CPU的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

晶體管是調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)、手機(jī)和所有其他現(xiàn)代電子電路運(yùn)行的基本構(gòu)件，是CPU的基本單元。晶體管可以獨(dú)立封裝，也可以小面積封裝。集成電路可以容納1億個(gè)或更多的晶體管。

眾所周知，電子元器件中的晶體管是一種半導(dǎo)體器件，常用于放大器或電控開關(guān)中。晶體管是調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話和所有其他現(xiàn)代電子電路運(yùn)行的基本組成部分。同時(shí)，晶體管是CPU的基本單元。晶體管可以獨(dú)立封裝，也可以小面積封裝。集成電路可以容納1億個(gè)或更多的晶體管。CPU主要包括邏輯運(yùn)算單元、控制單元和存儲(chǔ)單元。本文將詳細(xì)介紹 CPU中有多少個(gè)晶體管以及CPU的工作原理。

一、晶體管簡(jiǎn)介

晶體管一般是指所有以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單個(gè)元件，包括二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、晶閘管等。晶體管有時(shí)也指三極管。晶體管主要分為兩類：雙極晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。三極管有三極;雙極晶體管的三個(gè)極由N型和P型發(fā)射極、基極和集電極組成;場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)極是源極、柵極和漏極。

晶體管是調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)、手機(jī)和所有其他現(xiàn)代電子電路運(yùn)行的基本組成部分。由于其快速響應(yīng)和高精度，晶體管可用于多種數(shù)字和模擬功能，包括放大、開關(guān)、電壓調(diào)節(jié)、信號(hào)調(diào)制和振蕩器。晶體管可以單獨(dú)封裝，也可以在很小的區(qū)域內(nèi)封裝。

1947年12月，由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁、布拉頓組成的研究小組研制出點(diǎn)接觸鍺晶體管。晶體管的出現(xiàn)是 20 世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明。晶體管出現(xiàn)后，人們可以用體積小、功耗低的電子器件來代替體積大、耗電的電子管。晶體管的發(fā)明為集成電路的誕生吹響了號(hào)角。20世紀(jì)前10年，半導(dǎo)體材料已用于通信系統(tǒng)。20世紀(jì)上半葉，廣受無線電愛好者歡迎的礦石無線電，將礦石作為半導(dǎo)體材料進(jìn)行探測(cè)。半導(dǎo)體的電氣特性也被用于電話系統(tǒng)。

二、前幾代 CPU 晶體管數(shù)量

摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登摩爾提出的。在價(jià)格不變的情況下，集成電路上可容納的元件數(shù)量每18-24個(gè)月翻一番，性能翻一番。換句話說，每 18 到 24 個(gè)月，一臺(tái)可以用 1 美元購(gòu)買的計(jì)算機(jī)的性能將增加一倍以上。這條規(guī)律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。盡管這一趨勢(shì)持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)，但摩爾定律仍應(yīng)被視為觀察或推測(cè)，而不是物理或自然定律。

(1) 1999 年 2 月：Intel 發(fā)布Pentium III處理器。Pentium III 是 1 × 1 個(gè)帶有 950 萬個(gè)晶體管的方形硅片，采用英特爾的 0.25 微米工藝技術(shù)制造。

(2) 2000年，Pentium 4 Willamette，生產(chǎn)工藝為180nm，CPU晶體管數(shù)量為4200萬個(gè)。

(3) 2002年1月：Intel Pentium 4處理器推出，高性能臺(tái)式電腦可以達(dá)到每秒22億次循環(huán)。它采用英特爾的 0.13 微米工藝技術(shù)生產(chǎn)，包含 5500 萬個(gè)晶體管。

(4) 2003年3月12日：英特爾迅馳移動(dòng)技術(shù)平臺(tái)誕生在筆記本電腦上，包括英特爾最新的移動(dòng)處理器奔騰M處理器。該處理器基于全新的移動(dòng)優(yōu)化微架構(gòu)，采用英特爾 0.13 微米工藝技術(shù)生產(chǎn)。它包含 7700 萬個(gè)晶體管。

(5) 2005年5月26日：英特爾首款主流雙核處理器——英特爾奔騰D處理器，擁有229,999,999個(gè)晶體管，采用英特爾領(lǐng)先的90納米制程技術(shù)。

(6) 2006年7月27日：英特爾酷睿2 雙核處理器誕生。該處理器包含超過2.9億個(gè)晶體管，采用英特爾的65納米工藝技術(shù)。它是在世界上幾個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的。

(7) 2007年1月8日：為擴(kuò)大四核PC對(duì)主流買家的銷售，英特爾發(fā)布了英特爾酷睿2四核處理器和另外兩款用于臺(tái)式電腦的四核服務(wù)器處理器，處理能力為65納米。Intel Core 2 四核處理器包含超過 5.8 億個(gè)晶體管。

Intel Core 2 四核處理器

(8) 2010年推出的Corei7 980X，生產(chǎn)工藝為32nm，晶體管數(shù)量為11,699,999,999。

(9) 2013年推出的 Core i7 4960X ，制程22nm，晶體管數(shù)18.6億。

三、為什么晶體管越多的CPU越強(qiáng)?

CPU就像一個(gè)存放開關(guān)的大工廠。每個(gè)晶體管都是一個(gè)開關(guān)，即關(guān)閉時(shí)為0 ，打開時(shí)為1。晶體管越多，開關(guān)就越多。當(dāng)你處理同樣的問題時(shí)，你選擇的路線越多，循環(huán)的線路就越多。

同樣，CPU 的晶體管越多，單位時(shí)間內(nèi)流過的分支電流就越多。從宏觀角度來看，CPU 上可以處理的數(shù)據(jù)越多，機(jī)器的速度就越快。

CPU主要包括邏輯運(yùn)算單元、控制單元和存儲(chǔ)單元。邏輯運(yùn)算和控制單元中有一些寄存器。這些寄存器用于在CPU處理數(shù)據(jù)的過程中臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

CPU制造是一個(gè)非常高精度的過程，必須借助機(jī)械來完成。從晶圓上切割下來的晶體管將通過機(jī)器打印在 CPU 底座上。將檢查每個(gè)印刷基地，以消除有缺陷的產(chǎn)品。然后加上shell接口就成為我們常用的處理器產(chǎn)品。

四、CPU是如何工作的?

眾所周知，CPU是計(jì)算機(jī)的“心臟”，是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的核心。因此，它往往是各種等級(jí)微機(jī)的代名詞，如286、386、486、奔騰、PII、K6到今天的PIII、P4、K7等等?；仡機(jī)PU的發(fā)展歷史，CPU在制造技術(shù)上已經(jīng)有了很大的提升。主要體現(xiàn)在越來越多的電子元器件的集成上。從最開始集成數(shù)千個(gè)晶體管到現(xiàn)在的數(shù)百萬和數(shù)千萬個(gè)晶體管。他們?nèi)绾翁幚頂?shù)據(jù)?

1、CPU的原始工作模型

在了解CPU的工作原理之前，我們先簡(jiǎn)單的說一下CPU是如何產(chǎn)生的。CPU 采用純硅材料制造。一個(gè) CPU 芯片包含數(shù)百萬個(gè)精密的晶體管。人們使用化學(xué)方法在硅片上蝕刻或光刻晶體管。因此，CPU 是由晶體管組成的。簡(jiǎn)單地說，晶體管是微型電子開關(guān)。它們是構(gòu)建 CPU 的基石。您可以將晶體管視為電燈開關(guān)。它們有一個(gè)操作位，代表兩種狀態(tài)：開和關(guān)。這種通斷相當(dāng)于晶體管的接通和斷開。這兩個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于基本狀態(tài)“ 0 ”和“ 1 ”” 二進(jìn)制。這樣，計(jì)算機(jī)就有了處理信息的能力。但不要以為簡(jiǎn)單的“0”和“1”兩態(tài)晶體管的原理很簡(jiǎn)單。其實(shí)他們的發(fā)展是得到了經(jīng)過科學(xué)家們多年的苦心研究，在晶體管出現(xiàn)之前，計(jì)算機(jī)是靠速度慢、效率低的真空管和機(jī)械開關(guān)來處理信息的，后來科學(xué)家把兩塊晶體放入一個(gè)硅晶體中，從而創(chuàng)造了第一塊集成電路。

看到這里，你一定想知道，晶體管是如何使用“ 0 ”和“ 1 ”這兩個(gè)電子信號(hào)的十進(jìn)制數(shù)字中的1在二進(jìn)制模式下也是“1”，在二進(jìn)制模式下2是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，它構(gòu)成了計(jì)算機(jī)工作中使用的二進(jìn)制語言和數(shù)據(jù)。可以組合成組的晶體管來存儲(chǔ)數(shù)值，以及執(zhí)行邏輯和數(shù)字操作。

2、CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CPU中的晶體管

現(xiàn)在我們已經(jīng)大致知道 CPU 負(fù)責(zé)什么，但是哪些組件負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序呢?

1) ALU (算術(shù)邏輯單元)

ALU是算術(shù)單元的核心。它以全加器為基礎(chǔ)，輔以移位寄存器和相應(yīng)控制邏輯組成的電路。在控制信號(hào)的作用下，可以完成加減乘除四種運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算。剛才說了，這相當(dāng)于工廠里的生產(chǎn)線，負(fù)責(zé)計(jì)算數(shù)據(jù)。

2)RS(寄存器組或寄存器)

RS本質(zhì)上是數(shù)據(jù)在CPU中臨時(shí)存儲(chǔ)的地方。它存儲(chǔ)等待處理的數(shù)據(jù)或已處理的數(shù)據(jù)。CPU訪問寄存器的時(shí)間比訪問內(nèi)存的時(shí)間短。寄存器的使用可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高CPU的工作速度。但是由于芯片面積和集成度的限制，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為特殊寄存器和通用寄存器。通用寄存器用途廣泛，可由程序員指定。通用寄存器的數(shù)量因微處理器而異。

3) 控制單元

就像工廠的物流配送部門一樣，控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心?？刂茊卧芍噶罴拇嫫鱅R、指令譯碼器ID、運(yùn)算控制器OC三部分組成。協(xié)調(diào)整臺(tái)計(jì)算機(jī)的有序工作極為重要。根據(jù)用戶的預(yù)編程程序，控制單元從寄存器中取出每條指令。反過來， 寄存器把它 在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(解析)確定應(yīng)該執(zhí)行什么操作，然后按照確定的時(shí)序操作控制器OC，向相應(yīng)的部分發(fā)送微操作控制信號(hào)。運(yùn)算控制器OC主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路、啟停電路等控制邏輯。

4) 巴士

就像工廠中各個(gè)部件之間的通訊通道一樣，總線實(shí)際上是一組電線，各種常用信號(hào)線的集合。總線用作“高速公路”，供計(jì)算機(jī)中的所有組件共同使用以傳輸信息。與CPU直接相連的總線可以稱為本地總線，包括DB(數(shù)據(jù)總線)、AB(地址總線)、CB(控制總線)。其中，數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息;地址總線用于傳輸CPU下發(fā)的地址信息;控制總線用于傳輸控制信號(hào)、定時(shí)信號(hào)和狀態(tài)信息。

3. CPU 工作流程

CPU由晶體管組成，是處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序的核心，即中央處理器. 首先，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制單元、邏輯運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元(包括內(nèi)部總線和緩沖區(qū))三部分。CPU的工作原理就像工廠對(duì)產(chǎn)品的加工：進(jìn)入工廠的原材料(程序指令)由物料配送部(控制單元)調(diào)度，送到生產(chǎn)線(邏輯運(yùn)算單元)生產(chǎn)成品。產(chǎn)品(加工數(shù)據(jù))，然后入庫(kù)(存儲(chǔ)單元)，最后等待上市銷售(供應(yīng)用程序使用)。在這個(gè)過程中，我們注意到從控制單元開始，CPU 開始了正式的工作。中間過程是通過邏輯運(yùn)算單元進(jìn)行算術(shù)處理，

4. 數(shù)據(jù)和說明

現(xiàn)在，讓我們看看數(shù)據(jù)是如何在 CPU 中運(yùn)行的。我們知道，數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備通過內(nèi)存流出，等待 CPU 處理。待處理的信息以字節(jié)為單位存儲(chǔ)，即以8位二進(jìn)制數(shù)或8位為單位存儲(chǔ)。這些信息可以是數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)可以是二進(jìn)制表示的字符、數(shù)字或顏色。這些指令告訴 CPU 對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些操作，例如完成加法、減法或移位操作。我們假設(shè)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是最簡(jiǎn)單的原始數(shù)據(jù)。一、指令指針將通知 CPU 將要執(zhí)行的指令放置在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。因?yàn)閮?nèi)存中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)編號(hào)?？梢愿鶕?jù)這些地址取出數(shù)據(jù)，通過地址總線發(fā)送給控制單元。指令解碼器從指令寄存器IR中取出指令并將其翻譯成 CPU 的可執(zhí)行形式。然后CPU 決定完成指令需要哪些必要的操作。它將告訴算術(shù)邏輯單元 ( ALU ) 何時(shí)計(jì)算，告訴指令閱讀器何時(shí)獲取值，告訴指令解碼器何時(shí)翻譯指令等 如果數(shù)據(jù)被發(fā)送到算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)將執(zhí)行指令中指定的算術(shù)運(yùn)算和其他各種操作。數(shù)據(jù)處理完成后返回寄存器，通過不同的指令繼續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，或者通過DB總線發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

基本上，CPU 執(zhí)行三個(gè)基本任務(wù)：讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存。但在正常情況下，一條指令可以包含許多按明確順序執(zhí)行的操作。CPU 的工作就是執(zhí)行這些指令。完成一條指令后，CPU 的控制單元會(huì)告訴指令閱讀器從內(nèi)存中讀取下一條指令并執(zhí)行。這個(gè)過程連續(xù)快速地重復(fù)，一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行指令，產(chǎn)生你在顯示器上看到的結(jié)果。在處理這么多指令和數(shù)據(jù)的同時(shí)， 由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的差異和CPU處理時(shí)間的差異，肯定會(huì)出現(xiàn)處理混亂的情況. 為了保證每一個(gè)操作按時(shí)發(fā)生，CPU 需要一個(gè)時(shí)鐘，它控制著 CPU 執(zhí)行的每一個(gè)動(dòng)作。時(shí)鐘就像節(jié)拍器。它連續(xù)脈沖并確定 CPU 的速度和處理時(shí)間。這就是我們熟悉的CPU的標(biāo)稱速度，也就是我們常說的主頻。主頻值越高，CPU工作速度越快。

5、如何提高CPU工作效率?

由于CPU的主要工作是執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，工作效率將成為CPU的主要內(nèi)容。CPU制造商也盡最大努力使用CPU來更快地處理數(shù)據(jù)。根據(jù)CPU內(nèi)部的計(jì)算結(jié)構(gòu)，有的廠家在CPU中再增加一個(gè)算術(shù)邏輯單元(ALU)或另設(shè)一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)。它大大加快了數(shù)據(jù)操作的速度。在執(zhí)行效率方面，一些廠商通過流水線或并行執(zhí)行指令來提高指令的執(zhí)行速度. 正如我們前面提到的，指令的執(zhí)行需要許多獨(dú)立的操作，例如取指令和解碼。最初，CPU 必須在執(zhí)行下一條指令之前執(zhí)行上一條指令，但現(xiàn)在分布式電路執(zhí)行它們的操作。也就是說當(dāng)這部分電路完成一個(gè)作業(yè)后，第二個(gè)作業(yè)立即占用電路，大大提高了執(zhí)行效率。另外，為了使指令之間的聯(lián)系更加準(zhǔn)確，目前的CPU通常采用多種預(yù)測(cè)方法來控制指令以更高效地執(zhí)行。

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審核編輯：湯梓紅