[科普中国]-CPU架构设计

CPU 设计是指设计中央处理器(CPU)的工程学，是计算机硬件(设计)的一部分，它是计算机工程和电气工程中的一个分支。

细节CPU设计关注数据路径(如ALU和计算管道)

控制单元：逻辑控制的数据路径

记忆体元件，如寄存器文件缓存

时脉电路，如时脉驱动器，PLL，时钟分配网络

垫收发器电路

逻辑门电路的实现

定制设计CPU为高性能需求设计，可能需要为每个项目的定制设计以实现变频。

为性能较低的需求设计的CPU可能实施：

1.购买一些知识产权

2.使用控制逻辑的实现技术（使用CAD工具等）来实现其他组成部分.

CPU架构设计的逻辑在CPU设计中包括的一般逻辑为：

1.非结构化的随机逻辑

2.有限状态机

3.微程序设计(常见于1965年到1985年)

4.可编程逻辑阵列(常见于80年代，现在比较罕见)

用来实现逻辑设备类型包括1.TTL小规模集成逻辑芯片 - 已不被使用

2.可编程阵列逻辑和可编程逻辑器件- 已不被使用

3.射极耦合逻辑(ECL)门阵列- 已不普遍

4.CMOS门阵列- 已不被使用

5.CMOSASICs - 今天常用，它们非常常用以致单词ASIC并不用于CPU

6.现场可编程逻辑门阵列(FPGA) - 常见于软微处理器，多少需要可重构计算

CPU设计计划大致上有这些主要工作1.程序员可见指令集, 各种微架构的实现

2.在ANSI C/C++或者SystemC的体系研究和性能建模

3.高级综合(HLS) 或RTL(例如逻辑) 执行

4.关键速度相关部件（缓存、寄存器、算数逻辑单元）电路设计

5.逻辑综合或逻辑门层设计

6.进行时序分析以确认所有逻辑和电路将以特定频率运行

7.物理设计，包括布局、布线、版图设计

8.检查 RTL，逻辑门层，晶体管层及物理层表示相符

9.检查信号完整性，芯片可制造性

通过重新设计CPU核心，来获得更小的裸片面积，有助于实现以上目标中的几个。

市场情况研发新的、高端的CPU是一个代价沉重的命题，例如，一般的电脑工程师年薪在每年25万美元左右。1这包括工资、福利、CAD工具、电脑、办公场地租金等。假设设计CPU需要100名工程师，那么该项目需要4年。

总支出 = $25万 / 工程师数/年 x 100 工程师数 x 4 年 = $1亿美元。

上述金额只是一个例子.现代通用CPU的设计团队有几百个团队成员。

嵌入式处理器经济出货量最大的嵌入式CPU系列是8051，平均每年有近10亿个单位。8051被广泛使用，因为它非常便宜。现在设计时间大致为零，因为它作为商业知识产权被广泛使用。现在它通常作为芯片上较大系统的一小部分嵌入。8051的硅片成本现在低至0.001美元，因为有些实现使用的逻辑门数少至2,200个，而硅片数量为0.0127平方毫米。

截至2009年，使用ARM架构指令集生成的CPU数量超过了其他32位指令集。ARM架构和第一个ARM芯片的设计大约需要一年半的时间和5年的工作时间。

32位Parallax Propeller微控制器架构和第一个芯片是由两个人在大约10年的工作时间内设计的。

8位AVR架构和第一款AVR微控制器由挪威理工学院的两名学生构思和设计。

8位6502架构和第一个MOS技术6502芯片是在13个月内由大约9人设计的。

研究和教育CPU设计32位Berkeley RISCI和RISC II架构和第一批芯片主要由一系列学生设计，作为四季度研究生课程序列的一部分。这种设计成为商业SPARC处理器设计的基础。

大约十年之后，每个参加麻省理工学院6.004课程的学生都是团队的一部分 - 每个团队都有一个学期在7400系列集成电路中设计和构建一个简单的8位CPU。一个由4名学生组成的团队在该学期中设计并构建了一个简单的32位CPU。

有些本科课程要求由2至5名学生组成的团队在一个15周的学期内在FPGA中设计，实施和测试一个简单的CPU。

MultiTitan CPU的设计经过了2.5年的努力，当时被认为是“相对较少的设计工作”。24人参与了3.5年的MultiTitan研究项目，其中包括设计和构建原型CPU。

软微处理器内核对于嵌入式系统，由于功耗要求，通常不需要或不需要最高性能级别。这允许使用可以完全由逻辑综合技术实现的处理器。这些综合处理器可以在更短的时间内实施，从而缩短产品上市时间。

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学