計算機中央處理器的研究

摘 要計算機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革命的帷幕。對計算機而言，計算機處理器是它的心臟，承擔決定性的運算和處理工作，其運算能力的高低決定了計算機的各項性能。計算機處理器結構復雜，但其本身可以簡化為一塊布滿集成電路的芯片。本文對計算機處理器的發展史和分類進行了總結，同時詳細介紹了計算機處理器的結構與原理以及計算機處理器與外部設備的相關接口原理，并對未來計算機處理器和計算機的發展作出了一定的展望。

【關鍵詞】中央處理器 計算機 芯片

1 計算機處理器的發展

CPU即Central Processing Unit的簡稱，稱為中央處理器，被人們比作計算機的心臟，在計算機的發展中起著舉足輕重的作用。 自1946年第一臺電子管計算機埃尼阿克問世以來，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的計算機生產工藝。終于，在1954年，TRADICIBM公司制造了第一臺使用晶體管的計算機，拉開了第二代計算機——晶體管計算機的帷幕。雖然晶體管和電子管相比有了質的飛躍，但計算機內部一些部分還是會被晶體管工作時產生大量的熱量損耗。在1958年發明的集成電路，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，使得計算機可以同時運行許多不同的程序，這吹響了第三代計算機的號角。目前大規模使用的大規模集成電路計算機，是第四代計算機，它集體積小，運算速度快，系統穩定性高，發熱量小，維護方便等優點于一身。縱觀其發展史，CPU無疑是向制作工藝更精細，體積越來越小、功耗越來越小的方向發展，與此同時，CPU的位數、制程、性能也在不斷提高。

2 計算機處理器的分類

（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，是一款領先的節能新型微架構處理器，英特爾酷睿微體系結構面向多種處理器進行了多核優化，帶來更出色的性能、更強大的多任務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）和CISC （復雜指令集計算機）。隨著集成芯片技術的進步，復雜的集成電路設計越來越普遍，而RICS就是基于復雜集成電路設計出的一種芯片。RISC 對指令數目和尋址方式都做了精簡，使其更容易實現，指令并行執行程度更好，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，要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務是它的設計目的，將越來越多的復雜指令加入到指令系統中，以提高計算機的處理效率，這就逐步形成復雜指令集計算機體系。

（3）若按功能用途分，CPU則可分為個人電腦CPU，便攜式設備CPU和工業用計算機CPU。個人處理器CPU一般用X86架構，穩定性比較低，單線程任務處理比較強，游戲性能比較強；而手機、平板等便攜式設備CPU主要使用精簡指令集，采用ARM架構，與采用復雜指令集的個人電腦相比運算能力就差得多；工業計算機的軟件系統比較單一，主要實現一個特定的功能，所以工業計算機通常采用速度不是非常快的處理器，但其采用的也是復雜指令集。

3 計算機處理器的結構與原理

3.1 CPU性能衡量指標

影響CPU性能的指標主要有主頻，CPU的位數與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的位數是指處理器一次性可計算浮點數的位數，CPU的位數越高，CPU的運算速度越快，現行CPU的位數一般為32位，但現在已研發出64位個人電腦處理器和手機處理器；CPU緩存指令集是存儲在CPU內部，對CPU運算進行指導和優化的硬程序。CPU的緩存分為一級緩存、二級緩存和三級緩存，處理能力強的處理器一般有較大的三級緩存。

3.2 CPU的結構

CPU的結構可以大致分為運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

運算邏輯部件可以執行移位操作以及邏輯操作、定點或浮點算術運算操作，也可執行地址運算和轉換等命令，是一種多功能的運算單元。寄存器部件則可用來暫存指令、數據和地址。控制部件主要用來分析指令并發出相應的控制信號。三者的關系大致可以由圖1表示。

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

3.3 CPU的寄存器

計算機工作呈現出控制流與數據流兩大信息流，寄存器是暫存這些信息部件。在CPU內部設置有多個寄存器，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、程序計數器和程序狀態字寄存器，還有的用作貯存接口的地址寄存器和數據寄存器。

大多數時候，寄存器產生的輸出等于它的當前狀態，因為它保持在一個穩定狀態。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，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直接相關的局部總線叫做CPU總線或內部總線，而把和各種通用擴展槽相接的局部總線叫做系統總線或外部總線。在計算機系統的各級硬件組成中，都廣泛應用總線的概念，大致分為以下四個層次。

CPU內部總線，在內部結構比較簡單的CPU中，只設置一組數據傳送總線，用來連接CPU內的寄存器與算術邏輯運算部件，也稱為ALU總線；部件內總線，用一組總線連接各個芯片，我們將它稱為部件內總線，這是芯片間的連接總線，一般包含地址線與數據線兩組；系統總線，系統總線連接計算機系統內的各大組成部分，如CPU、主存儲器、各種輸入輸出設備，它是連接整機系統的基礎；系統外總線，一臺計算機系統通過它與其它設備相連接。

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備、CPU、和內存的關系。

4 計算機處理器與其他部分的連接

計算機設備分為內設和外設，前面討論的CPU為內設，而鼠標、鍵盤這類設備則被稱為內設。大多數外設與計算機進行信息交換時都需要事先進行聯絡，只有雙方建立好聯絡關系之后，雙方才能進行信息交換。外設與計算機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與外設進行信息交換時，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和外設之間傳送的數據、對輸入輸出數據起緩沖作用的數據寄存器稱為數據端口；用來存放外設或者接口部件本身狀態的狀態寄存器稱為狀態端口；用來存放CPU發往外設的控制命令的控制寄存器稱為控制端口。I/O接口與CPU關系如圖2所示。

4.2 串行接口

微型計算機主機與外部設備的連接，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，但卻產生了較多的開銷。除此之外，異步傳輸存在著接收方不知道數據會在什么時候到達的缺陷。因此，異步傳輸常用于低速設備。同步傳輸的比特分組要大得多，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的區別是：統一的、字符與字符間的傳輸是同步無間隔的發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據的接口標準。其優點是傳輸速度快，缺點也比較明顯，就是傳輸線多。因此，并行接口廣泛應用于近距離大數據通訊。

5 計算機處理器未來的發展

現在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的方向發展。由于電阻的存在，由歐姆定律可知，只要有電流的通過，就會產生熱能，因此，尋找電阻更小的材料和提高散熱技術也是CPU發展的必然方向。

同時，計算機也會朝著越來越多的應用領域方向發展。現如今，科學家們設想并正在研發很多種種新概念計算機，例如，智能計算機，神經計算機，生物計算機，量子計算機，超導計算機。其中超導計算機有運算速度高，節能，不易發熱的優點。想必未來搭載高科技計算機處理器的各種產品，一定給人們的生產生活帶來越來越大的便利。

參考文獻

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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 浙江省嘉興市 314000