微处理器[编辑]

名词解释
微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

简介
　　自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。　　今天，微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。
组成
　　微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器和通用寄存器组；程序计数器（也叫指令指标器）；时序和控制逻辑部件；数据与地址锁存器/缓冲器；内部总线组成。
算术逻辑单元
　　算术逻辑单元ALU主要完成算术运算（+，－、×、÷、比较）和各种逻辑运算（与、或、非、异或、移位）等操作。ALU是组合电路，本身无寄存操作数的功能，因而必须有保存操作数的两个寄存器：暂存器TMP和累加器AC，累加器既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果。
　寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的RAM，它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分，通用寄存器（A，B，C，D）用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。它们一般均可作为两个8位的寄存器来使用。处理器内部有了这些寄存器之后，就可避免频繁地访问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器PC、堆栈指示器SP和标志寄存器FR，它们的作用是固定的，用来存放地址或地址基值。其中：
　　A）程序计数器PC用来存放下一条要执行的指令地址，因而它控制着程序的执行顺序。在顺序执行指令的条件下，每取出指令的一个字节，PC的内容自动加1。当程序发生转移时，就必须把新的指令地址（目标地址）装入PC，这通常由转移指令来实现。
　　B）堆栈指示器SP用来存放栈顶地址。堆栈是存储器中的一个特定区域。它按“后进先出”方式工作，当新的数据压入堆栈时，栈中原存信息不变，只改变栈顶位置，当数据从栈弹出时，弹出的是栈顶位置的数据，弹出后自动调正栈顶位置。也就是说，数据在进行压栈、出栈操作时，总是在栈顶进行。堆栈一旦初始化（即确定了栈底在内存中的位置）后，SP的内容（即栈顶位置）使由CPU自动管理。
　　C）标志寄存器也称程序状态字（PSW）寄存器，用来存放算术、逻辑运算指令执行后的结果特征，如结果为0时，产生进位或溢出标志等。
　　定时与控制逻辑是微处理器的核心控制部件，负责对整个计算机进行控制、包括从存储器中取指令，分析指令（即指令译码）确定指令操作和操作数地址，取操作数，执行指令规定的操作，送运算结果到存储器或I/O端口等。它还向微机的其它各部件发出相应的控制信号，使CPU内、外各部件间协调工作。
　　内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。
　　必须指出，微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统，也不能独立地执行程序，必须配上存储器、输入输出设备构成一个完整的微型计算机后才能独立工作。
存储器
　　微型计算机的存储器用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。存储器按读、写方式分为随机存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read only Memory）。RAM也称为读/写存储器，工作过程中CPU可根据需要随时对其内容进行读或写操作。RAM是易失性存储器，即其内容在断电后会全部丢失，因而只能存放暂时性的程序和数据。ROM的内容只能读出不能写入，断电后其所存信息仍保留不变，是非易失性存储器。所以ROM常用来存放永久件的程序和数据。如初始导引程序、监控程序、操作系统中的基本输入、输出管理程序BIOS等。
输入/输出接口电路（I/O接口）
　　输入/输出接口电路是微型计算机的重要组成部件。他是微型计算机连接外部输入、输出设备及各种控制对象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。由于外设的结构、工作速度、信号形式和数据格式等各不相同，因此它们不能直接挂接到系统总线上，必须用输入/输出接口电路来做中间转换，才能实现与CPU间的信息交换。I/O接口也称I/O适配器，不同的外设必须配备不同的I/O适配器。I/O接口电路是微机应用系统必不可少的重要组成部分。任何一个微机应用系统的研制和设计，实际上主要是I/O接口的研制和设计。因此I/O接口技术是本课程讨论的重要内容之一，我们将在第八章中详细介绍。
总线（BUS）
　　总线是计算机系统中各部件之间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部件。它由若干条通信线和起驱动，隔离作用的各种三态门器件组成。微型计算机在结构形式上总是采用总线结构，即构成微机的各功能部件（微处理器、存储器、I/O接口电路等）之间通过总线相连接，这是微型计算机系统结构上的独特之处。采用总线结构之后，使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系，一个部件（功能板/卡）只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，从而使系统功能扩充或更新容易、结构简单、可靠性大大提高。在微型计算机中，根据他们所处位置和应用场合，总线可被分为以下四级　
　（1）片内总线：它位于微处理器芯片内部，故称为芯片内部总线。用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送。由于受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快内部数据传送速度，也可采用双总线或三总线结构。
　（2）片总线：片总线又称元件级（芯片级）总线或局部总线。微机主板、单扳机以及其它一些插件板、卡（如各种I/O接口板/卡），它们本身就是一个完整的子系统，板/卡上包含有CPU，RAM，ROM，I/O接口等各种芯片，这些芯片间也是通过总线来连接的，因为这有利于简化结构，减少连线，提高可靠性，方便信息的传送与控制。通常把各种板、卡上实现芯片间相互连接的总线称为片总线或元件级总线。
　　相对于一台完整的微型计算机来说，各种板/卡只是一个子系统，是一个局部，故又把片总线称为局部总线，而把用于连接微机各功能部件插卡的总线称为系统总线。局部总线是一个重要的概念，我们将在第七章中讨论。
　（3）内总线：内总线又称系统总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。系统总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如PC总线、AT总线（ISA总线）、PCI总线等。系统总线是我们要讨论的重点内容之一。
　　系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此，系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。
　　数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。
　　地址总线AB是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216=64KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为220=1MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。
　控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。　
　（4）外总线：也称通信总线。用于两个系统之间的连接与通信，如两台微机系统之间、微机系统与其他电子仪器或电子设备之间的通信。常用的通信总线有IEEE-488总线，VXI总线和RS-232串行总线等。外总线不是微机系统本身固有的，只有微型机应用系统中才有。
　　根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。一般而言，通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电；微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。
　　CPU是Central Processing Unit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。如果把计算机比作人，那么CPU就是人的大脑。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代，只经过了不到二十年的时间。
　　从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。不管什么样的CPU，其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
微处理器的发展
　　CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。微机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器MP（Micro Processor）为核心，所构造出的计算系经过30多年的发展，微处理器的发展大致可分为：
第一代微处理器（1971—1973年）
　　通常以字长是4位或8位微处理器，典型的是美国 Intel 4004和Intel 8008微处理器。Intel 4004是一种4位微处理器，可进行4位二进制的并行运算，它有45条指令，速度0.05MIPs（Million Instruction Per Second，每秒百万条指令）。Intel 4004的功能有限，主要用于计算器、电动打字机、照相机、台秤、电视机等家用电器上，使这些电器设备具有智能化，从而提高它们的性能。Intel 8008是世界上第一种8位的微处理器。存储器采用PMOS工艺。该阶段计算机工作速度较慢，微处理器的指令系统不完整，存储器容量很小，只有几百字节，没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制。
第二代微处理器（1974—1977年）
　　典型的微处理器有Intel 8080/8085，Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。与第一代微处理器相比，集成度提高了1～4倍，运算速度提高了10～15倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构及中断、直接存储器存取等功能。存储容量达64KB，配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备构成。
第三代微处理器（1978—1984年）
　　1978 年，Intel公司率先推出16位微处理器8086，同时，为了方便原来的8位机用户，Intel公司又提出了一种准16位微处理器8088。在Intel公司推出8086、8088 CPU之后，各公司也相继推出了同类的产品，有Zilog公司Z8000和Motorola公司的M68000等。16位微处理器比8位微处理器有更大的寻址空间、更强的运算能力、更快的处理速度和更完善的指令系统。所以，16位微处理器已能够替代部分小型机的功能，特别在单任务、单用户的系统中，8086等16位微处理器更是得到了广泛的应用。1982年，Intel公司又推出16位高级微处理器80286。微处理器采用短沟道高性能NMOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护等，时钟频率提高到5～25MHz。在20世纪80年代中、后期至1991年初，80286一直是微机的驻留CPU。
第四代微处理器
　　1985年，Intel公司推出了第四代微处理器80386。它是一种与8086向上兼容的32位微处理器80386，它具32位的数据总线和32位的地址总线，存储器可寻址空间达4GB，运算速度达到每秒300～400万条指令，即3～4MPIS。CPU内部采用6级流水线结构，使用二级存储器管理方式，支持带有存储器保护的虚拟存储机制。随着集成电路工艺水平的进一步提高，1989年，Intel公司又推出了性能更高的32位微处理器80486，在芯片上集成约120万个晶体管，是80386的4倍，80486由3个部件组成：一个是80386体系结构的主处理器，一个是与80387兼容的数字协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器，并采用了RISC（精简指令集计算机）技术和突发总线技术，提高了速度，在相同频率下，80486的处理速度一般比80386快2～4倍。以这些高性能32位微处理器为CPU构成的微机的性能指标已达到或超过当时的高档小型机甚至大型机的水平，被称为高档或超级微机。同期推出的产品还有MC68040和NEC公司的V80，
第五代微处理器
　　1993年，Intel公司推出了第五代微处理器Pentium（中文译名为奔腾）。Pentium微处理器的推出使微处理器的技术发展到了一个崭新的阶段，标志着微处理器完成从CISC向RISC 时代的过渡，也标志着微处理器向工作站和超级小型机冲击的开始。　　亚微米CMOS工艺，它具有64位的数据总线和32位的地址总线，CPU内部采用超标量流水线设计，Pentium芯片内采用双Cache结构（指令Cache和数据Cache），每个Cache容量为8KB，数据宽度为32位，数据Cache采用回写技术，大大节省了处理时间。Pentium 处理器为了提高浮点运算速度，采用8级流水线和部分指令固化技术，芯片内设置分支目标缓冲器（BTB），可动态预测分支程序的指令流向，节省了CPU判别分支的时间，大大提高了处理速度。Pentium系列处理器有多种工作频率，工作在60MHz和66MHz时，其速度可达每秒1亿条指令。同期推出的第五代微处理器还有IBM、Apple和Motorola这3家公司联盟PowERPC（这是一种完全的RISC微处理器），以及AMD公司的K5和Cyrix公司的M1等。
第六代微处理器
　　1996年Intel公司将其第六代微处理器正式命名为Pentium Pro（奔腾）。该处理器的集成电路采用了0.35的工艺，时钟频率为200MHz，在处理方面，Pentium Pro引入了新的指令执行方式，其内部核心是PISC处理器，运算速度达200MIPs。Pentium Pro允许在一个系统里安装4个处理器，因此，Pentium Pro最合适的位置是作为高性能服务器和工作站。
　　2001年Intel公司发布了Itanium（安腾）处理器。Itanium处理器是Intel公司第一款64位元的产品。这是为顶级、企业级服务器及工作站设计的，在Itanium处理器中体现了一种全新的设计思想，完全是基于平行并发计算而设计（EPIC）。对于最苛求性能的企业或者需要高性能运算功能支持的应用（包括电子交易安全处理、超大型数据库、计算机辅助机械引擎、尖端科学运算等）而言，Itanium处理器基本是计算机处理器中唯一的选择。
　　2002年Intel公司发布了Itanium2处理器。代号为McKinley的Itanium2处理器是Intel公司的第二代64位系列产品，Itanium2处理器是以Itanium架构为基础建立与扩充的产品，可与专为第一代Itanium处理器优化编译的应用程序兼容，并大幅提升了50%～100%的效能。Itanium2处理器系列以低成本与更高效能，提供高阶服务器与工作站各种平台与应用支持。
第七代微处理器
　　1999年，AMD推出了世界上第一款第七代微处理器，取名为速龙MP处理器，可支持高性能多处理器平台的服务器及工作站。新一代的应用程序需要一个稳定可靠的操作环境进行大量的运算，AMD速龙 MP处理器可以满足这类应用软件的需要。
　　2000年11月，Intel也推出了他的第七代微处理器：奔腾4（Pentium 4，或简称奔4或P4），这一新的架构称做NetBurst。Pentium 4有着非常快速到400MHz的前端总线，之后更有提升到533MHz、800MHz。它其实是一个为100MHz的四条并列总线(100Mhz x4 并列)，因此理论上它可以传送比一般总线多四倍的容量，所以号称有400MHz的速度。

内部结构
　　16位微处理器（图中为8086微处理器）可分成两个部分，一部分是执行部件(EU)，即执行指令的部分；另一部分是总线接口部件(BIU),与8086总线联系，执行从存储器取指令的操作。微处理器分成EU和BIU后,可使取指令和执行指令的操作重叠进行。EU部分有一个寄存器堆，由8个16位的寄存器组成,可用以存放数据、变址和堆栈指针、算术运算逻辑单元 (ALU)执行算术运算和逻辑操作，标志寄存器寄存这些操作结果的条件。执行部件中的这些部件是通过数据总线传送数据的。总线接口部件也有一个寄存器堆，其中CS、DS、SS和ES是存储空间分段的分段寄存器。IP是指令指针。内部通信寄存器也是暂时存放数据的寄存器。指令队列是把预先取来的指令流存放起来。总线接口部件还有一个地址加法器，把分段寄存器值和偏置值相加，取得20位的物理地址。数据和地址通过总线控制逻辑与外面的8086系统总线相联系。
中国微处理器简介
　　2004年2月18日，由清华大学自主研发的32位微处理器THUMP芯片终于领到了由国家教育部颁发的“身份证”：典型工作频率400MHz，功耗1.17mW/MHz，芯片颗粒40片，最高工作频率可达500MHz，是目前国内工作频率最高的微处理器。 “这标志着我国在自主研发CPU芯片领域迈开了实质性的一大步。”教育部对THUMP的诞生给予了较高评价。　
　在龙芯1号、龙芯2号的基础上，中国正在自主研发新一代的龙芯3号。
　龙芯3A的工作频率为900MHz～1GHz，功耗约15W，频率为1GHz时双精度浮点运算速度峰值达到每秒160亿次，单精度浮点运算速度峰值每秒320亿次。龙芯3A采用意法半导体公司（STMicro）65纳米CMOS工艺生产，晶体管数目达4.25亿个，芯片采用BGA封装，引脚的数目为1121个，功耗小于15瓦。龙芯3A集成了四个64位超标量处理器核、4MB的二级Cache、两个DDR2/3内存控制器、两个高性能HyperTransport控制器、一个PCI/PCIX控制器以及LPC、SPI、UART、GPIO等低速I/O控制器。龙芯3A的指令系统与MIPS64兼容并通过指令扩展支持X86二进制翻译。龙芯3号在包括服务器、高性能计算机、低能耗数据中心、个人高性能计算机、高端桌面应用、高吞吐计算应用、工业控制、数字信号处理、高端嵌入式应用等产品中具有广阔的市场应用前景。
微处理器工作原理
　　可用晶体管的数量对处理器性能有巨大影响。如上所述，在8088这样的处理器中，通常要花费15个时钟周期才能执行一条指令。由于乘法器的设计方式，在 8088上进行16位的乘法运算大约需要80个时钟周期。而晶体管越多，就越有可能在一个周期中执行更多的乘法运算。
　　晶体管数量的增多还使我们能够使用一种称为流水线的技术。在流水线式的体系结构中，指令的执行过程是相互重叠的。所以，虽然需要花费5个时钟周期来执行每条指令，但是可以同时执行5条指令的各个阶段。这样，表面看起来在每个时钟周期内即可执行完一条指令。
　　许多现代的处理器具有多个指令解码器，每一个都有自己的流水线。这样便存在多个指令流，也就是说每个时钟周期可以完成多条指令。但是这种技术实现起来非常复杂，因此需要使用大量的晶体管。
发展趋势
　　处理器设计的发展趋势主要是：完全32位的ALU（内置快速浮点处理器）和多指令流的流水线式执行方式。处理器设计的最新进展是64位ALU，预计在下一个十年中家用PC就会用上这种处理器。此外，还存在为处理器添加可高效执行某些操作的特殊指令（例如MMX指令）的趋势，以及在处理器芯片中增加硬件虚拟内存支持和L1缓存的趋势。所有这些趋势都进一步增加了晶体管的数量，导致现在的处理器包含数千万个晶体管。而这些处理器每秒大约可以执行十亿条指令！

参考资料：

扩展阅读：