关于计算机中央处理器的研究

王定龙

摘 要 随着时代的发展，电子商品逐渐受到了更多的关注，计算机也逐渐的融入了人们的生活中。随着人们的需求的增加，计算机的性能提升也受到了越来越多的人的关注，而计算机的中央处理器是决定计算机性能的决定性因素，其运算能力的高低直接的决定了计算机的性能的好坏。因此，本文主要对于计算机的中央处理器的相关内容进行了研究，并且对于其未来的发展进行了展望。

关键词 中央处理器 研究 展望 计算机

中图分类号：TP332 文献标识码：A

1中央处理器发展

所谓中央处理器，一般情况都被称为CPU，也就是中央处理器的英文单词的首字母的组合，对于计算机而言有着重要的意义，能够直接的决定计算机的性能，因此CPU的发展也直接的影响了计算机的发展。在1949年，第一台计算机问世，但是由于其体积巨大并且要消耗着巨大的资源，因此人们试图对其进行改进。终于在1954年，制造出了历史上第一台使用晶体管的计算机，这是一个巨大的进步，直接的使得计算机的发展进入了第二代计算机的时代，但是此时计算机的内部的一些部分还是会被晶体管在工作的过程中产生的大量热所损耗，造成了很大的损失。1958年集成电路发明了出来，这也是CPU的最初的状态，在一个硅片上面整合了三种电子元件，使得其集成化的程度有了很大程度的提高，这也就是第三代计算机的开始。而目前我们大家使用的计算机，则属于第四代计算机，它的体积很小有着很高的集成水平，并且散热较少，对其进行维护也相对来说比较方便。从计算机的发展史来看，起着决定性作用的是cpu，所以这也是cpu的发展史，cpu逐渐的向着制作工艺更加的精湛、体积更加的小并且功耗更加的低的方面发展着，并且同时cpu的位数以及性能等也逐渐的提升。早期人们使用的大多是32位的系统，目前来看则越来越多的人都开始使用64位系统。

2处理器分类

2.1品牌分类

按照品牌来看，目前市场上使用的最高的两个品牌是INTER和AMD，而在INTER的系列处理器中，主要分为酷睿系列处理器和赛扬系列处理器。目前在市场上，酷睿处理器是一款性价比很高的处理器，它有着领先的节能型微架构，并且面向多处理器进行了多核的优化，使得其性能更加的出色，对于多任务的处理能力更加的强大，效率也更高。而AMD的系列处理器中，主要有闪龙系列处理器以及速龙系统处理器。总体来看，市场上酷睿处理器占有的比重最大。

2.2指令集分类

CPU的分类还可以按照指令集的方式将其分为精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）。RISC是基于集成电路进行设计的一种芯片，不过不同的是它对于指令的数目以及寻址的方式进行了改进，使得实现的更加的容易，指令的并行的执行程度更加的好，并且编译器的效率也变得越来越高。而由于早期的集成技术还不够发达，因此早期的计算机往往是CISC架构，需要使用较少的机器语言来完成所需要的计算任务。由于人们的需求越来越多，因此将更多的相对复杂指令加入到了指令系统中，这样能够使得计算机变得更加的智能化，同时这使得计算机的处理效率有着很大的提升，这也是RISC形成的原因。

3结构及原理

3.1性能衡量指标

对于CPU而言，影响其性能的指标主要有主频、CPU的位数以及CPU的缓存指令集。所谓CPU 的主频，指的就是时钟频率，它直接的决定了CPU的性能，因此要想CPU的性能得到很好地提高，提高CPU的主频是一个很好地途径。而CPU 的位数指的就是处理器能够一次性计算的浮点数的位数，通常情况下，CPU 的位数越高，CPU进行运算时候的速度就会变得越快。现在 CPU 的位数一般为 32位或者64 位。以前人们使用的计算机都是32位系统，近年来人们使用的计算机的处理器中64位所占用的比例则显得更多，这是因为64位的计算机的运行速度变得更快，提高了人们的工作效率。而CPU 的缓存指令集是存储在 CPU内部的，主要指的是能夠对CPU的运算进行指导以及优化的硬程序。一般来讲，CPU 的缓存可以分为一级缓存、二级缓存和三级缓存，而那些处理能力比较强的处理器则一般具有较大的三级缓存。

3.2 CPU结构

通常来讲，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。

所谓运算逻辑部件，主要能够进行相关的逻辑运算，如：可以执行移位操作以及逻辑操作，除此之外还可以执行定点或浮点算术运算操作以及地址运算和转换等命令，是一种多功能的运算单元。而寄存器部件则是用来暂存指令、数据和地址的。控制部件则是主要用来对指令进行分析并且能够发出相应的控制信号。

而计算机的内存又可以分为随机存取存储器（RAM）和只读储存器 （ROM）。两者的区别在于，随机存取存储器能够与CPU直接的进行数据的交换，也可以将其称为主存。对于RAM可以随时的进行读写，而且这个过程的速度很快，因此由于主存所具有的这个有点也往往将其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；而只读存储器ROM是一种只能读出事先所存数据的存储器，使用者对于其内部存储的资料没有改变的权限也无法对其进行删除，并且在电源关闭以后资料并不会消失。这种内存也得到了广泛的应用，在那些资料不需要经常变更的电子或电脑系统中得到了很好地应用。

3.3 CPU总线

CPU 总线是在计算机系统中最快的总线，同时也是芯片组与主板的核心。人们通常把和 CPU 直接相连的局部总线叫做CPU总线或者称之为内部总线，将那些和各种通用的扩展槽相接的局部总线叫做系统总线或者是外部总线。

在内部结构比较单一的CPU中，往往只设置一组数据传送的总线即CPU内部总线，用来将CPU内部的寄存器和算数逻辑运算部件等连接起来，因此也可以将这一类的总线称之为ALU总线。而部件内的总线，通过使用一组总线将各个芯片连接到一起，因此可以将其称为部件内总线，一般会包含地址线以及数据线这两组线路。系统总线指的是将系统内部的各个组成部分连接在一起的线路，是将系统的整体连接到一起的基础；而系统外的总线，是将计算机和其他的设备连接到一起的基础线路。

4处理器散热

随着计算机的性能的不断地发展，其需要的功耗也变得越来越大，这就需要对其进行紧凑性的设计，因此CPU的体积在这样的情况下变得越来越小，这就导致其集成的程度很高，它的性能对于温度变得更加的敏感，如果没有及时的散热就会使其寿命缩短，并且在使用的过程中计算机的性能也会因此而受到影响，因此在平时的使用过程中如何对其进行更好的散热显得至关重要，能够很好地提高计算机的硬件系统的工作的可靠性，并且保证计算机的持续性的高性能工作。

对于计算机的CPU进行散热，主要可以将其分为两个方式：主动地散热方式以及被动的散热方式。其中，主动地散热方式指的是，由于CPU的本身的温度是高于实际的环境温度的，因此在没有制冷机构的情况下，借助于热辐射以及自然对流的方式能够将热量主动地散发到空气中去。早期的CPU采用的散热方式就是这种方式，通过散热片将CPU的热量通过散热板、预留的散热孔等散发出去。而被动的散热方式，指的是通过包含一定的制冷机构，将芯片的温度降低到环境温度的水平。很明显的可以看出来，被动的散热方式更加的有利于CPU的散热，因此目前几乎所有的CPU都是采用被动的方式来进行散热的。主要的散热方式有如下几种：

（1）风冷散热。这种散热方式目前几乎是所有的台式的处理器所采用的散热的方式，主要是通过在处理器上直接安装散热的风扇的方式来进行散热的。风扇能够产生强制的对流来对温度的上升进行控制。

（2）水冷散热。这种散热方式主要是通过水循环系统中水的流动来将CPU中的热量带走，从而实现计算机及CPU芯片降温的目的。

（3）热管散热。热管是一种效率很高的导热材料，通过是由管壳、吸液芯和端盖组成的，因此其导热效果很好，并且除此之外它有对介质制冷的效果，能够使得介质快速的降温，并且通过使在密封性比较好的真空管中的液体的蒸发来传递CPU的热量，有着很好地导热性能以及很好地等温性能。

目前来看风冷散热技术是计算机处理器中最为常见的、且技术相对成熟的一种散热方式，不仅很简单、可靠而且实现的成本也比较低，因此在计算机的CPU处理器散热系统的设计过程中，往往都会采用风冷散热系统来进行散热。

5 CPU未来发展

随着计算机的不断发展，可以预见的是未来的处理器逐渐的趋向于多核的发展方向。多核处理器有着很多的优势，不但控制的逻辑相对来说比较简单，实现起来比较容易，并给线路的延迟造成的影响比较小，因此工作的效率更高。并且由于多个处理器集成在一块芯片上面，线路的延迟也会降低。通过动态的调节电压，能够使得芯片的功耗降低。因此，多核处理器的未来发展显得十分的有前景。但是多核处理器还有一些问题需要得到解决：

（1）内核的数量和功能之间的平衡。对于一个计算机来说，其内核的功能越强，cache越大那么所需要的芯片的面积就越大，而这样就会导致在芯片内部所能够集成的为内核的数量随之减少。因此，如何使得这两个方面得到很好地平衡是一个问题。

（2）对于同构核核异构核的一个取舍性问题，这需要进行进一步的研究。

（3）将不同的功能微内核聚合到一起能够使得功能得到更进一步的提升，因此需要对其功能的分区以及芯片的布局进行整体的设计。

多核时代正在逐渐的到来，这不仅带来了更多的机遇同时也带来了更多的挑战。同时计算机的發展逐渐的向体积越来越小的方向发展，也就是说计算机的处理器集成度越来越高。并且，计算机的应用领域会变得越来越宽广，能够给人们的生活带来更多的便利。

6结论

由于计算机的普及度越来越高，中央处理器在计算机中起着十分重要的作用，因此本文对于计算机的中央处理器进行了分析，首先对于处理器的发展历史进行了介绍，然后对于其结构进行了分析，并且对于计算机处理器的散热进行了相应的介绍，最后对于计算机的处理器未来的发展进行了展望，希望能够起到一定的参考价值，让人们更加正确的认识计算机处理器的重要性。

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