计算机中央处理器的研究

摘 要计算机给人们的生活带来了极大的便利，同时也掀起了第四次工业革命的帷幕。对计算机而言，计算机处理器是它的心脏，承担决定性的运算和处理工作，其运算能力的高低决定了计算机的各项性能。计算机处理器结构复杂，但其本身可以简化为一块布满集成电路的芯片。本文对计算机处理器的发展史和分类进行了总结，同时详细介绍了计算机处理器的结构与原理以及计算机处理器与外部设备的相关接口原理，并对未来计算机处理器和计算机的发展作出了一定的展望。

【关键词】中央处理器 计算机 芯片

1 计算机处理器的发展

CPU即Central Processing Unit的简称，称为中央处理器，被人们比作计算机的心脏，在计算机的发展中起着举足轻重的作用。 自1946年第一台电子管计算机埃尼阿克问世以来，但其庞大的身躯和极大地资源消耗都饱受诟病，人们试图寻找更加先进的计算机生产工艺。终于，在1954年，TRADICIBM公司制造了第一台使用晶体管的计算机，拉开了第二代计算机——晶体管计算机的帷幕。虽然晶体管和电子管相比有了质的飞跃，但计算机内部一些部分还是会被晶体管工作时产生大量的热量损耗。在1958年发明的集成电路，也就是CPU的始祖，一片硅片上整合了三种电子元件，其集成化程度大大提高，使得计算机可以同时运行许多不同的程序，这吹响了第三代计算机的号角。目前大规模使用的大规模集成电路计算机，是第四代计算机，它集体积小，运算速度快，系统稳定性高，发热量小，维护方便等优点于一身。纵观其发展史，CPU无疑是向制作工艺更精细，体积越来越小、功耗越来越小的方向发展，与此同时，CPU的位数、制程、性能也在不断提高。

2 计算机处理器的分类

（1）在目前的CPU品牌中，市场占有率最高最主要的两个是INTER和AMD。在INTER系列處理器中，主要有赛扬系列和酷睿系列。INTER酷睿系列处理器作为目前比较普遍且性价比高的处理器，是一款领先的节能新型微架构处理器，英特尔酷睿微体系结构面向多种处理器进行了多核优化，带来更出色的性能、更强大的多任务处理性能和更高的能效水平。在AMD系列处理器中，主要的有闪龙系列、速龙系列。

（2）CPU按指令集分则可以分为RISC （精简指令集计算机）和CISC （复杂指令集计算机）。随着集成芯片技术的进步，复杂的集成电路设计越来越普遍，而RICS就是基于复杂集成电路设计出的一种芯片。RISC 对指令数目和寻址方式都做了精简，使其更容易实现，指令并行执行程度更好，编译器的效率非常高。与之不同的是，早期的CPU全部是CISC架构，要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务是它的设计目的，将越来越多的复杂指令加入到指令系统中，以提高计算机的处理效率，这就逐步形成复杂指令集计算机体系。

（3）若按功能用途分，CPU则可分为个人电脑CPU，便携式设备CPU和工业用计算机CPU。个人处理器CPU一般用X86架构，稳定性比较低，单线程任务处理比较强，游戏性能比较强；而手机、平板等便携式设备CPU主要使用精简指令集，采用ARM架构，与采用复杂指令集的个人电脑相比运算能力就差得多；工业计算机的软件系统比较单一，主要实现一个特定的功能，所以工业计算机通常采用速度不是非常快的处理器，但其采用的也是复杂指令集。

3 计算机处理器的结构与原理

3.1 CPU性能衡量指标

影响CPU性能的指标主要有主频，CPU的位数与CPU缓存指令集。CPU的主频，也就是时钟频率。CPU的主频决定了CPU的性能，所以提高CPU主频对于提高CPU性能是非常重要的；CPU的位数是指处理器一次性可计算浮点数的位数，CPU的位数越高，CPU的运算速度越快，现行CPU的位数一般为32位，但现在已研发出64位个人电脑处理器和手机处理器；CPU缓存指令集是存储在CPU内部，对CPU运算进行指导和优化的硬程序。CPU的缓存分为一级缓存、二级缓存和三级缓存，处理能力强的处理器一般有较大的三级缓存。

3.2 CPU的结构

CPU的结构可以大致分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。

运算逻辑部件可以执行移位操作以及逻辑操作、定点或浮点算术运算操作，也可执行地址运算和转换等命令，是一种多功能的运算单元。寄存器部件则可用来暂存指令、数据和地址。控制部件主要用来分析指令并发出相应的控制信号。三者的关系大致可以由图1表示。

内存可以分为随机存取存储器（RAM）和只读储存器（ROM）。随机存取存储器是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介；只读存储器是一种只能读出事先所存数据的存储器，使用者无法改变或删除它已经存储的资料，并且关闭电源不会使资料消失，在不需经常变更资料的电子或电脑系统中经常使用只读存储器。

3.3 CPU的寄存器

计算机工作呈现出控制流与数据流两大信息流，寄存器是暂存这些信息部件。在CPU内部设置有多个寄存器，有的用于处理的通用寄存器组与暂存器，有的用于控制的指令寄存器、程序计数器和程序状态字寄存器，还有的用作贮存接口的地址寄存器和数据寄存器。

大多数时候，寄存器产生的输出等于它的当前状态，因为它保持在一个稳定状态。信号沿着寄存器前面的组合逻辑传播，一个新的寄存器输入在这时产生，但只要时钟是低电位的，寄存器的输出就仍然保持不变。当时钟变成高电位的时候，寄存器中才加载了输入信号，成为下一个状态，直至下一个时钟的上升沿。

电路不同部分中的组合逻辑之间，寄存器起到了屏障的作用。每个时钟到达上升沿时，值才会从寄存器的输入传送到输出。

3.4 CPU总线

CPU总线是PC系统中最快的总线，也是芯片组与主板的核心。人们通常把和CPU直接相关的局部总线叫做CPU总线或内部总线，而把和各种通用扩展槽相接的局部总线叫做系统总线或外部总线。在计算机系统的各级硬件组成中，都广泛应用总线的概念，大致分为以下四个层次。

CPU内部总线，在内部结构比较简单的CPU中，只设置一组数据传送总线，用来连接CPU内的寄存器与算术逻辑运算部件，也称为ALU总线；部件内总线，用一组总线连接各个芯片，我们将它称为部件内总线，这是芯片间的连接总线，一般包含地址线与数据线两组；系统总线，系统总线连接计算机系统内的各大组成部分，如CPU、主存储器、各种输入输出设备，它是连接整机系统的基础；系统外总线，一台计算机系统通过它与其它设备相连接。

如果把CPU比作一个人的大脑话，那么总线就好比连通全身的血管，图2形象地表示总线与输入输出设备、CPU、和内存的关系。

4 计算机处理器与其他部分的连接

计算机设备分为内设和外设，前面讨论的CPU为内设，而鼠标、键盘这类设备则被称为内设。大多数外设与计算机进行信息交换时都需要事先进行联络，只有双方建立好联络关系之后，双方才能进行信息交换。外设与计算机间的信息交换可以用不同的输入输出方法完成，基本的输入输出方法有：程序控制I/O方式、中断方式和直接存储器存取方式。总之，CPU通过接口与外设相连。接口可分为并行接口和串行接口，其中串行接口的传输方式分为同步传输和异步传输。

4.1 程序控制I/O接口

CPU与外设进行信息交换时，各类信息在接口中存入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，简称为口。用来保存CPU和外设之间传送的数据、对输入输出数据起缓冲作用的数据寄存器称为数据端口；用来存放外设或者接口部件本身状态的状态寄存器称为状态端口；用来存放CPU发往外设的控制命令的控制寄存器称为控制端口。I/O接口与CPU关系如图2所示。

4.2 串行接口

微型计算机主机与外部设备的连接，基本上使用了两类接口；串行接口与并行接口。串行通信本身又分为异步通信与同步通信两种。

异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。由于每个信息都加上了“同步”信息，所以异步传输比较容易实现，但却产生了较多的开销。除此之外，异步传输存在着接收方不知道数据会在什么时候到达的缺陷。因此，异步传输常用于低速设备。同步传输的比特分组要大得多，所以同步传输通常要比异步传输快速得多。

总之，同步传输与异步传输的区别是：统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的发送方和接收方时钟的传输是同步传输。异步传输方式不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输。

4.3 并行接口

并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。其优点是传输速度快，缺点也比较明显，就是传输线多。因此，并行接口广泛应用于近距离大数据通讯。

5 计算机处理器未来的发展

现在CPU无疑是朝向体积越来越小，越来越轻薄，能耗越来越少和制程越来越先进的方向发展。由于电阻的存在，由欧姆定律可知，只要有电流的通过，就会产生热能，因此，寻找电阻更小的材料和提高散热技术也是CPU发展的必然方向。

同时，计算机也会朝着越来越多的应用领域方向发展。现如今，科学家们设想并正在研发很多种种新概念计算机，例如，智能计算机，神经计算机，生物计算机，量子计算机，超导计算机。其中超导计算机有运算速度高，节能，不易发热的优点。想必未来搭载高科技计算机处理器的各种产品，一定给人们的生产生活带来越来越大的便利。

参考文献

[1]廉海东.计算机发展趋势前瞻.电子工艺简讯，1996（09）：5-7.

[2]王爱英.计算机组成与结构（第三版）.北京：清华大学出版社，2001（02）：2-5.

[3]衣治安，吴雅娟.实用计算机基础教程[M].北京：石油工业出版社，2002（07）：13-17.

作者簡介

吴文琪（1999-），男，浙江省海盐县人。

作者单位

浙江省嘉兴市第一中学 浙江省嘉兴市 314000