作者
Josh Schneider
Staff Writer
IBM Think
Ian Smalley
Staff Editor
IBM Think
什么是微处理器？
微处理器是一种主流的现代计算机处理器。它将中央处理器 (CPU) 的组件和功能组合到单个集成电路 (IC) 或几个互连 IC 中。
与 CPU 一样，微处理器通常被认为是计算机的“大脑”。但与传统 CPU 不同，微处理器可将多个传统 CPU 的算术、逻辑和控制电路集成到单个多用途、时钟驱动且基于寄存器的数字电路中。
虽然 CPU 和微处理器这两个术语经常互换使用，但微处理器本质上是单芯片上的一体化 CPU。这种单芯片设计减少了易损电气连接的数量，可通过减少潜在故障点来提高可靠性。因此，微处理器几乎完全取代了传统的多组件 CPU。
在微处理器出现之前，计算机使用 IC 机架来完成计算机的主要计算功能。1971 年，随着第一款商用微处理器 Intel 4004 的推出，计算技术发生了重大转变。这款由 Federico Faggin 设计的突破性设备不仅仅是响应日本电子产品制造商 Busicom 对计算器的 12 个定制微芯片的要求。这是一个具有里程碑意义的时刻，彻底改变了我们对计算的思考方式，因为 Intel 没有生产 12 块单独的芯片，而是创建了通用逻辑设备。
Intel 4004 的架构无法按当下的标准运行，其时钟速度为 740 kHz，并且只能处理最大 4 位的数据流，也称为“半字节”。虽然 4004 与现代 8 位至 64 位微处理器相比功能较弱，但大家通常将它视为电路领域的一次革命性突破。正如摩尔定律所预测的那样，半导体技术的快速发展促成了处理能力的重大改进。微处理器由 Intel 和 Pentium 等领先供应商制造，并被 IBM®、Microsoft 和 Apple 等各大科技公司广泛使用，为从电视遥控器到国际空间站的数千个系统和应用程序提供了动力支持。
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微处理器如何工作？
现代微处理器将数百万个小型晶体管、电阻器和二极管组装在一个半导体材料上，构成 CPU 的关键组件。这些组件被安置到各种类型的独特计算机架构中，以执行计算和运行指令。普通微处理器的工作过程可分为四个主要步骤。
微处理器的关键步骤
取指：微处理器从计算机内存中检索（或“获取”）指令。取指过程可以通过自动或手动输入来启动。解码：微处理器对指令进行“解码”，实际上是将输入或命令解释为请求，并启动特定的进程或计算。执行：简言之，微处理器执行所需的或请求的操作。存储：执行结果存入计算机内存。
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微处理器组件
微处理器可以通过将 CPU 的主要组件组合到单个电路中来完成这些过程。微处理器的主要组件包括：
算术逻辑单元 (ALU)：CPU 的主要逻辑单元，该组件执行逻辑运算，包括数学计算和数据比较。
控制单元 (CU)：CU 电路用于解释指令并开始执行指令，从而指导处理器的基本操作。
寄存器：寄存器提供快速的小容量内存存储，供 CPU 在计算过程中临时保存数据和指令。
高速缓存内存：微处理器和 CPU 使用高速缓存内存（邻近 CPU 的高速存储器）来存储频繁访问的数据，以提高性能。
总线和总线接口：总线接口为数据在地址总线或数据总线等各个线组（称为总线）之间的传输提供入口点和出口点。总线和接口在物理上连接不同的内部组件，实现并促进 CPU 和其他外设（如输入/输出 (I/O) 单元）间的通信。
晶体管：晶体管是 IC 的主要构建块之一，它是小型半导体，用于调节、放大和产生电流和信号。它们还可以充当简单的开关，或组合形成逻辑门。晶体管的数量是微处理器能力的通用指标。
处理器内核：微处理器内的单个处理单元称为内核。现代处理器通常包含多个内核（双核、四核），从而通过同时执行多个任务来支持并行处理。
时钟：虽然并非所有微处理器都包含内部时钟，但它们都是时钟驱动的。有些微处理器依靠外部时钟芯片，众所周知，这种芯片可以提高精确度。无论采用内部时钟还是外部时钟，微处理器的时钟周期都决定着其执行命令的频率。现代时钟速度以兆赫兹 (MHz) 和千兆赫兹 (GHz) 为单位。
微处理器架构
微处理器的架构是指处理器的各个 CPU 组件的各种设计和组织方法。以下是微处理器的关键架构元素：
指令集架构 (ISA)：微处理器的 ISA 定义了处理器可以执行的指令集。精简指令集计算机 (RISC) 架构和复杂指令集计算机 (CISC) 架构等 ISA 提供了多种数据处理方法，同时提供了不同级别的性能、可靠性和速度，以适应不同类型的应用。
数据路径：微处理器的数据路径决定了数据在微处理器组件（总线、ALU、寄存器）中的移动顺序，进而影响整体性能。
控制路径：与数据路径类似，微处理器架构的控制路径元素用于在 CPU 内指示操作顺序并管理数据传输。
内存层次结构：内存层次结构是处理器架构的关键组成部分，为不同层次的内存（高速缓存、寄存器、RAM）提供了一个结构，以优化有效数据访问和检索速度。
微处理器类型和用例
微处理器在能力、性能、架构方法、尺寸、能耗和许多其他变量方面各不相同，旨在适用于各种各样的应用。通用微处理器常用于个人电脑和移动设备，而数字信号处理器 (DSP) 等专用高性能单元则旨在处理音频、语音、视频和图像处理等高要求任务。
以下是一些主要的微处理器类型。
通用微处理器
这类多用途微处理器广泛应用于各种常见的应用和设备中，例如笔记本电脑和服务器。
微控制器
尽管更准确地说，微控制器包含微处理器，但这类芯片还具有功能计算机所需的所有附加组件，即内置内存。微控制器的功能类似于微型计算机，非常适合控制嵌入式计算机系统中的特定元素。小型、低功耗微控制器不需要复杂的操作系统即可运行，通常用于汽车行业，以优化发动机控制单元 (ECU)、高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和信息娱乐单元，另外还用于各种消费电子设备，甚至工业自动化领域。
数字信号处理器 (DSP)
DSP 专门用于高速数字计算，通常用于音频处理、电信和图像处理等高要求任务。它们也可能出现在需要将模拟信号转换为数字信号的应用中，例如天气传感器。DSP 通常用于军事应用，例如无人侦察机和其他自主驾驶飞机。
应用特定集成电路 (ASIC)
ASIC 微处理器专为特定任务而设计，并经过定制，以满足各种应用的特定需求。ASIC 微处理器的一些示例包括用于游戏机或加密货币挖掘的定制芯片。DSP、GPU 和其他类型的专用微处理器在技术上也是 ASIC。
图形处理单元 (GPU)
GPU 微处理器专为需要高性能和并行处理的数字视频和图形渲染这种艰巨任务而设计。高性能的 GPU 微处理器对于高端游戏至关重要，也常用于加密货币挖掘，并且因其高功耗而闻名。
网络处理器
一种 ASIC 微处理器，专门进行了优化，用于处理电信交换机、路由器和网络安全设备中最常用的网络数据包。
协处理器
协处理器，如浮点单元 (FPU)，旨在为系统的主 CPU 提供辅助支持，以在执行高级科学计算或复杂数学公式等某些高要求任务时提高处理性能。
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