在選購電腦時(shí)

CPU一直是最被看重的參數之一

但有多少小伙伴只知道和店員說(shuō)著(zhù)CPU

卻從來(lái)不知道它的真正含義呢

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我們每天使用手機軟件，以及在電腦上寫(xiě)方案、敲代碼、制作PPT等所有計算機軟件的計算，都需要CPU的計算。

此外，航天飛船的制造需要CPU進(jìn)行前期建模工作；發(fā)射時(shí)間、軌道、天氣預測、燃料都需要CPU的模擬計算；發(fā)射后的實(shí)時(shí)追蹤、內部調度及處理應急問(wèn)題也都需要CPU精準的計算。

可以說(shuō)，21世紀，CPU在生活、工作及科學(xué)等方方面面都發(fā)揮了重要作用。

今天我們來(lái)研究一下：

什么是CPU？

CPU的原理是什么？

CPU和GPU有何聯(lián)系？

CPU

中央處理器，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU，是現在電子計算機的核心元件，也是信息時(shí)代最主要的器件之一。

CPU的功能主要是處理計算機軟件的數據，將人類(lèi)的命令轉化為機器語(yǔ)言，并對其他計算機中的設備，如內存、顯卡、主板等提出命令。在整臺計算系統中，它扮演老板的角色。

更形象地說(shuō)，CPU就是人類(lèi)的大腦，一切信息都需要它的參與或思考。

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CPU由三部分組成：運算器、控制器與寄存器。

運算器主要是負責執行任務(wù)，可以理解為打工人，它的任務(wù)是負責直接計算相關(guān)數據；

控制器類(lèi)似于領(lǐng)導，任務(wù)就是針對不同的需要，給員工下達不同的命令；

寄存器則可以理解為控制器和運算器之間聯(lián)絡(luò )的小組，也可以理解成秘書(shū)，它的主要工作是協(xié)調控制器和運算器。

CPU原理圖，圖源中國科普博覽王智豪

寄存器這個(gè)部門(mén)的事情非常繁瑣，控制器會(huì )讓它給運算器下達命令，運算器運算的數據太多，也會(huì )讓寄存器暫時(shí)先寄存一部分。所以，當數據過(guò)多時(shí)候，寄存器忙不過(guò)來(lái)就只能暫時(shí)招收一些臨時(shí)工——高速緩存。

在寄存器完成不了工作時(shí)候，就調用高速緩存來(lái)存儲數據。當然臨時(shí)工也會(huì )有等級：一級緩存、二級緩存和三級緩存。如果三緩也耗盡，那就交給CPU外的內存來(lái)緩存。

但是，如果內存也不夠了怎么辦呢？這時(shí)候，你的電腦就開(kāi)始卡頓了。

CPU運行

在一個(gè)龐大的部門(mén)中，必須要制定相關(guān)的行為規范，才讓控制器能按照規則來(lái)下達命令。這一行為規范就是指令集。

不同設備的指令集可能會(huì )不一樣。例如，我們的計算機用的就是復雜指令集x86，而手機處理器的指令集就是精簡(jiǎn)指令集ARM。這兩種指令集最大的區別，就在于設計者考慮問(wèn)題的方式。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如命令一個(gè)人吃飯，我們應該怎么發(fā)布指令呢？

?直接對他下達吃飯的命令。

?命令他先拿勺子，再舀起一勺飯，然后張嘴，之后送到嘴里，最后咽下去。

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從這里可以看到，對于命令人吃飯這件事，可以復雜也可以簡(jiǎn)單。而如何訓練那個(gè)人，則出現不同的理解。

有人認為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練，讓他掌握各種復雜技能（即在硬件中實(shí)現對應的復雜功能），那么以后就可以用非常簡(jiǎn)單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說(shuō)一句吃飯，他就會(huì )吃飯，這就是復雜指令集的思路。

但是也有人認為這樣會(huì )讓事情變的太復雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復雜，如果你這時(shí)候想讓他吃菜，那還得再訓練吃菜的技能。既然如此，我們?yōu)槭裁床话咽虑榉譃樵S多非?；镜牟襟E呢？

這樣的話(huà)，雖然下達命令的人稍微累一點(diǎn)，但只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作——比如現在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的舀起一勺飯改成舀起一勺菜，問(wèn)題就解決了，這就精簡(jiǎn)指令集的邏輯。

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從利用這兩種指令集的設備，我們就可以看出指令集的區別了。

? 性能：ARM強在效率，在一些任務(wù)相對固定的應用場(chǎng)合，其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。而x86則在專(zhuān)業(yè)軟件或者綜合性工作方面，依然是大哥。

? 擴展能力：手機方面，可能直到淘汰產(chǎn)品，我們都不會(huì )自行加裝例如內存、存儲等擴展設備，奉行的原則是夠用就好。而計算機可以通過(guò)橋接方式擴展許多設備。

? 功耗：X86的計算機性能強，但是功耗一直居高不下，ARM方的手機則大概只有幾瓦的功耗，因此它更適于便攜化與移動(dòng)化。

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CPU和GPU

隨著(zhù)新興技術(shù)的興起以及突如其來(lái)的疫情，共同推動(dòng)了GPU市場(chǎng)的迅猛發(fā)展。GPU是英文Graphics Processing Unit的縮寫(xiě)，是一種專(zhuān)門(mén)為PC或者嵌入式設備進(jìn)行圖像運算工作的微處理器。北京郵電大學(xué)計算機學(xué)院副教授楊旭東表示：

CPU和GPU有很多相同之處，比如兩者都是為了完成計算任務(wù)而設計的處理器，都遵循馮 · 諾依曼計算機體系結構。但它們的差別也很明顯，CPU的結構屬于單指令單數據處理結構，邏輯計算能力強；GPU則是單指令多數據處理結構，數據處理能力強。

也就是說(shuō)，CPU擅長(cháng)統領(lǐng)全局的復雜邏輯計算，而GPU擅長(cháng)數據并行計算，因此特別適合處理量大且統一的數據。

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對于復雜的2D渲染處理或3D圖像處理，CPU就要花費很多的資源去處理，這不僅會(huì )降低其他方面的工作效率，也會(huì )影響使用體驗。于是CPU就將一些高幀率的游戲畫(huà)面和高質(zhì)量的特效交給GPU去處理。

但另一方面，GPU無(wú)法單獨工作，必須由CPU進(jìn)行控制調用才能工作。CPU發(fā)出指令以后，GPU領(lǐng)取到屬于自己的任務(wù)才開(kāi)始工作。

GPU最早是在個(gè)人電腦上使用，為了解決多媒體數據處理，后來(lái)在移動(dòng)智能終端上應用，如今人們又把GPU放在服務(wù)器端，俗稱(chēng)服務(wù)器GPU。隨著(zhù)通信技術(shù)/網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，數據處理越來(lái)越多放在服務(wù)器計算。楊旭東表示，如今服務(wù)器GPU既可以進(jìn)行專(zhuān)業(yè)可視化、計算加速、深度學(xué)習等應用，也支持云計算、人工智能等一系列技術(shù)的發(fā)展，有望成為GPU行業(yè)未來(lái)應用的重點(diǎn)。

來(lái)源:陜西科普