計算機(jī)中央處理器的研究

摘 要計算機(jī)給人們的生活帶來了極大的便利，同時也掀起了第四次工業(yè)革命的帷幕。對計算機(jī)而言，計算機(jī)處理器是它的心臟，承擔(dān)決定性的運(yùn)算和處理工作，其運(yùn)算能力的高低決定了計算機(jī)的各項性能。計算機(jī)處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其本身可以簡化為一塊布滿集成電路的芯片。本文對計算機(jī)處理器的發(fā)展史和分類進(jìn)行了總結(jié)，同時詳細(xì)介紹了計算機(jī)處理器的結(jié)構(gòu)與原理以及計算機(jī)處理器與外部設(shè)備的相關(guān)接口原理，并對未來計算機(jī)處理器和計算機(jī)的發(fā)展作出了一定的展望。

【關(guān)鍵詞】中央處理器 計算機(jī) 芯片

1 計算機(jī)處理器的發(fā)展

CPU即Central Processing Unit的簡稱，稱為中央處理器，被人們比作計算機(jī)的心臟，在計算機(jī)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。 自1946年第一臺電子管計算機(jī)埃尼阿克問世以來，但其龐大的身軀和極大地資源消耗都飽受詬病，人們試圖尋找更加先進(jìn)的計算機(jī)生產(chǎn)工藝。終于，在1954年，TRADICIBM公司制造了第一臺使用晶體管的計算機(jī)，拉開了第二代計算機(jī)——晶體管計算機(jī)的帷幕。雖然晶體管和電子管相比有了質(zhì)的飛躍，但計算機(jī)內(nèi)部一些部分還是會被晶體管工作時產(chǎn)生大量的熱量損耗。在1958年發(fā)明的集成電路，也就是CPU的始祖，一片硅片上整合了三種電子元件，其集成化程度大大提高，使得計算機(jī)可以同時運(yùn)行許多不同的程序，這吹響了第三代計算機(jī)的號角。目前大規(guī)模使用的大規(guī)模集成電路計算機(jī)，是第四代計算機(jī)，它集體積小，運(yùn)算速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，發(fā)熱量小，維護(hù)方便等優(yōu)點于一身。縱觀其發(fā)展史，CPU無疑是向制作工藝更精細(xì)，體積越來越小、功耗越來越小的方向發(fā)展，與此同時，CPU的位數(shù)、制程、性能也在不斷提高。

2 計算機(jī)處理器的分類

（1）在目前的CPU品牌中，市場占有率最高最主要的兩個是INTER和AMD。在INTER系列處理器中，主要有賽揚(yáng)系列和酷睿系列。INTER酷睿系列處理器作為目前比較普遍且性價比高的處理器，是一款領(lǐng)先的節(jié)能新型微架構(gòu)處理器，英特爾酷睿微體系結(jié)構(gòu)面向多種處理器進(jìn)行了多核優(yōu)化，帶來更出色的性能、更強(qiáng)大的多任務(wù)處理性能和更高的能效水平。在AMD系列處理器中，主要的有閃龍系列、速龍系列。

（2）CPU按指令集分則可以分為RISC （精簡指令集計算機(jī)）和CISC （復(fù)雜指令集計算機(jī)）。隨著集成芯片技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜的集成電路設(shè)計越來越普遍，而RICS就是基于復(fù)雜集成電路設(shè)計出的一種芯片。RISC 對指令數(shù)目和尋址方式都做了精簡，使其更容易實現(xiàn)，指令并行執(zhí)行程度更好，編譯器的效率非常高。與之不同的是，早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，要用最少的機(jī)器語言指令來完成所需的計算任務(wù)是它的設(shè)計目的，將越來越多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計算機(jī)的處理效率，這就逐步形成復(fù)雜指令集計算機(jī)體系。

（3）若按功能用途分，CPU則可分為個人電腦CPU，便攜式設(shè)備CPU和工業(yè)用計算機(jī)CPU。個人處理器CPU一般用X86架構(gòu)，穩(wěn)定性比較低，單線程任務(wù)處理比較強(qiáng)，游戲性能比較強(qiáng)；而手機(jī)、平板等便攜式設(shè)備CPU主要使用精簡指令集，采用ARM架構(gòu)，與采用復(fù)雜指令集的個人電腦相比運(yùn)算能力就差得多；工業(yè)計算機(jī)的軟件系統(tǒng)比較單一，主要實現(xiàn)一個特定的功能，所以工業(yè)計算機(jī)通常采用速度不是非常快的處理器，但其采用的也是復(fù)雜指令集。

3 計算機(jī)處理器的結(jié)構(gòu)與原理

3.1 CPU性能衡量指標(biāo)

影響CPU性能的指標(biāo)主要有主頻，CPU的位數(shù)與CPU緩存指令集。CPU的主頻，也就是時鐘頻率。CPU的主頻決定了CPU的性能，所以提高CPU主頻對于提高CPU性能是非常重要的；CPU的位數(shù)是指處理器一次性可計算浮點數(shù)的位數(shù)，CPU的位數(shù)越高，CPU的運(yùn)算速度越快，現(xiàn)行CPU的位數(shù)一般為32位，但現(xiàn)在已研發(fā)出64位個人電腦處理器和手機(jī)處理器；CPU緩存指令集是存儲在CPU內(nèi)部，對CPU運(yùn)算進(jìn)行指導(dǎo)和優(yōu)化的硬程序。CPU的緩存分為一級緩存、二級緩存和三級緩存，處理能力強(qiáng)的處理器一般有較大的三級緩存。

3.2 CPU的結(jié)構(gòu)

CPU的結(jié)構(gòu)可以大致分為運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

運(yùn)算邏輯部件可以執(zhí)行移位操作以及邏輯操作、定點或浮點算術(shù)運(yùn)算操作，也可執(zhí)行地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換等命令，是一種多功能的運(yùn)算單元。寄存器部件則可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。控制部件主要用來分析指令并發(fā)出相應(yīng)的控制信號。三者的關(guān)系大致可以由圖1表示。

內(nèi)存可以分為隨機(jī)存取存儲器（RAM）和只讀儲存器（ROM）。隨機(jī)存取存儲器是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲器，也叫主存。它可以隨時讀寫，而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介；只讀存儲器是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的存儲器，使用者無法改變或刪除它已經(jīng)存儲的資料，并且關(guān)閉電源不會使資料消失，在不需經(jīng)常變更資料的電子或電腦系統(tǒng)中經(jīng)常使用只讀存儲器。

3.3 CPU的寄存器

計算機(jī)工作呈現(xiàn)出控制流與數(shù)據(jù)流兩大信息流，寄存器是暫存這些信息部件。在CPU內(nèi)部設(shè)置有多個寄存器，有的用于處理的通用寄存器組與暫存器，有的用于控制的指令寄存器、程序計數(shù)器和程序狀態(tài)字寄存器，還有的用作貯存接口的地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。

大多數(shù)時候，寄存器產(chǎn)生的輸出等于它的當(dāng)前狀態(tài)，因為它保持在一個穩(wěn)定狀態(tài)。信號沿著寄存器前面的組合邏輯傳播，一個新的寄存器輸入在這時產(chǎn)生，但只要時鐘是低電位的，寄存器的輸出就仍然保持不變。當(dāng)時鐘變成高電位的時候，寄存器中才加載了輸入信號，成為下一個狀態(tài)，直至下一個時鐘的上升沿。

電路不同部分中的組合邏輯之間，寄存器起到了屏障的作用。每個時鐘到達(dá)上升沿時，值才會從寄存器的輸入傳送到輸出。

3.4 CPU總線

CPU總線是PC系統(tǒng)中最快的總線，也是芯片組與主板的核心。人們通常把和CPU直接相關(guān)的局部總線叫做CPU總線或內(nèi)部總線，而把和各種通用擴(kuò)展槽相接的局部總線叫做系統(tǒng)總線或外部總線。在計算機(jī)系統(tǒng)的各級硬件組成中，都廣泛應(yīng)用總線的概念，大致分為以下四個層次。

CPU內(nèi)部總線，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單的CPU中，只設(shè)置一組數(shù)據(jù)傳送總線，用來連接CPU內(nèi)的寄存器與算術(shù)邏輯運(yùn)算部件，也稱為ALU總線；部件內(nèi)總線，用一組總線連接各個芯片，我們將它稱為部件內(nèi)總線，這是芯片間的連接總線，一般包含地址線與數(shù)據(jù)線兩組；系統(tǒng)總線，系統(tǒng)總線連接計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的各大組成部分，如CPU、主存儲器、各種輸入輸出設(shè)備，它是連接整機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)；系統(tǒng)外總線，一臺計算機(jī)系統(tǒng)通過它與其它設(shè)備相連接。

如果把CPU比作一個人的大腦話，那么總線就好比連通全身的血管，圖2形象地表示總線與輸入輸出設(shè)備、CPU、和內(nèi)存的關(guān)系。

4 計算機(jī)處理器與其他部分的連接

計算機(jī)設(shè)備分為內(nèi)設(shè)和外設(shè)，前面討論的CPU為內(nèi)設(shè)，而鼠標(biāo)、鍵盤這類設(shè)備則被稱為內(nèi)設(shè)。大多數(shù)外設(shè)與計算機(jī)進(jìn)行信息交換時都需要事先進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，只有雙方建立好聯(lián)絡(luò)關(guān)系之后，雙方才能進(jìn)行信息交換。外設(shè)與計算機(jī)間的信息交換可以用不同的輸入輸出方法完成，基本的輸入輸出方法有：程序控制I/O方式、中斷方式和直接存儲器存取方式。總之，CPU通過接口與外設(shè)相連。接口可分為并行接口和串行接口，其中串行接口的傳輸方式分為同步傳輸和異步傳輸。

4.1 程序控制I/O接口

CPU與外設(shè)進(jìn)行信息交換時，各類信息在接口中存入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口，簡稱為口。用來保存CPU和外設(shè)之間傳送的數(shù)據(jù)、對輸入輸出數(shù)據(jù)起緩沖作用的數(shù)據(jù)寄存器稱為數(shù)據(jù)端口；用來存放外設(shè)或者接口部件本身狀態(tài)的狀態(tài)寄存器稱為狀態(tài)端口；用來存放CPU發(fā)往外設(shè)的控制命令的控制寄存器稱為控制端口。I/O接口與CPU關(guān)系如圖2所示。

4.2 串行接口

微型計算機(jī)主機(jī)與外部設(shè)備的連接，基本上使用了兩類接口；串行接口與并行接口。串行通信本身又分為異步通信與同步通信兩種。

異步傳輸將比特分成小組進(jìn)行傳送，小組可以是8位的1個字符或更長。由于每個信息都加上了“同步”信息，所以異步傳輸比較容易實現(xiàn)，但卻產(chǎn)生了較多的開銷。除此之外，異步傳輸存在著接收方不知道數(shù)據(jù)會在什么時候到達(dá)的缺陷。因此，異步傳輸常用于低速設(shè)備。同步傳輸?shù)谋忍胤纸M要大得多，所以同步傳輸通常要比異步傳輸快速得多。

總之，同步傳輸與異步傳輸?shù)膮^(qū)別是：統(tǒng)一的、字符與字符間的傳輸是同步無間隔的發(fā)送方和接收方時鐘的傳輸是同步傳輸。異步傳輸方式不要求發(fā)送方和接收方的時鐘完全一樣，字符與字符間的傳輸。

4.3 并行接口

并行接口，指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點是傳輸速度快，缺點也比較明顯，就是傳輸線多。因此，并行接口廣泛應(yīng)用于近距離大數(shù)據(jù)通訊。

5 計算機(jī)處理器未來的發(fā)展

現(xiàn)在CPU無疑是朝向體積越來越小，越來越輕薄，能耗越來越少和制程越來越先進(jìn)的方向發(fā)展。由于電阻的存在，由歐姆定律可知，只要有電流的通過，就會產(chǎn)生熱能，因此，尋找電阻更小的材料和提高散熱技術(shù)也是CPU發(fā)展的必然方向。

同時，計算機(jī)也會朝著越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域方向發(fā)展?，F(xiàn)如今，科學(xué)家們設(shè)想并正在研發(fā)很多種種新概念計算機(jī)，例如，智能計算機(jī)，神經(jīng)計算機(jī)，生物計算機(jī)，量子計算機(jī)，超導(dǎo)計算機(jī)。其中超導(dǎo)計算機(jī)有運(yùn)算速度高，節(jié)能，不易發(fā)熱的優(yōu)點。想必未來搭載高科技計算機(jī)處理器的各種產(chǎn)品，一定給人們的生產(chǎn)生活帶來越來越大的便利。

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作者簡介

吳文琪（1999-），男，浙江省海鹽縣人。

作者單位

浙江省嘉興市第一中學(xué) 浙江省嘉興市 314000