微處理器

百科解釋

目錄·微處理器（microprocessor）簡介
·初期CPU
·從386到奔騰
·多核時代

　　自從人類1947年發(fā)明晶體管以來，50多年間半導體技術(shù)經(jīng)歷了硅晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路、甚大規(guī)模集成電路等幾代，發(fā)展速度之快是其他產(chǎn)業(yè)所沒有的。半導體技術(shù)對整個社會產(chǎn)生了廣泛的影響，因此被稱為“產(chǎn)業(yè)的種子”。中央處理器是指計算機內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為“微處理器”。

　　今天，微處理器已經(jīng)無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、移動電話等家電產(chǎn)品，還是汽車引擎控制，以及數(shù)控機床、導彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理器。微處理器不僅是微型計算機的核心部件，也是各種數(shù)字化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件。國際上的超高速巨型計算機、大型計算機等高端計算系統(tǒng)也都采用大量的通用高性能微處理器建造。

　　微處理器一般由下列部件組成：

　　算術(shù)邏輯單元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器和通用寄存器組；程序計數(shù)器（也叫指令指標器）；時序和控制邏輯部件；數(shù)據(jù)與地址鎖存器／緩沖器；內(nèi)部總線。

　　算術(shù)邏輯單元ALU主要完成算術(shù)運算（＋、－、×、÷、比較）和各種邏輯運算（與、或、非、異或、移位）等操作。ALU是組合電路，本身無寄存操作數(shù)的功能，因而必須有保存操作數(shù)的兩個寄存器：暫存器TMP和累加器AC（），累加器既向ALU提供操作數(shù)，又接收ALU的運算結(jié)果。

　　寄存器陣列實際上相當于微處理器內(nèi)部的RAM，它包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分，通用寄存器（A，B，C，D）用來存放參加運算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址。它們一般均可作為兩個8位的寄存器來使用。處理器內(nèi)部有了這些寄存器之后，就可避免頻繁地訪問存儲器，可縮短指令長度和指令執(zhí)行時間，提高機器的運行速度，也給編程帶來方便。專用寄存器包括程序計數(shù)器PC（）、堆棧指示器SP（）和標志寄存器FR（），它們的作用是固定的，用來存放地址或地址基值。其中：

　　A）程序計數(shù)器PC用來存放下一條要執(zhí)行的指令地址，因而它控制著程序的執(zhí)行順序。在順序執(zhí)行指令的條件下，每取出指令的一個字節(jié)，PC的內(nèi)容自動加1。當程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時，就必須把新的指令地址（目標地址）裝入PC，這通常由轉(zhuǎn)移指令來實現(xiàn)。

　　B）堆棧指示器SP用來存放棧頂?shù)刂�。堆棧是存儲器中的一個特定區(qū)域。它按“后進先出”方式工作，當新的數(shù)據(jù)壓入堆棧時，棧中原存信息不變，只改變棧頂位置，當數(shù)據(jù)從棧彈出時，彈出的是棧頂位置的數(shù)據(jù)，彈出后自動調(diào)正棧頂位置。也就是說，數(shù)據(jù)在進行壓棧、出棧操作時，總是在棧頂進行。堆棧一旦初始化（即確定了棧底在內(nèi)存中的位置）后，SP的內(nèi)容（即棧頂位置）使由CPU自動管理。

　　C）標志寄存器也稱程序狀態(tài)字（PSW）寄存器，用來存放算術(shù)、邏輯運算指令執(zhí)行后的結(jié)果特征，如結(jié)果為0時，產(chǎn)生進位或溢出標志等。

　　定時與控制邏輯是微處理器的核心控制部件，負責對整個計算機進行控制、包括從存儲器中取指令，分析指令（即指令譯碼）確定指令操作和操作數(shù)地址，取操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，送運算結(jié)果到存儲器或I／O端口等。它還向微機的其它各部件發(fā)出相應的控制信號，使CPU內(nèi)、外各部件間協(xié)調(diào)工作。

　　內(nèi)部總線用來連接微處理器的各功能部件并傳送微處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)和控制信號。

　　必須指出，微處理器本身并不能單獨構(gòu)成一個獨立的工作系統(tǒng)，也不能獨立地執(zhí)行程序，必須配上存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成一個完整的微型計算機后才能獨立工作。

　　2.存儲器微型計算機的存儲器用來存放當前正在使用的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)。存儲器按讀、寫方式分為隨機存儲器RAM（Random Access Memory）和只讀存儲器ROM（Read only Memory）。RAM也稱為讀／寫存儲器，工作過程中CPU可根據(jù)需要隨時對其內(nèi)容進行讀或?qū)懖僮�。RAM是易失性存儲器，即其內(nèi)容在斷電后會全部丟失，因而只能存放暫時性的程序和數(shù)據(jù)。ROM的內(nèi)容只能讀出不能寫入，斷電后其所存信息仍保留不變，是非易失性存儲器。所以ROM常用來存放永久件的程序和數(shù)據(jù)。如初始導引程序、監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的基本輸入、輸出管理程序BIOS等。

　　3.輸入／輸出接口電路（I／O接口）

　　輸入／輸出接口電路是微型計算機的重要組成部件。他是微型計算機連接外部輸入、輸出設(shè)備及各種控制對象并與外界進行信息交換的邏輯控制電路。由于外設(shè)的結(jié)構(gòu)、工作速度、信號形式和數(shù)據(jù)格式等各不相同，因此它們不能直接掛接到系統(tǒng)總線上，必須用輸入／輸出接口電路來做中間轉(zhuǎn)換，才能實現(xiàn)與CPU間的信息交換。I／O接口也稱I／O適配器，不同的外設(shè)必須配備不同的I／O適配器。I／O接口電路是微機應用系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。任何一個微機應用系統(tǒng)的研制和設(shè)計，實際上主要是I／O接口的研制和設(shè)計。因此I／O接口技術(shù)是本課程討論的重要內(nèi)容之一，我們將在第八章中詳細介紹。

　　4.總線（BUS）

　　總線是計算機系統(tǒng)中各部件之間傳送信息的公共通道，是微型計算機的重要組成部件。它由若干條通信線和起驅(qū)動，隔離作用的各種三態(tài)門器件組成。微型計算機在結(jié)構(gòu)形式上總是采用總線結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成微機的各功能部件（微處理器、存儲器、I／O接口電路等）之間通過總線相連接，這是微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的獨特之處。采用總線結(jié)構(gòu)之后，使系統(tǒng)中各功能部件間的相互關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞑考嫦蚩偩€的單一關(guān)系，一個部件（功能板／卡）只要符合總線標準，就可以連接到采用這種總線標準的系統(tǒng)中，從而使系統(tǒng)功能擴充或更新容易、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性大大提高。在微型計算機中，根據(jù)他們所處位置和應用場合，總線可被分為以下四級，如圖1.4所示。

　�。�1）片內(nèi)總線：它位于微處理器芯片內(nèi)部，故稱為芯片內(nèi)部總線。用于微處理器內(nèi)部ALU和各種寄存器等部件間的互連及信息傳送（如圖1.3中的內(nèi)部總線就是片內(nèi)總線）。由于受芯片面積及對外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線大多采用單總線結(jié)構(gòu)，這有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送速度，也可采用雙總線或三總線結(jié)構(gòu)。

　�。�2）片總線：片總線又稱元件級（芯片級）總線或局部總線。微機主板、單扳機以及其它一些插件板、卡（如各種I／O接口板／卡），它們本身就是一個完整的子系統(tǒng)，板／卡上包含有CPU，RAM，ROM，I／O接口等各種芯片，這些芯片間也是通過總線來連接的，因為這有利于簡化結(jié)構(gòu)，減少連線，提高可靠性，方便信息的傳送與控制。通常把各種板、卡上實現(xiàn)芯片間相互連接的總線稱為片總線或元件級總線。

　　相對于一臺完整的微型計算機來說，各種板／卡只是一個子系統(tǒng)，是一個局部，故又把片總線稱為局部總線，而把用于連接微機各功能部件插卡的總線稱為系統(tǒng)總線。局部總線是一個重要的概念，我們將在第七章中討論。

　�。�3）內(nèi)總線：內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線或板級總線。因為該總線是用來連接微機各功能部件而構(gòu)成一個完整微機系統(tǒng)的，如圖1.2中所示，所以稱之為系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是微機系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說的微機總線就是指系統(tǒng)總線，如PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等。系統(tǒng)總線是我們要討論的重點內(nèi)容之一。

　　系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，因此，系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus），如圖1.2中所示。

　　數(shù)據(jù)總線DB用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I／O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機的一個重要指標，通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以指令代碼或狀態(tài)信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。

　　地址總線AB是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I／O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為216＝64KB，16位微型機的地址總線為20位，其可尋址空間為220＝1MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節(jié)。

　　控制總線CB用來傳送控制信號和時序信號�？刂菩盘栔�，有的是微處理器送往存儲器和I／O接口電路的，如讀／寫信號，片選信號、中斷響應信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、限備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

　�。�4）外總線：也稱通信總線。用于兩個系統(tǒng)之間的連接與通信，如兩臺微機系統(tǒng)之間、微機系統(tǒng)與其他電子儀器或電子設(shè)備之間的通信。常用的通信總線有IEEE-488總線，VXI總線和RS-232串行總線等。外總線不是微機系統(tǒng)本身固有的，只有微型機應用系統(tǒng)中才有。

　　根據(jù)微處理器的應用領(lǐng)域，微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號處理器、微控制器。一般而言，通用處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統(tǒng)；嵌入式微處理器強調(diào)處理特定應用問題的高性能，主要用于運行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級操作系統(tǒng)，主要用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；微控制器價位相對較低，在微處理器市場上需求量最大，主要用于汽車、空調(diào)、自動機械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。

　　CPU是Central Processing Unit（中央微處理器）的縮寫，它是計算機中最重要的一個部分，由運算器和控制器組成。如果把計算機比作人，那么CPU就是人的大腦。CPU的發(fā)展非常迅速，個人電腦從8088(XT)發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium 4時代，只經(jīng)過了不到二十年的時間。

　　從生產(chǎn)技術(shù)來說，最初的8088集成了29000個晶體管，而PentiumⅢ的集成度超過了2810萬個晶體管；CPU的運行速度，以MIPS(百萬個指令每秒)為單位，8088是0.75MIPS，到高能奔騰時已超過了1000MIPS。不管什么樣的CPU，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)歸納起來都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分，這三個部分相互協(xié)調(diào)，對命令和數(shù)據(jù)進行分析、判斷、運算并控制計算機各部分協(xié)調(diào)工作。

　　CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有二十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長，CPU可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及正在醞釀構(gòu)建的64位微處理器，可以說個人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進的。

初期CPU

　　Intel 4004

　　1971年，英特爾公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一個可用于微型計算機的四位微處理器，它包含2300個晶體管。隨后英特爾又推出了8008，由于運算性能很差，其市場反應十分不理想。1974年，8008發(fā)展成8080,成為第二代微處理器。8080作為代替電子邏輯電路的器件被用于各種應用電路和設(shè)備中，如果沒有微處理器,這些應用就無法實現(xiàn)。

　　由于微處理器可用來完成很多以前需要用較大設(shè)備完成的計算任務(wù)，價格又便宜，于是各半導體公司開始競相生產(chǎn)微處理器芯片。Zilog公司生產(chǎn)了8080的增強型Z80，摩托羅拉公司生產(chǎn)了6800，英特爾公司于1976年又生產(chǎn)了增強型8085,但這些芯片基本沒有改變8080的基本特點，都屬于第二代微處理器。它們均采用NMOS工藝,集成度約9000只晶體管,平均指令執(zhí)行時間為1μS～2μS,采用匯編語言、BASIC、Fortran編程，使用單用戶操作系統(tǒng)。

　　Intel 8086

　　1978年英特爾公司生產(chǎn)的8086是第一個16位的微處理器。很快Zilog公司和摩托羅拉公司也宣布計劃生產(chǎn)Z8000和68000。這就是第三代微處理器的起點。

　　8086微處理器最高主頻速度為8MHz，具有16位數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存尋址能力為1MB。同時英特爾還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學協(xié)處理器i8087,這兩種芯片使用相互兼容的指令集，但i8087指令集中增加了一些專門用于對數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學計算的指令。人們將這些指令集統(tǒng)一稱之為 x86指令集。雖然以后英特爾又陸續(xù)生產(chǎn)出第二代、第三代等更先進和更快的新型CPU，但都仍然兼容原來的x86指令，而且英特爾在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后來因商標注冊問題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯數(shù)字命名。

　　1979年，英特爾公司又開發(fā)出了8088。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器，但8086每周期能傳送或接收16位數(shù)據(jù)，而8088每周期只采用8位。因為最初的大部分設(shè)備和芯片是8位的，而8088的外部8位數(shù)據(jù)傳送、接收能與這些設(shè)備相兼容。8088采用40針的DIP封裝，工作頻率為6.66MHz、7.16MHz或8MHz，微處理器集成了大約29000個晶體管。

　　8086和8088問世后不久，英特爾公司就開始對他們進行改進，他們將更多功能集成在芯片上，這樣就誕生了80186和80188。這兩款微處理器內(nèi)部均以16位工作，在外部輸入輸出上80186采用16位，而80188和8088一樣是采用8位工作。

　　1981年，美國IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機中，從而開創(chuàng)了全新的微機時代。也正是從8088開始，個人電腦(PC)的概念開始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來。從8088應用到IBM PC機上開始,個人電腦真正走進了人們的工作和生活之中，它也標志著一個新時代的開始。

　　Intel 80286

　　1982年，英特爾公司在8086的基礎(chǔ)上，研制出了80286微處理器，該微處理器的最大主頻為20MHz，內(nèi)、外部數(shù)據(jù)傳輸均為16位，使用24位內(nèi)存儲器的尋址，內(nèi)存尋址能力為16MB。80286可工作于兩種方式，一種叫實模式，另一種叫保護方式。

　　在實模式下，微處理器可以訪問的內(nèi)存總量限制在1兆字節(jié)；而在保護方式之下，80286可直接訪問16兆字節(jié)的內(nèi)存。此外，80286工作在保護方式之下，可以保護操作系統(tǒng)，使之不像實模式或8086等不受保護的微處理器那樣，在遇到異常應用時會使系統(tǒng)停機。

　　IBM公司將80286微處理器用在先進技術(shù)微機即AT機中，引起了極大的轟動。80286在以下四個方面比它的前輩有顯著的改進：支持更大的內(nèi)存；能夠模擬內(nèi)存空間；能同時運行多個任務(wù)；提高了處理速度。最早PC機的速度是4MHz，第一臺基于80286的AT機運行速度為6MHz至8MHz，一些制造商還自行提高速度，使80286達到了20MHz，這意味著性能上有了重大的進步。

　　80286的封裝是一種被稱為PGA的正方形包裝。PGA是源于PLCC的便宜封裝，它有一塊內(nèi)部和外部固體插腳，在這個封裝中，80286集成了大約130000個晶體管。

　　IBM PC/AT微機的總線保持了XT的三層總線結(jié)構(gòu)，并增加了高低位字節(jié)總線驅(qū)動器轉(zhuǎn)換邏輯和高位字節(jié)總線。與XT機一樣，CPU也是焊接在主板上的。

　　那時的原裝機僅指IBM PC機，而兼容機就是除了IBM PC以外的其它機器。在當時，生產(chǎn)CPU的公司除英特爾外，還有AMD及西門子公司等，而人們對自己電腦用的什么CPU也不關(guān)心，因為AMD等公司生產(chǎn)的CPU幾乎同英特爾的一樣，直到486時代人們才關(guān)心起自己的CPU來。

　　8086～80286這個時代是個人電腦起步的時代，當時在國內(nèi)使用甚至見到過PC機的人很少，它在人們心中是一個神秘的東西。到九十年代初，國內(nèi)才開始普及計算機。

從386到奔騰

多核時代

　　2000年英特爾公司發(fā)布基于超線程技術(shù)的奔騰4處理器。盡管不是真正意義上的雙核，但這種開創(chuàng)性的理念拉開了多核時代的大幕

　　基于英特爾奔騰 4 處理器的個人電腦用戶可以創(chuàng)作專業(yè)品質(zhì)的電影；通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送像電視一樣的視頻；使用實時視頻語音工具進行交流；實時渲染 3D 圖形；為 MP3 播放器快速編碼音樂；在與互聯(lián)網(wǎng)進行連接的狀態(tài)下同時運行多個多媒體應用。該處理器最初推出時就擁有 4200 萬個晶體管和僅為 0.18 微米的電路線。英特爾首款微處理器 4004 的運行速率為 108KHz，而現(xiàn)今的英特爾奔騰 4 處理器的初速率已經(jīng)達到了 1.5GHz，如果汽車的速度也能有同等提升的話，那么從舊金山開車到紐約只需要 13 秒。

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