CPU 設計是指設計中央處理器(CPU)的工程學，是計算機硬體(設計)的一部分，它是計算機工程和電氣工程中的一個分支。
基本介紹
- 中文名：CPU架構設計
- 外文名：CPU architecture design
- 學科：計算機硬體設計
細節,CPU設計關注,定製設計,CPU架構設計的邏輯,用來實現邏輯設備類型包括,CPU設計計畫大致上有這些主要工作,市場情況,嵌入式處理器經濟,研究和教育CPU設計,軟微處理器核心,
細節
CPU設計關注
- 數據路徑(如ALU和計算管道)
- 控制單元：邏輯控制的數據路徑
- 記憶體元件，如暫存器檔案快取
- 時脈電路，如時脈驅動器，PLL，時鐘分配網路
- 墊收發器電路
- 邏輯門電路的實現
定製設計
CPU為高性能需求設計，可能需要為每個項目的定製設計以實現變頻。
為性能較低的需求設計的CPU可能實施：
1.購買一些智慧財產權
2.使用控制邏輯的實現技術（使用CAD工具等）來實現其他組成部分.
CPU架構設計的邏輯
在CPU設計中包括的一般邏輯為：
1.非結構化的隨機邏輯
2.有限狀態機
3.微程式設計(常見於1965年到1985年)
4.可程式邏輯陣列(常見於80年代，現在比較罕見)
用來實現邏輯設備類型包括
1.TTL小規模集成邏輯晶片 - 已不被使用
3.射極耦合邏輯(ECL)門陣列- 已不普遍
4.CMOS門陣列- 已不被使用
5.CMOSASICs - 今天常用，它們非常常用以致單詞ASIC並不用於CPU
6.現場可程式邏輯門陣列(FPGA) - 常見於軟微處理器，多少需要可重構計算
CPU設計計畫大致上有這些主要工作
1.程式設計師可見指令集, 各種微架構的實現
2.在ANSI C/C++或者SystemC的體系研究和性能建模
3.高級綜合(HLS) 或RTL(例如邏輯) 執行
4.關鍵速度相關部件（快取、暫存器、算數邏輯單元）電路設計
5.邏輯綜合或邏輯門層設計
6.進行時序分析以確認所有邏輯和電路將以特定頻率運行
7.物理設計，包括布局、布線、版圖設計
8.檢查 RTL，邏輯門層，電晶體層及物理層表示相符
9.檢查信號完整性，晶片可製造性
通過重新設計CPU核心，來獲得更小的裸片面積，有助於實現以上目標中的幾個。
市場情況
研發新的、高端的CPU是一個代價沉重的命題，例如，一般的電腦工程師年薪在每年25萬美元左右。這包括工資、福利、CAD工具、電腦、辦公場地租金等。假設設計CPU需要100名工程師，那么該項目需要4年。
總支出 = $25萬 / 工程師數/年 x 100 工程師數 x 4 年 = $1億美元。
上述金額只是一個例子.現代通用CPU的設計團隊有幾百個團隊成員。
嵌入式處理器經濟
出貨量最大的嵌入式CPU系列是8051，平均每年有近10億個單位。8051被廣泛使用，因為它非常便宜。現在設計時間大致為零，因為它作為商業智慧財產權被廣泛使用。現在它通常作為晶片上較大系統的一小部分嵌入。8051的矽片成本現在低至0.001美元，因為有些實現使用的邏輯門數少至2,200個，而矽片數量為0.0127平方毫米。
截至2009年，使用ARM架構指令集生成的CPU數量超過了其他32位指令集。ARM架構和第一個ARM晶片的設計大約需要一年半的時間和5年的工作時間。
32位Parallax Propeller微控制器架構和第一個晶片是由兩個人在大約10年的工作時間內設計的。
8位AVR架構和第一款AVR微控制器由挪威理工學院的兩名學生構思和設計。
8位6502架構和第一個MOS技術6502晶片是在13個月內由大約9人設計的。
研究和教育CPU設計
32位Berkeley RISCI和RISC II架構和第一批晶片主要由一系列學生設計，作為四季度研究生課程式列的一部分。這種設計成為商業SPARC處理器設計的基礎。
大約十年之後，每個參加麻省理工學院6.004課程的學生都是團隊的一部分 - 每個團隊都有一個學期在7400系列積體電路中設計和構建一個簡單的8位CPU。一個由4名學生組成的團隊在該學期中設計並構建了一個簡單的32位CPU。
有些本科課程要求由2至5名學生組成的團隊在一個15周的學期內在FPGA中設計，實施和測試一個簡單的CPU。
MultiTitan CPU的設計經過了2.5年的努力，當時被認為是“相對較少的設計工作”。24人參與了3.5年的MultiTitan研究項目，其中包括設計和構建原型CPU。
軟微處理器核心
對於嵌入式系統，由於功耗要求，通常不需要或不需要最高性能級別。這允許使用可以完全由邏輯綜合技術實現的處理器。這些綜合處理器可以在更短的時間內實施，從而縮短產品上市時間。
