处理器设计

处理器设计是指设计计算机处理器（如中央处理器(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子工程中的一个分支。

细节
处理器设计关注：
 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

处理器为高性能需求设计。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处理器可能实施：
 购买一些知识产权
 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.

在处理器设计中包括的一般逻辑为：
 非结构化的随机逻辑
 有限状态机
 微程序设计 (常见于1965年到1985年)
 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:
 TTL 小规模集成 逻辑芯片 - 已不被使用
 可编程阵列逻辑 和 可编程逻辑器件 - 已不被使用
 射极耦合逻辑 (ECL) 门阵列 - 已不普遍
 CMOS 门阵列 - 已不被使用
 CMOS ASICs - 今天常用，它们非常常用以致单词ASIC并不用于CPU
 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

处理器设计计划大致上有这些主要工作:
 程序员可见指令集, 各种微架构的实现
 在ANSI C/C++或者SystemC的体系研究和性能建模
 高级综合 (HLS) 或 RTL (例如逻辑) 执行
 RTL 验证
 关键速度相关部件（缓存、寄存器、算数逻辑单元）电路设计 
 逻辑综合 或逻辑门层设计
 进行时序分析 以确认所有逻辑和电路将以特定频率运行
 物理设计，包括布局、布线、版图设计
 检查 RTL，逻辑门层，晶体管层及物理层表示相符
 检查 信号完整性，芯片可制造性

通过重新设计处理器核心，来获得更小的裸片面积，有助于实现以上目标中的几个。

微架构的概念

 研究课题 

性能分析和基准测试

因为现在针对各种CPU的基准测试有太多，并在迅猛发展。

最著名的基准是SPECint和SPECfp的基准测试标准性能评估组织和ConsumerMark benchmark developed by the Embedded Microprocessor Benchmark Consortium EEMBC。

需测量的地方包括:
 IPS
 浮点
 效能功耗比 
 低功耗
 小尺寸、轻重量
 环境影响 

Some of these measures conflict.  In particular, many design techniques that make a CPU run faster make the "performance per watt", "performance per dollar", and "deterministic response" much worse, and vice versa.

市场情况
研发新的,高端的处理器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。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 = $250,000 / 工程师数/年 x 100 工程师数 x 4 年 = $100,000,000美元。

上述金额只是一个例子.现代通用处理器的设计团队有几百个团队成员.

通用计算

高端经济型处理器
在1984年, 大多数高性能的处理器需要四到五年的发展

科学计算

 嵌入式设计 

经济型嵌入式处理器

处理器设计的研究与教育

 微处理器内核 

对于嵌入式系统，高性能往往并不考虑功耗的问题。这一点，使用处理器时，它可以完全实现逻辑合成技术。 这些合成的处理器，可以实现更快的处理速度。

注释

参考文献
出处

书籍

Processor Design: An Introduction

外部链接

参见

 中央处理器
 微处理器
 系统单晶片
 电子设计自动化

 微架构
 摩尔定律
 阿姆达尔定律
 精简指令集
 复杂指令集

 高级综合

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