，TDP为45W的标压处理器，游戏本上最常见的CPU尾缀。如果带上K，HK标准功耗不锁倍频，但是笔记本散热和功耗限制较多，开放超频收益甚微;

• HX：从12代开始推出了HX系列处理器，桌面核心，TDP为55W，不锁倍频。HX比H实际性能强很多;

• G：集成VEGA显卡;

• G+数字：集成核显，数字代表核显性能强弱，数字越大，性能越大。

注意：TDP只是个参考值，不能代表CPU实际运行功耗。

2.2 美国超威半导体公司（AMD）

AMD公司起初是作为英特尔的第二来源制造商，生产各种逻辑和内存芯片。目前AMD公司主要从事微处理器、图形处理单元（GPU）和芯片组的设计和制造。其产品广泛用于个人计算机、游戏主机和数据中心。AMD在CPU和GPU领域都有显著市场份额，主要产品包括Ryzen（CPU）、EPYC（服务器CPU）和Radeon（GPU）系列。

（1）Ryzen 系列（锐龙）：AMD 的消费级处理器系列，包括 Ryzen 3、5、7 和 9。用于个人电脑和笔记本

• Ryzen 3：适合基本办公和轻度娱乐应用。

• Ryzen 5：适合中等性能需求，如多任务处理、高清视频播放和轻度游戏。

• Ryzen 7：适合高性能需求，如视频编辑、图形设计和较高要求的游戏。

• Ryzen 9：适合顶级性能需求，如专业视频制作、3D 渲染和高端游戏。

（2）Athlon系列（速龙）：用于入门级设备。用于入门级个人计算机和嵌入式系统

（3）Threadripper系列（线程撕裂者）：用于高性能桌面和工作站，主打多核高性能，适用于专业视频编辑、3D 渲染和科学计算。

（4）EPYC系列（霄龙）：用于服务器和数据中心，提供高核心线程数和高性能。

2.2.1 AMD处理器命名规则

（1）品牌名：可忽略，通过产品线和型号可知道是哪个品牌的。

（2）产品线及定位：AMD也有Ryzen3、5、7、9系列，可简写为R3（低端）、R5（中端）、R7（高端）、R9（旗舰）。

（3）代数：产品迭代，这里8代表8000代。同样品牌同样产品线及型号，代数越强，性能越强，能耗比越高。

（4）子型号：代数后3位数通常用于划分更细微的子型号，数值越高定位越高。

（5）尾缀：与英特尔不同的是锐龙桌面端全系不锁倍频。以无尾缀CPU为基准比较其他尾缀如下:

• X：频率更高

• X3D：内置3D V-Cache，三级缓存更大，在部分游戏里可获得很可观的性能提升（AMD 3D V-Cache是一种封装技术，可在CPU之上堆叠额外的缓存层。）

• XT：官方特挑提频。

• G：内置高性能核显。但从锐龙七代开始都内置了一颗核显。

2.3 苹果（Apple）

苹果是全球领先的消费电子产品制造商，其产品包括iPhone、iPad、Mac、Apple Watch和Apple TV等。此外，苹果还提供软件、服务和数字内容，如iOS、macOS、iCloud和Apple Music等。苹果近年来开始自主设计芯片，包括用于移动设备的A系列处理器和用于Mac的M系列处理器。

Apple Silicon（M系列）：包括M1, M1 Pro, M1 Max, M2等，使用苹果自研的 ARM 架构处理器，适用于苹果的 Mac 系列电脑和iPad。这些处理器在能效和性能方面表现优异，特别适用于内容创作、编程和图形设计等高性能需求。

2.4 高通（Qualcomm）

高通是无线通信技术的领导者，其业务包括设计和销售移动处理器、调制解调器、RF系统和无线网络设备。高通也是3G、4G和5G标准的重要贡献者。公司起初是以开发无线通信技术起家的。

Snapdragon系列（骁龙）处理器：目前主流移动处理器系列，主要用于智能手机、平板电脑和其他移动设备，涵盖低端到高端市场。

2.5 三星（Samsung）

三星是全球最大的消费电子和半导体制造商之一，其业务涵盖智能手机、电视、家电、存储器、显示器和芯片制造等多个领域。公司起初是一家贸易公司，后来逐渐扩展到食品加工、纺织、保险、证券和零售等领域。目前三星在存储器（DRAM、NAND）、显示器（OLED）、移动处理器（Exynos）和代工（Foundry）等领域占据重要地位。

Exynos系列处理器：三星自家的移动处理器，广泛用于三星的Galaxy系列智能手机和平板电脑。Exynos处理器集成了CPU、GPU、AI加速器和通信模块。

2.6 IBM

IBM是一家多元化的科技公司，其业务涵盖云计算、人工智能、硬件、软件和IT服务。IBM也是企业级服务器和存储系统的重要供应商。公司起初是以生产打孔卡设备和其他办公机械起家的。虽然IBM已经出售了其PC业务，但仍在高性能计算和企业服务器领域设计和制造Power和Z系列处理器。

Power系列：用于高性能服务器和超级计算机。用于高性能计算和企业服务器。

3. 国产CPU

3.1 华为海思（HiSilicon）

华为海思是华为的半导体子公司，起初专注于通信设备芯片。目前主要业务是设计各种类型的芯片，包括移动处理器（麒麟系列）、通信芯片和服务器芯片（鲲鹏系列）。

• 鲲鹏系列（Kunpeng）：用于服务器和高性能计算。基于ARM架构，主要用于服务器、桌面和数据中心

• 麒麟系列（Kylin）：主要用于华为智能手机和平板电脑。（由于制裁，目前生产受限） 

3.2 联发科技（MediaTek）

联发科技是中国台湾的一家科技公司，全球第四大晶圆厂半导体公司，在移动终端、智能家居应用、无线连接技术及物联网产品等市场位居领先地位。最早做光存储芯片（如CD-ROM芯片），后来转向手机芯片。目前主要业务是设计移动处理器、电视芯片、物联网芯片等。

天玑系列（Dimensity）：目前主流移动处理器系列，主要用于智能手机和平板电脑，提供高性能和能效，以支持5G连接、人工智能处理和增强的多媒体功能。

3.3 龙芯中科（Loongson）

龙芯中科由我国首枚通用处理器“龙芯”处理器的研制单位中国科学院计算技术研究所发起并投资创立。 它设计自主架构的通用处理器，涉及的领域主要有台式机、笔记本电脑、服务器等。

• 龙芯3A系列：基于MIPS架构，用于桌面、服务器和嵌入式系统。用于台式机和笔记本电脑

• 龙芯2K系列：用于低功耗设备和嵌入式系统。用于入门级电脑和嵌入式设备

3.4 天津飞腾（Phytium）

天津飞腾信息技术有限公司是国内领先的自主核心芯片提供商，致力于飞腾（Phytium）处理器国产高性能、低功耗通用计算微处理器的设计研发和产业化推广。

• FT-1500A系列：适用于桌面和服务器应用，具有高性能和低功耗的特点。

• FT-2000/4：适用于桌面办公和轻量级服务器，具有良好的性能和能效比。

• FT-2000+/64系列：高性能服务器处理器，基于ARM架构，用于服务器和高性能计算。

3.5 兆芯（Zhaoxin）

上海兆芯集成电路股份有限公司是一家中国大陆的集成电路设计公司，专注于开发和生产高性能、低功耗的x86架构处理器。公司致力于提供国产自主可控的CPU产品，满足中国信息技术产业对高性能计算芯片的需求。兆芯的主要产品包括用于台式机、笔记本电脑和服务器的x86处理器系列。

• 开先（KaiXian）系列：基于x86架构，用于桌面和笔记本。

• 开胜（KaiSheng）系列：用于服务器。

3.6 海光（Hygon）

海光信息技术股份有限公司开发了海光系列的CPU处理器。海光公司主要业务是设计、开发和销售高性能处理器及相关芯片。其产品主要应用于服务器、数据中心和高性能计算领域。

海光（Hygon） DC系列：基于AMD的技术授权进行开发的，基于x86架构，目的是提供国产的高性能计算解决方案，以满足中国市场对自主可控高性能芯片的需求。它用于服务器和高性能计算领域，也适用于高端桌面。

3.7 申威（Shenwei）

申威（Shenwei）处理器是一种我国自主研发的处理器，最初主要用于高性能计算和国家超级计算机项目。虽然申威处理器的主要目标是高性能计算，随着技术的发展，申威CPU也开始向消费级市场进军，在桌面计算机、笔记本电脑、嵌入式系统均有应用。

4. CPU相关架构：

1. x86架构：主要由Intel和AMD使用，适用于个人电脑、工作站和服务器。

2. ARM架构：由多家公司使用（如ARM、Apple、Qualcomm），适用于移动设备、嵌入式系统和低功耗设备。

3. 自主架构：如龙芯和申威，采用自主研发的指令集架构，适用于特定领域和市场。

5. 应用领域

1. 移动设备和嵌入式系统：Apple M系列、高通骁龙、 华为麒麟、联发科技天玑系列等。

2. 个人电脑和笔记本：市场上主要由Intel Core和AMD Ryzen系列主导。

3. 服务器和高性能计算：Intel Xeon、AMD EPYC、华为鲲鹏、飞腾FT-2000等。

4. 超级计算机：IBM Power、华为鲲鹏等。

6. CPU性能比较

以下CPU性能比较来源于快科技网站的CPU天梯榜。

6.1 Intel与AMD的CPU性能比较

6.2 手机CPU性能比较

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