關(guān)于計(jì)算機(jī)中央處理器的研究

王定龍

摘 要 隨著時代的發(fā)展，電子商品逐漸受到了更多的關(guān)注，計(jì)算機(jī)也逐漸的融入了人們的生活中。隨著人們的需求的增加，計(jì)算機(jī)的性能提升也受到了越來越多的人的關(guān)注，而計(jì)算機(jī)的中央處理器是決定計(jì)算機(jī)性能的決定性因素，其運(yùn)算能力的高低直接的決定了計(jì)算機(jī)的性能的好壞。因此，本文主要對于計(jì)算機(jī)的中央處理器的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，并且對于其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 中央處理器 研究 展望 計(jì)算機(jī)

中圖分類號：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1中央處理器發(fā)展

所謂中央處理器，一般情況都被稱為CPU，也就是中央處理器的英文單詞的首字母的組合，對于計(jì)算機(jī)而言有著重要的意義，能夠直接的決定計(jì)算機(jī)的性能，因此CPU的發(fā)展也直接的影響了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。在1949年，第一臺計(jì)算機(jī)問世，但是由于其體積巨大并且要消耗著巨大的資源，因此人們試圖對其進(jìn)行改進(jìn)。終于在1954年，制造出了歷史上第一臺使用晶體管的計(jì)算機(jī)，這是一個巨大的進(jìn)步，直接的使得計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了第二代計(jì)算機(jī)的時代，但是此時計(jì)算機(jī)的內(nèi)部的一些部分還是會被晶體管在工作的過程中產(chǎn)生的大量熱所損耗，造成了很大的損失。1958年集成電路發(fā)明了出來，這也是CPU的最初的狀態(tài)，在一個硅片上面整合了三種電子元件，使得其集成化的程度有了很大程度的提高，這也就是第三代計(jì)算機(jī)的開始。而目前我們大家使用的計(jì)算機(jī)，則屬于第四代計(jì)算機(jī)，它的體積很小有著很高的集成水平，并且散熱較少，對其進(jìn)行維護(hù)也相對來說比較方便。從計(jì)算機(jī)的發(fā)展史來看，起著決定性作用的是cpu，所以這也是cpu的發(fā)展史，cpu逐漸的向著制作工藝更加的精湛、體積更加的小并且功耗更加的低的方面發(fā)展著，并且同時cpu的位數(shù)以及性能等也逐漸的提升。早期人們使用的大多是32位的系統(tǒng)，目前來看則越來越多的人都開始使用64位系統(tǒng)。

2處理器分類

2.1品牌分類

按照品牌來看，目前市場上使用的最高的兩個品牌是INTER和AMD，而在INTER的系列處理器中，主要分為酷睿系列處理器和賽揚(yáng)系列處理器。目前在市場上，酷睿處理器是一款性價比很高的處理器，它有著領(lǐng)先的節(jié)能型微架構(gòu)，并且面向多處理器進(jìn)行了多核的優(yōu)化，使得其性能更加的出色，對于多任務(wù)的處理能力更加的強(qiáng)大，效率也更高。而AMD的系列處理器中，主要有閃龍系列處理器以及速龍系統(tǒng)處理器?？傮w來看，市場上酷睿處理器占有的比重最大。

2.2指令集分類

CPU的分類還可以按照指令集的方式將其分為精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）和復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）。RISC是基于集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種芯片，不過不同的是它對于指令的數(shù)目以及尋址的方式進(jìn)行了改進(jìn)，使得實(shí)現(xiàn)的更加的容易，指令的并行的執(zhí)行程度更加的好，并且編譯器的效率也變得越來越高。而由于早期的集成技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)，因此早期的計(jì)算機(jī)往往是CISC架構(gòu)，需要使用較少的機(jī)器語言來完成所需要的計(jì)算任務(wù)。由于人們的需求越來越多，因此將更多的相對復(fù)雜指令加入到了指令系統(tǒng)中，這樣能夠使得計(jì)算機(jī)變得更加的智能化，同時這使得計(jì)算機(jī)的處理效率有著很大的提升，這也是RISC形成的原因。

3結(jié)構(gòu)及原理

3.1性能衡量指標(biāo)

對于CPU而言，影響其性能的指標(biāo)主要有主頻、CPU的位數(shù)以及CPU的緩存指令集。所謂CPU 的主頻，指的就是時鐘頻率，它直接的決定了CPU的性能，因此要想CPU的性能得到很好地提高，提高CPU的主頻是一個很好地途徑。而CPU 的位數(shù)指的就是處理器能夠一次性計(jì)算的浮點(diǎn)數(shù)的位數(shù)，通常情況下，CPU 的位數(shù)越高，CPU進(jìn)行運(yùn)算時候的速度就會變得越快?，F(xiàn)在 CPU 的位數(shù)一般為 32位或者64 位。以前人們使用的計(jì)算機(jī)都是32位系統(tǒng)，近年來人們使用的計(jì)算機(jī)的處理器中64位所占用的比例則顯得更多，這是因?yàn)?4位的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度變得更快，提高了人們的工作效率。而CPU 的緩存指令集是存儲在 CPU內(nèi)部的，主要指的是能夠?qū)PU的運(yùn)算進(jìn)行指導(dǎo)以及優(yōu)化的硬程序。一般來講，CPU 的緩存可以分為一級緩存、二級緩存和三級緩存，而那些處理能力比較強(qiáng)的處理器則一般具有較大的三級緩存。

3.2 CPU結(jié)構(gòu)

通常來講，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。

所謂運(yùn)算邏輯部件，主要能夠進(jìn)行相關(guān)的邏輯運(yùn)算，如：可以執(zhí)行移位操作以及邏輯操作，除此之外還可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作以及地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換等命令，是一種多功能的運(yùn)算單元。而寄存器部件則是用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址的?？刂撇考t是主要用來對指令進(jìn)行分析并且能夠發(fā)出相應(yīng)的控制信號。

而計(jì)算機(jī)的內(nèi)存又可以分為隨機(jī)存取存儲器（RAM）和只讀儲存器 （ROM）。兩者的區(qū)別在于，隨機(jī)存取存儲器能夠與CPU直接的進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，也可以將其稱為主存。對于RAM可以隨時的進(jìn)行讀寫，而且這個過程的速度很快，因此由于主存所具有的這個有點(diǎn)也往往將其作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介；而只讀存儲器ROM是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的存儲器，使用者對于其內(nèi)部存儲的資料沒有改變的權(quán)限也無法對其進(jìn)行刪除，并且在電源關(guān)閉以后資料并不會消失。這種內(nèi)存也得到了廣泛的應(yīng)用，在那些資料不需要經(jīng)常變更的電子或電腦系統(tǒng)中得到了很好地應(yīng)用。

3.3 CPU總線

CPU 總線是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最快的總線，同時也是芯片組與主板的核心。人們通常把和 CPU 直接相連的局部總線叫做CPU總線或者稱之為內(nèi)部總線，將那些和各種通用的擴(kuò)展槽相接的局部總線叫做系統(tǒng)總線或者是外部總線。

在內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較單一的CPU中，往往只設(shè)置一組數(shù)據(jù)傳送的總線即CPU內(nèi)部總線，用來將CPU內(nèi)部的寄存器和算數(shù)邏輯運(yùn)算部件等連接起來，因此也可以將這一類的總線稱之為ALU總線。而部件內(nèi)的總線，通過使用一組總線將各個芯片連接到一起，因此可以將其稱為部件內(nèi)總線，一般會包含地址線以及數(shù)據(jù)線這兩組線路。系統(tǒng)總線指的是將系統(tǒng)內(nèi)部的各個組成部分連接在一起的線路，是將系統(tǒng)的整體連接到一起的基礎(chǔ)；而系統(tǒng)外的總線，是將計(jì)算機(jī)和其他的設(shè)備連接到一起的基礎(chǔ)線路。

4處理器散熱

隨著計(jì)算機(jī)的性能的不斷地發(fā)展，其需要的功耗也變得越來越大，這就需要對其進(jìn)行緊湊性的設(shè)計(jì)，因此CPU的體積在這樣的情況下變得越來越小，這就導(dǎo)致其集成的程度很高，它的性能對于溫度變得更加的敏感，如果沒有及時的散熱就會使其壽命縮短，并且在使用的過程中計(jì)算機(jī)的性能也會因此而受到影響，因此在平時的使用過程中如何對其進(jìn)行更好的散熱顯得至關(guān)重要，能夠很好地提高計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)的工作的可靠性，并且保證計(jì)算機(jī)的持續(xù)性的高性能工作。

對于計(jì)算機(jī)的CPU進(jìn)行散熱，主要可以將其分為兩個方式：主動地散熱方式以及被動的散熱方式。其中，主動地散熱方式指的是，由于CPU的本身的溫度是高于實(shí)際的環(huán)境溫度的，因此在沒有制冷機(jī)構(gòu)的情況下，借助于熱輻射以及自然對流的方式能夠?qū)崃恐鲃拥厣l(fā)到空氣中去。早期的CPU采用的散熱方式就是這種方式，通過散熱片將CPU的熱量通過散熱板、預(yù)留的散熱孔等散發(fā)出去。而被動的散熱方式，指的是通過包含一定的制冷機(jī)構(gòu)，將芯片的溫度降低到環(huán)境溫度的水平。很明顯的可以看出來，被動的散熱方式更加的有利于CPU的散熱，因此目前幾乎所有的CPU都是采用被動的方式來進(jìn)行散熱的。主要的散熱方式有如下幾種：

（1）風(fēng)冷散熱。這種散熱方式目前幾乎是所有的臺式的處理器所采用的散熱的方式，主要是通過在處理器上直接安裝散熱的風(fēng)扇的方式來進(jìn)行散熱的。風(fēng)扇能夠產(chǎn)生強(qiáng)制的對流來對溫度的上升進(jìn)行控制。

（2）水冷散熱。這種散熱方式主要是通過水循環(huán)系統(tǒng)中水的流動來將CPU中的熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)及CPU芯片降溫的目的。

（3）熱管散熱。熱管是一種效率很高的導(dǎo)熱材料，通過是由管殼、吸液芯和端蓋組成的，因此其導(dǎo)熱效果很好，并且除此之外它有對介質(zhì)制冷的效果，能夠使得介質(zhì)快速的降溫，并且通過使在密封性比較好的真空管中的液體的蒸發(fā)來傳遞CPU的熱量，有著很好地導(dǎo)熱性能以及很好地等溫性能。

目前來看風(fēng)冷散熱技術(shù)是計(jì)算機(jī)處理器中最為常見的、且技術(shù)相對成熟的一種散熱方式，不僅很簡單、可靠而且實(shí)現(xiàn)的成本也比較低，因此在計(jì)算機(jī)的CPU處理器散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，往往都會采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)來進(jìn)行散熱。

5 CPU未來發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見的是未來的處理器逐漸的趨向于多核的發(fā)展方向。多核處理器有著很多的優(yōu)勢，不但控制的邏輯相對來說比較簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，并給線路的延遲造成的影響比較小，因此工作的效率更高。并且由于多個處理器集成在一塊芯片上面，線路的延遲也會降低。通過動態(tài)的調(diào)節(jié)電壓，能夠使得芯片的功耗降低。因此，多核處理器的未來發(fā)展顯得十分的有前景。但是多核處理器還有一些問題需要得到解決：

（1）內(nèi)核的數(shù)量和功能之間的平衡。對于一個計(jì)算機(jī)來說，其內(nèi)核的功能越強(qiáng)，cache越大那么所需要的芯片的面積就越大，而這樣就會導(dǎo)致在芯片內(nèi)部所能夠集成的為內(nèi)核的數(shù)量隨之減少。因此，如何使得這兩個方面得到很好地平衡是一個問題。

（2）對于同構(gòu)核核異構(gòu)核的一個取舍性問題，這需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

（3）將不同的功能微內(nèi)核聚合到一起能夠使得功能得到更進(jìn)一步的提升，因此需要對其功能的分區(qū)以及芯片的布局進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)。

多核時代正在逐漸的到來，這不僅帶來了更多的機(jī)遇同時也帶來了更多的挑戰(zhàn)。同時計(jì)算機(jī)的發(fā)展逐漸的向體積越來越小的方向發(fā)展，也就是說計(jì)算機(jī)的處理器集成度越來越高。并且，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域會變得越來越寬廣，能夠給人們的生活帶來更多的便利。

6結(jié)論

由于計(jì)算機(jī)的普及度越來越高，中央處理器在計(jì)算機(jī)中起著十分重要的作用，因此本文對于計(jì)算機(jī)的中央處理器進(jìn)行了分析，首先對于處理器的發(fā)展歷史進(jìn)行了介紹，然后對于其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并且對于計(jì)算機(jī)處理器的散熱進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，最后對于計(jì)算機(jī)的處理器未來的發(fā)展進(jìn)行了展望，希望能夠起到一定的參考價值，讓人們更加正確的認(rèn)識計(jì)算機(jī)處理器的重要性。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳文琪. 計(jì)算機(jī)中央處理器的研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2017，（03）：157-158.

[2] 夏春梅，虞翔. 探討多處理器并行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)[J]. 電腦編程技巧與維護(hù)，2016，（23）：20-21.

[3] 劉春雷.基于國產(chǎn)處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)回卷恢復(fù)機(jī)制的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 劉寶明，鄭波祥，何海波.基于雙核MPC8641D處理器的計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，（11）：2775-2777.

[5] 吳小強(qiáng).基于龍芯處理器的可信計(jì)算機(jī)研究與設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，（11）：26-27+30.

[6] 姚文斌.計(jì)算機(jī)處理器的未來——多核處理器[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2008，（07）：76.

[7] 杜華. 計(jì)算機(jī)處理器性能的衡量[J]. 遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（02）：103-104.

[8] 馬文輝. 一個多處理器實(shí)時線程調(diào)度算法的計(jì)算機(jī)模擬及分析[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，1995，（06）：55-60.