中央处理器 CPU

中央处理器也被称为处理器、中央处理器或微处理器。它执行计算机的所有重要功能。它从硬件和活动软件中接收指令，并相应地产生输出。然后它根据这些指令进行计算、操作数据，并产生输出。它存储操作系统等重要程序，来管理计算机的资源，并允许您与计算机进行交互，以及进行诸如文字处理、网络浏览和游戏等任务的应用软件。没有中央处理器，您的计算机无法执行这些重要程序。

中央处理器还帮助输入和输出设备彼此之间进行通信。当您点击、移动鼠标或在键盘上点击键时，中央处理器会将这些输入转换，并与相关软件程序合作产生预期结果。中央处理器确保输入和输出设备之间的无故障通信，无论是打印一份文件、通过音频系统播放音乐，还是在显示屏上显示文本。正因为中央处理器的这些特性，它通常被称为计算机的大脑。

中央处理器被安装或插入到位于主板上的CPU插槽中。此外，它还配备了散热器，以吸收和散发热量，保持CPU的冷却和顺畅运行。

中央处理器的历史和演变

计算机已成为我们日常生活的一部分，但第一台计算机是在1946年在宾夕法尼亚大学开发的！

• 电子数字积分计算机或ENIAC是第一台电脑。
• 阿兰·图灵和约翰·冯·诺伊曼提出了现今广泛使用的重新编程功能。现代计算机的体系结构基于冯·诺伊曼的设计。
• 微处理器自英特尔的4004（第一款微处理器）问世以来已经发展了很长一段时间。
• 我们将看看到目前为止发生了什么。
• 在20世纪70年代初，英特尔的泰德·霍夫和其他人提出了第一款处理器的想法，随后由该公司制造。
• 英特尔的4004处理器是该公司的第一款处理器。

1971 – Intel 4004

• 由Intel的Federico Faggin、Ted Hoff和Busicom的Masatoshi Shima设计，于1971年11月15日上市。
• 设备使用了2300个pMOS技术的晶体管。
• 总共有46个指令。
• 设计的时钟速度为1 MHz，但实际只能达到740 kHz。
• 作为世界上第一个微处理器，它驱动着至今仍在使用的Busicom 141-PF计算器。

1972 – Intel 8008

• 1972年8月推出，也被称为MCS-8。
• CTC的Victor Poor和Harry Pyle以及Intel的Ted Hoff、Faggin、Stanley Mazor和Hal Feeney参与了它的研发。
• 设备中有3500个晶体管。
• 但它比4004慢。
• 这款计算机的时钟速度为0.5 MHz，总共有48个指令。
• Micral和SCELBI是第一批使用它的个人计算机。

1974 – Intel 8080

• Intel 8080于1974年推出。
• Faggin、Mazor和Masatoshi Shima于1974年4月创建了它。
• 时钟速度提升至2 MHz，设备使用了6000个晶体管和nMOS技术。
• 最显著的是地址（16位）和数据（8位）总线的分离，这是一项重大技术进步。
• 它还有256个输入/输出端口。
• MITS Altair 8800和IMSAI 8080都使用了它。
• 同样，太空侵略者（一款街机游戏）的主处理器是8080微处理器。

1974 – Motorola 6800

• Motorola处理器没有输入/输出端口。
• 输入/输出是通过内存映射方式进行的。
• 此外，指令集包含72个指令，时钟速度只有2 MHz。
• 首次使用了HCF（Halt and Catch Fire）操作码，可以阻止处理器对任何中断做出响应，直到被复位。
• Motorola首次引入了HCF，这是一项自测功能。

1977 – Intel 8085

这款处理器也被用作微控制器，使用+5V供电，与迄今为止形成的其他处理器不同。

• 首次使用了冯诺依曼体系结构。
• “它是使用nMOS技术和6500个晶体管制造的。”
• 指令集中有256个指令。
• 在NASA和ESA的太空探索中，使用了抗辐射版本。

1978 – Intel 8086

• 设计的时钟速度为10MHz。
• 布鲁斯·雷文尔是参与架构开发的团队成员，其中包括斯蒂芬·P·莫尔斯。
• 吉姆·麦克维特、约翰·贝利斯和威廉·波尔曼设计了逻辑电路，威廉·波尔曼担任项目经理。
• Mycron 2000是第一款使用它的微型计算机。

1979 – Intel 8088

• 基于HMOS的8088于7月1日发布。
• 可用的封装有PLCC（塑料引线封装）和40引脚DIP封装。
• 路径上只有8位数据。
• 设计的频率为10 MHz。
• 8088是最初IBM PC的基础。

1987 – SPARC

• 它是Sun Microsystems公司的处理器。
• 它的时钟速度为40 MHz。
• 用于构建它的晶体管数量为800万个，有256个输入/输出引脚。
• 根据TOP500榜单，富士通的K计算机是世界上最快的500台超级计算机中排名第一的。
• 它是基于SPARC架构的。

1991 – Am386

• 这款AMD（Advanced Micro Devices）处理器与英特尔x86处理器之间有明显的相似之处。
• 从时钟速度上看，该处理器与英特尔的竞争对手。
• 由于其优异的性能，许多制造商选择了AMD的浮点单元。

1993 – Pentium处理器

• P5是第一款Pentium处理器。
• 有两个型号可供选择：510引脚版本和567引脚版本。
• 它的制造中使用了100万个晶体管。
• 当时，这款32位处理器是最先进的处理器。
• 在这种超标量的x86微架构中，有两个指令可以同时执行，加快了计算速度。

1995 – Pentium Pro

• Pentium II 是第一款 Pentium 处理器。
• 它采用了陶瓷多芯片模块 (MCM)，拥有 387 个引脚，这是行业首次。
• 除了双处理器配置外，它的时钟速度为 200 MHz。
• 为了构建这款处理器，使用了大约 550 万个晶体管。
• 不包括 MMX 指令。
• 这款处理器被用于具有 teraFLOP（每秒一万亿次浮点运算）性能或结果的 ASCI Red。

1997- Pentium II

• Pentium II 处理器系列于5月7日推出，提供了各种处理器。
• 随着每个新型号的推出，时钟速度逐步增加至 450 MHz。
• 采用槽式或插座模块，而不是传统的处理器。
• 正因如此，计算机制造商能够将其安装在较小的空间中。
• 在这个系列下推出了多个处理器：其中一些是 Klamath、Deschutes、Pentium II overdrive、Tonga 等。
• 它拥有可以移除的散热器/风扇组合，有助于散热。

1999-Pentium III

• 于2月26日推出。
• 在前一款型号的基础上增加了 SSE 指令，以加快浮点计算速度。
• 像 Pentium II 一样，这款处理器发布了两个版本：Celeron（低端版本）和 Xeon（高端版本）（高端版本）。
• 以下处理器包括在这个系列中：Katmai、Coppermine、Coppermine T 和 Tualatin。
• 引入了 PSN（处理器序列号）在生产过程中，形成了处理器的唯一标识。

1999 – Athlon

• Athlon 由 AMD 在6月23日宣布。
• 利用了 3700 万个晶体管，实现了时钟速度为 800 MHz。
• 采用了 453 引脚 PGA（引脚排列阵列）封装。
• 它比 Intel 的 Pentium III 更快，使得 Athlon 成为一个合法的竞争对手。
• 这使它成为史上首款达到 1 GHz 速度标志的处理器。
• 首次推出了增强型 3DNow！，速度提高了 2-4 倍。

2000-Pentium IV

• Pentium IV 是 Intel 的新型单核处理器，时钟速度范围为 1.3 GHz 到 3.08 GHz。
• 在封装方面，423 引脚处理器可在 OLGA 和 PPGA（塑料引脚排列阵列）格式中获得。
• 此类别的处理器包括：Willamette、Northwood、Pentium 4-M、Mobile Pentium 等。
• 这个系列的处理器是首次使用 NetBurst 架构的。

2003-Pentium -M

• 这是一款 Intel 单核移动处理器。
• 它设计时的时钟速度为 2.26 GHz。
• 这个系列中有两个处理器：Banias、Dothan。
• Banias 的 TDP 为 24.5 瓦特，时钟速度为 1.7 GHz。
• Dothan 采用了 90 纳米的制程，时钟速度为 2.16 GHz，TDP 为 21 瓦特。
• 它首次在英特尔 Carmel 笔记本电脑、Centrino 品牌中使用。

2006-Core 2

• Intel Core 2 品牌还有一个别名：E6320，于2006年7月27日推出，时钟速度可高达 3.5 GHz。
• 这个系列下推出了单核、双核和四核处理器。
• 该处理器已不再销售。
• 该品牌的台式机处理器包括：Conroe XE、Allendale、Wolfdale 等。
• 还有 Allendale XE、Wolfdale XE 等。
• 该品牌的笔记本处理器包括：Merom XE、Penryn、Merom。
• 还有 Merom-L 和 Penryn XE。
• 通过降低时钟速度，处理器能够节省电池电量。

最新技术- CPU

自4004微处理器发布以来，技术发展进步显著。

更小的芯片、更快的时钟以及更大的缓存都导致了更小的芯片和更快的时钟。

基于英特尔微架构的产品在2011年开始推出。

它已经能够生产出32纳米厚度的晶片。

其中包括了英特尔快速同步技术，它是英特尔基于硬件的视频编码和解码解决方案

改进的256位/周期环形总线连接也使处理器的不同部分之间的互连更加容易。

• 此处理器拥有22.7亿个晶体管。
• 设计时钟速度为3.6 GHz。
• 由于硬件问题，Intel召回了67系列的Cougar Point芯片组主板。
• 以下系列都是这个家族的一部分：Intel Pentium: Celeron: Core i3: Core i5: Core i7: Core i7 Extreme: 它具有vPro功能，可以通过3G信号或以太网或互联网删除硬盘上的数据。

艾维桥

• 在2011年宣布，英特尔将推出一款22纳米片上开关的处理器称为艾维桥，但它直到2012年4月29日才发布。
• 使用3D（三栅）晶体管可以实现更小的片上开关。
• 与2D晶体管相比，3D晶体管将功耗降低了近50%。
• 支持PCI Express和DirectX 11，从而改善了图形性能。
• 时钟速度为80 GHz。
• 据报道，它们的温度比Sandy Bridge高20°C。
• 在此产品系列下，有以下的台式机型号:
• i3、i5和i7处理器
• 手机版则包括：i3、i5和i7核心处理器
• 它是Sandy Bridge的一个“tick”版本。

最新-第五代CPU或中央处理器

• 第五代中央处理器基于人工智能。
• 仍在开发中的中央处理器。
• 语音识别是目前的一个应用示例。
• 顺便说一下，它目前仍在开发中。
• 人工智能的目标是创建一个能够对自然语言输入做出反应并且能够自主学习的智能设备。

CPU的组成部分

一般来说，CPU有三个组成部分：

• 算术逻辑单元（ALU）
• 控制单元
• 存储单元

控制单元：

控制单元（CU）是中央处理单元（CPU）的重要组成部分，负责计算机系统的整体性能。控制单元中的电路利用电信号指示计算机系统执行已存储的指令。它从内存中获取指令，然后解码和执行这些指令。因此，它控制和协调计算机的所有部件的运行。

控制单元（Control Unit）的主要任务是维护和调节处理器内信息的流动。它充当了交通管制员的角色，确保信息和指令能够高效地在计算机系统的各个部件之间传输。它管理指令的执行顺序，并同步CPU内各个单元的活动。它不参与数据的处理和存储，而是充当监督者的角色，协调其他CPU部件的动作，以确保指令准确无误地按照正确的顺序执行。

控制单元通过一系列步骤在CPU内实现协调：

• 获取： 控制单元从计算机的内存中获取指令。它通过访问程序计数器（PC）提供的内存位置来实现此操作，程序计数器包含下一条要执行的指令的地址。
• 解码： 指令获取后，控制单元对其进行解码。它将指令分解为其组成部分，包括操作码（opcode）和任何相关的操作数。操作数提供执行操作所需的数据或内存位置，而操作码则指示要执行的操作类型。
• 执行： 指令解码后，控制单元启动执行阶段。它协调CPU的功能单元（例如算术逻辑单元ALU）内部所需的操作，以执行指令所示的特定操作。这可能涉及计算、数据操作或控制操作。
• 存储： 指令执行后，控制单元更新必要的寄存器和标志位以反映操作结果。这可能涉及将结果存储在寄存器中，更新程序计数器以指示下一条指令的地址，或修改状态标志以提供有关操作结果的信息（例如零标志、进位标志）。
• 重复： 在更新必要的组件后，控制单元通过从内存中获取下一条指令来重复该过程。它增加程序计数器的值，以指向下一条指令的地址，进而继续循环。

对于程序中的每条指令，该获取-解码-执行循环将重复执行，使得控制单元可以协调指令的顺序执行并确保计算机系统执行所需的任务。

控制单元通过确保正确的信息流动并引导CPU在此过程中的操作从而保证了计算机系统的正常运行。它通过执行指令的获取、解码和执行来帮助计算机系统完成所需的操作和计算任务。

算术逻辑单元（ALU）：

它是进行算术和逻辑操作的部件。算术运算包括加法、减法、乘法、除法和比较等。逻辑运算主要包括数据选择、比较和合并。一个CPU中可以有多个ALU。ALU还可以用于跟踪辅助计算机运行的定时器。

ALU由两个主要子部分组成：算术部分和逻辑部分。

• ALU的算术部分执行数学运算。它执行基本的数学运算，包括加法、减法、乘法和除法。在许多应用程序和程序的数学计算中，这些过程是必要的。算术部分还可以处理位运算、增加或减少值等其他操作。
• ALU的逻辑部分负责执行逻辑运算。基于逻辑条件的数据处理称为逻辑运算。这些操作包括选择或删除特定的数据元素或字段，比较值以识别关联（例如等于、大于或小于），以及根据逻辑原则合并或组合数据。决策、数据过滤和数据处理任务经常使用逻辑运算。

ALU的算术和逻辑功能对于CPU内指令的执行至关重要。当指令被控制单元检索和解码时，ALU负责执行指令中指定的必要算术或逻辑运算。例如，如果一条指令要求将两个整数相加，ALU的算术部分将执行加法运算并输出结果。

有时，CPU可能包含多个ALU以增强其处理能力。多个ALU可以同时工作，实现操作的并行执行，加快计算任务的速度。这在具有多个核心或专为高性能计算而设计的处理器的CPU中尤其有益。

记忆或存储单元

计算机系统的存储器或存储单元用来保存指令、数据和中间结果。它充当了一个数据库，其他计算机组件可以根据需要访问该数据库并保存数据。由于其多种功能，这个设备有很多名称，包括内部存储单元、主存储器、主存储器或随机存取存储器（RAM）。

存储单元的容量直接影响计算机的速度、功率和正常性能。容量较大的存储单元允许存储更多的数据和指令，从而提高机器处理复杂任务的能力。

计算机系统通常有两种类型的存储器：主存和辅助存储器。

• 主存储器通常称为RAM，是计算机的主存储器。它与CPU密切合作，快速存储和检索数据。RAM允许计算机随机访问信息，即可以检索任何数据片段而无需按顺序搜索。RAM充当了一个临时工作空间，计算机在其中存储了正在使用的信息和应用程序。RAM是一种易失性存储器，因此在机器关闭时保存在其中的任何内容都会丢失。能够同时运行多少程序以及能够同时处理多少数据取决于RAM的容量。
  

• 辅助存储器包括硬盘驱动器（HDDs）、固态硬盘（SSDs）和外部存储设备。计算机系统被设计成即使在断电的情况下也能够长时间存储数据。与RAM不同，辅助存储器是非易失性的，即使在没有电源的情况下仍然保留记录。它是操作系统、软件应用程序、文档和用户数据的存储位置。与RAM相比，辅助存储器的容量更大。虽然从辅助存储器中访问数据的速度比主存储器要慢，但它可以保留数据的长期存储的优势。
  

存储器单元的一些功能

• 存储： 存储器单元用于存储计算机执行任务所需的指令、数据和中间结果。
• 检索： 计算机可以快速有效地访问存储的信息，使处理器能够在程序执行期间检索数据和指令。
• 临时存储： 存储器单元为正在运行的程序提供临时存储（RAM），使CPU能够快速访问和操作数据。
• 数据传输： 它促进CPU与计算机系统的其他组件之间的数据传输，确保通信顺畅和处理高效。
• 快速访问： 存储器单元提供对数据和指令的快速访问，减少程序执行延迟，提高系统整体性能。
• 随机访问： 它使CPU能够从存储器单元的任何位置检索数据，而无需按顺序搜索，从而实现对信息的快速和随机访问。

什么是CPU时钟速度？

处理器的时钟速度，通常被称为CPU时钟频率，是一个重要组成部分。CPU或处理器的时钟速度指的是它每秒可以处理的指令数量。它以千兆赫为单位。例如，时钟速度为4.0千兆赫的CPU意味着它每秒可以处理40亿条指令。

CPU在特定时间内能够执行的指令数量取决于CPU的时钟速度。每个指令代表着一项基本的CPU活动，如数据传输或数学计算。时钟速度决定了这些指令被执行的速度。更高的时钟速度允许CPU每秒处理更多的指令，提高整体性能。

通过考虑一个工厂生产线的例子来更好地理解时钟速度如何影响CPU性能。时钟速度代表着传送带移动的速度，将工件带到不同的工位。传送带移动得越快，就能在给定的时间内加工更多的工件。

注意：CPU的整体性能不仅仅由时钟速度决定。处理器的架构和设计也非常重要。不同CPU架构在执行指令方面的有效性可能会有所不同。因此，时钟速度较低但拥有优越架构的CPU可能比时钟速度更快但设计低效的CPU表现更佳。

现代的CPU还经常使用多核架构和指令流水线等技术来提高速度。为了提高整体处理能力，多核CPU包括多个独立的处理单元（核心），可以同时执行指令。通过使用指令流水线，CPU可以同时执行许多指令，从而显著提高效率。

由于半导体技术的进步，CPU的时钟速度一直在不断提高。早期的CPU以兆赫为单位工作，但随着技术进步，千兆赫成为常态。一些高端CPU甚至超过了5千兆赫的标志。

CPU的类型：

CPU主要由英特尔和AMD制造，每个公司都制造自己的CPU类型。在现代，市场上有很多种类型的CPU。以下是一些基本类型的CPU的描述：

• 单核CPU
• 双核CPU
• 四核CPU
• 六核CPU
• 八核CPU
• 多核CPU

单核CPU

双核处理器是最早的计算机CPU类型，于1970年代开始使用。它只有一个核心来处理不同的操作。它一次只能启动一个操作；当有多个程序运行时，CPU在不同的数据流之间切换。因此，如果运行多个应用程序，性能会降低，因此不适合多任务处理。这些CPU的性能主要依赖于时钟速度。它仍然广泛用于各种设备，如智能手机。

但随着技术的发展，多核处理器得到了普及，现在提供更好的多任务处理能力。由于具有许多处理核心，这些CPU可以同时执行几个指令。双核处理器在台式机和笔记本电脑中不太流行，尽管它们仍然用于嵌入式系统和手机。智能手机通常使用专门为平衡性能和电池寿命而制作的单核或双核CPU。

双核处理器

正如其名称所示，双核CPU在一个集成电路（IC）中包含两个核心。尽管每个核心都有自己的控制器和缓存，但它们被链接在一起作为一个单一单元工作，因此可以比单核处理器更快地执行操作，并且可以比单核处理器更高效地处理多任务。

双核CPU的两个核心使得能够并行执行多个任务。每个核心可以独立执行指令，实现并行处理。与单核处理器相比，这种能力显著提高了多任务性能。有了双核CPU，用户可以同时运行多个应用程序，而不会出现明显的性能下降。

双核CPU除了多任务处理外，还可以提升单线程应用程序的性能。由于每个核心可以独立处理指令，无法并行化的任务仍然可以从双核架构中受益。一个核心可以专注于运行主要应用程序，而另一个核心则处理后台进程或系统任务。这种工作分配确保了更流畅的用户体验，并提高了整体系统响应能力。

四核CPU

这种类型的CPU在一个集成电路（IC）或芯片中带有两个双核处理器。因此，四核处理器是一个包含四个独立单位（核心）的芯片。这些核心读取和执行CPU的指令。核心可以同时运行多个指令，从而增加与并行处理兼容的程序的整体速度。

四核CPU使用一种技术，允许四个独立的处理单元（核心）在单个芯片上并行运行。因此，通过在单个CPU中集成多个核心，可以提高性能，而无需提高时钟速度。但是，只有在计算机的软件支持多处理时，性能才会提高。支持多处理的软件将处理负载在多个处理器之间划分，而不是一次使用一个处理器。

由于四核处理器能将处理负担分配给多个核心，多个处理器可以同时运行而不是一次运行一个。某些软件支持这种多处理能力，这可以提高生产力并加快处理时间，特别是对于可以分成较小子任务并同时执行的任务。

特别是四核CPU在多任务处理和计算密集型任务方面提供了效率和更快处理的优势。有了四个核心，CPU可以更平均地分配工作负载，实现更快的反应时间和更流畅的多任务处理。在视频编辑、3D图形和游戏等需要同时执行多个任务的工作中，四核CPU在并行处理方面表现出色。

六核CPU

六核CPU是指在一个集成电路（IC）或芯片上包含六个独立核心的计算机处理器。每个核心都作为一个独立的处理单元，可以执行计算和命令。拥有六个核心，可以提高处理能力，并提高性能。

在多任务处理和管理资源密集型任务方面，六核CPU提供了实质性的好处。通过在六个核心之间分担负担，CPU可以同时执行多个任务，以实现更有效的处理。用户可以同时运行许多程序，而不会明显遇到性能减慢或延迟，如网页浏览器、视频编辑程序和游戏程序。

六核CPU在需要大量计算能力的应用程序中也表现出色，如视频编辑、3D渲染、科学模拟和虚拟化。这些任务可以分配到多个核心上，从而加快处理速度，减少等待时间。

八核CPU

八核中央处理器（Octa-core CPUs）是一种在单一集成电路（IC）或芯片上拥有八个独立核心的计算机处理器。每个核心都可以作为独立的处理单元执行计算和指令。八核中央处理器的八个核心大大提升了处理能力和整体性能。

八核中央处理器在执行高负载工作和具有出色的多任务处理能力方面表现出色。有了八个核心，中央处理器可以有效地管理多个同时任务。工作负载被分配到各个核心上，实现高效处理和更快完成任务。这意味着用户可以同时运行多个应用程序而不会遇到显著的性能下降或系统延迟。

八核中央处理器的主要优势在于其能够并行执行指令。每个核心可以独立地处理不同的任务，实现并行处理。这种并行处理能力可以提高系统整体性能，并加快操作速度。特别适合将任务分解为较小的子任务并同时完成的工作。

八核中央处理器最适用于需要大量资源的计算密集型软件。高清视频编辑，3D渲染，复杂的科学模拟和虚拟化是其中的例子。这些工作负载可以有效地分配到多个核心上，从而加快处理速度并缩短等待时间。

多核中央处理器

多核中央处理器，也称为多核处理器，是一种将多个独立核心组合到一个芯片或集成电路上的计算机处理器。多核中央处理器使用两个或更多核心共同执行指令和计算，与单核处理器相反，后者依靠单个核心完成所有活动。

多核中央处理器的主要优点在于它们能够同时处理多个任务，提高整体性能和效率。中央处理器的核心作为独立的处理单元可以独立操作。由于中央处理器通过并行处理将工作分配到其核心上，因此任务可以更快地完成并同时进行。

用户可以在多核中央处理器上同时运行多个程序，而不会遇到严重的减速或性能瓶颈。例如，每个任务可以分配给不同的核心进行有效处理，这样您就可以同时浏览网页，观看电影和处理文件。这种多任务处理功能可以提高整体响应性，并提供更便捷的用户体验。

多核中央处理器在执行计算密集型活动和多任务处理方面表现出色。通过将任务分配到多个核心上，这些处理器可以更有效地处理复杂的活动，如视频编辑，3D渲染，科学模拟和游戏。将工作负载分配到核心上可以加快处理时间并减少等待时间。