什么是中央处理器 (CPU)？

CPU 本质上是计算机的大脑。CPU 是计算机内部看不见的管理器，它将数据输入转换成信息输出。CPU 通过其庞大的电路网络存储和执行程序指令。

CPU 像人脑一样，可以同时执行多项任务。这意味着它也是计算机中同时调节计算机内部功能、监督功耗、分配计算资源以及与各种应用程序、程序和网络接口的部分。

如果您仍然不相信 CPU 对于计算有多么重要，那么请考虑一下这个问题：无论计算机的大小或用途如何，CPU 都是每台计算机上都有的部件。如果您正在使用智能手机、笔记本电脑或个人电脑阅读这篇文章，那么此时此刻您正在使用 CPU。

尽管“CPU”这一术语听起来像是在谈论单个设备，但事实并非如此。CPU 实际上是许多不同的计算机组件的组合，它们以高度协调的方式协同工作。

在讨论 CPU 的独特部件及其交互方式之前，请务必先熟悉驱动计算的两个基本概念：数据存储和内存。

• 数据存储是指保留信息的行为，以便以后轻松访问，甚至永久保存。计算机依赖于两种类型的存储，即主存储或辅助存储。主存储器（也称为主存储器，或简称为“主存”）包含操作指令或数据检索。CPU 会定期与主存储器交互来获取此类数据。
  
  
• 内存是计算机文件的分配，可从中提取和使用特定的操作指令或其他形式的数字信息。内存通常采用短期存储的形式，用于存储最近使用计算机时最常访问的文件。当数据首次进入操作系统 (OS) 时，它会被放置在该操作系统的随机存取存储器 (RAM) 中。

在这个方面，CPU 与人类大脑相似，既有短期记忆，又有长期记忆。CPU 的标准操作内存仅“即时”存储 RAM 数据（类似于人的短期记忆），然后定期将其从计算机的缓存中清除。

辅助存储类似于人类的长期记忆，通过将数据存档在辅助存储设备（如硬盘）上来永久或长期保留数据。硬盘等输出设备提供永久的存储空间。永久存储涉及只读存储器 (ROM)，这意味着可以访问数据，但无法对其进行操作或更改。

以下是 CPU 中的三个主要组件。

以下 CPU 组件也至关重要：

• 缓存：内存速度是 CPU 运行的一个关键方面，但具有讽刺意味的是，CPU 实际上并不访问 RAM。相反，现代 CPU 具有一个或多个缓存层，由于缓存在 CPU 处理器芯片上的有利位置，这些缓存通常会处理此类任务（速度比 RAM 快）。
  
  
• 寄存器：对于为了确保顺畅运行（以便 CPU 能够高效执行各种数据处理指令）而必须快速满足的即时和持续的数据需求，CPU 会使用寄存器，这是一种永久存储器。通过在 CPU 自身中构建寄存器，可以在需要的毫秒内访问这些寄存器的数据。
  
  
• 时钟：中央处理器内的复杂电路必须以高度同步的方式协同工作。CPU 的时钟通过每隔一定时间发出电脉冲来管理此过程，从而与各种计算机组件相协调。这些脉冲的传输速率称为时钟速度，单位为赫兹 (Hz) 或兆赫兹 (MHz)。
  
  
• 指令寄存器和指针：当 CPU 执行指令集时，指令指针会显示下一条要执行的指令的位置。一旦当前指令完成，下一个信息就会弹入指令寄存器中，并且新指令将在指令指针中突出显示。
  
  
• 总线：计算机总线在大多数计算机中都扮演着非常独特的角色——确保计算机系统内各计算组件之间正常的数据传输和数据流。总线的宽度描述了总线并行传输的位数。总线为计算机提供了一种将 CPU 连接到板载内存并用于其他用途的方法。

CPU 功能由控制单元处理，并由计算机时钟提供同步辅助。CPU 工作根据既定的周期（称为 CPU 指令周期）进行，该周期要求在计算机的处理能力允许的情况下，按一定次数重复执行以下基本计算指令：

• 获取：任何时候从内存中检索数据时，都会发生获取。
  
  
• 解码：CPU 内的解码器将二进制指令转换为与 CPU 的其他部分交互的电信号。
  
  
• 执行：当计算机解释并执行计算机程序的指令集时就会发生“执行”。

值得一提的是，通过一些基本的调整，可以操控 CPU 内的计算机时钟，使时间比通常情况下流逝得更快。一些用户这样做是为了让他们的计算机以更高的速度运行。但是，这种做法并不可取，因为它会导致计算机部件比正常情况更早磨损，并可能违反 CPU 制造商的保修条款。

如今，计算机已被认为是当代生活的基本组成部分，让人感觉它们一直与我们同在。当然，事实并非如此。

有人说，所有技术成果都是站在巨人的肩膀上采撷而来。例如，在计算机发展史上，早期的梦想家通过各种实验和著作帮助塑造了下一代思考者，而这些人之后又对计算的潜力产生了更深入的认识，等等。

在现代，计算机的故事始于冲突。美国政府与宾夕法尼亚大学摩尔电气工程学院的一个小组签约时，二战正酣。他们的任务是制造一台完全电子化的计算机，能够精确计算火炮射程表的距离。在物理学家 John Mauchly 和工程师 J. Presper Eckert, Jr. 的带领下，这项工作于 1943 年初开始。

他们在 1946 年初完成的计算机器被称为 “ENIAC”——无论从字面上还是从象征意义上来说，这都是一个巨大的进步。

ENIAC 的成本为 400,000 美元（根据通货膨胀调整后，相当于 2024 年的约 670 万美元）。它建在摩尔学院的地下室里，占地面积高达 1,500 平方英尺。它拥有数量惊人的计算机组件，包括超过 17,000 个真空管、70,000 个电阻器、10,000 个电容、6,000 个开关以及 1,500 个中继器。如此多的真空管产生的热量非常高，以至于 ENIAC 需要自己特殊的空调系统。

尽管 ENIAC 的 CPU 很原始，但每秒可以处理多达 5,000 个方程式，这在当时是一个奇迹。二战结束后，ENIAC 立即被美国纳入了正在兴起的冷战之中。它的第一个任务是运行与制造一种新武器（氢弹）相关的计算，这种武器的爆炸威力比原子弹强一千倍。

ENIAC 已经展示了计算机在军事上的作用。很快，Eckert 和 Mauchly 的团队创建了自己的公司，向世界展示计算机如何对商业世界产生积极影响。

Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC) 的旗舰产品 UNIVAC 1（通常简称为“UNIVAC”）是 ENIAC 的更小、更便宜的版本，并进行了各种改进，反映了当时不断变化的技术。

首先，它通过包括像电动打字机键盘这样的输入/输出设备，多达 10 个 UNISERVO 磁带驱动器用于数据存储，以及一个磁带到卡片转换器（这使公司除了使用磁带存储之外，还可以使用打孔卡片），使得数据输入变得更容易、更具表现力。

与其前身一样，UNIVAC 仍然需要占用大量地面空间（382 平方英尺），但这与 ENIAC 相比已经小了很多。但是，加上附加功能，UNIVAC 的造价远高于 ENIAC，通常在 150 万美元左右（现在约为 1,160 万美元）。

然而，造价高昂的 UNIVAC 能够执行惊人的操作。最著名的是，CBS News 利用它准确预测了 1952 年美国总统选举结果。传统的盖洛普民意调查预测选举双方势均力敌，但 UNIVAC 很早就宣布 Dwight D. Eisenhower 将大获全胜，这让所有记者都感到震惊，而事实正是如此。除了 UNIVAC，没有人预见到这一结果。这一事件震惊了公众，他们在一夜之间意识到计算机能够进行惊人的分析和预测。

尽管外形更加流畅，UNIVAC 仍然十分庞大，重量超过 8 吨，功率达到了 125 千瓦。UNIVAC 1 于 1951 年亮相，美国人口普查局购买了第一台机器。遗憾的是，UNIVAC 的使用因一个严重的设计缺陷而变得复杂，它仍然依赖于容易破裂并产生大量多余热量的玻璃真空管。

幸运的是，下一场 CPU 革命将直接解决这个问题。

ENIAC 和 UNIVAC 的创造者在真空管方面都遭受了损失，因为当时没有可行的替代品。1953 年，曼彻斯特大学的一名研究生发现了一种方法，可以制造出完全基于晶体管的计算机的方法，这一切都改变了。Richard Grimsdale 发明了一台 48 位机器，包含 92 个晶体管和 550 个二极管，以及 0 个玻璃真空管。

晶体管在 20 世纪 50 年代初开始大规模生产，但其使用最初因所使用的材料（锗）而变得复杂，这是因为锗的提纯非常困难，而且必须保持在精确的温度范围内。

到 1954 年初，贝尔实验室的科学家开始用硅进行实验，硅最终被用于计算机芯片生产。但直到贝尔实验室的 Mohamed Atalia 和 Dawon Kahng 进一步改进了硅的使用，并创造出金属氧化物半导体场效应晶体管（或 MOSFET、MOS 晶体管），一切才真正开始起步。

这两位工程师在 1959 年底构建了一个工作原型，到 1960 年初，它向世界揭开了面纱，迎来了晶体管时代，开始了新的十年。到这十年结束时，晶体管已广泛应用于各个领域。

实际上，在过去的几十年中，MOSFET 普遍流行并在全球范围内受到欢迎，以至于它被计算机历史博物馆誉为“历史上制造最广泛的设备”。据估计，在 2018 年已制造了 1.3 x 10^22 个 MOS 晶体管。

在 CPU 设计方面，晶体管真正改变了游戏规则，将计算机从最初笨重的超大外形中解放出来，使设计更时尚、所需空间更小、运行效率更高的计算机得以问世。

尽管 UNIVAC 有诸多不足之处，而且体积庞大，但在当时仍然是一个奇迹。随后，小型主板应运而生，并使用了各种计算机芯片。这最终促成了芯片组的开发，这是一种具有多种用途的单芯片。现在，现代 CPU 已经小到可以将整个 CPU 封装在一个小型集成电路芯片（称为微处理器）中。

微处理器由其支持的内核数量指定。CPU 内核是“脑中脑”，充当 CPU 中的物理处理单元。微处理器可以包含多个处理器。同时，物理内核是内置于芯片中的 CPU，但它只占用一个插槽，从而使其他物理内核能够进入相同的计算环境。

值得注意的是，不应将“微处理器”一词与“微控制器”混淆。微控制器是一种非常小的计算机，存在于单个集成电路上。微控制器通常包含至少一个 CPU，以及相关的内存和可编程 I/O 数据。

以下是与微处理器相关的一些其他主要术语：

• 单核处理器：单核处理器包含单个处理单元。它们通常性能较慢，在单个线程上运行，并且一次执行一个 CPU 指令周期。
  
  
• 双核处理器：双核处理器在一个集成电路中配备了两个处理单元。两个内核同时运行，有效地将性能提高了一倍。
  
  
• 四核处理器：四核处理器在一个集成电路中包含四个处理单元。所有内核同时运行，实现了四倍的性能。
  
  
• 多核处理器：多核处理器是配备至少两个处理器内核的集成电路，因此它们可以提供优异的性能，同时节省能量。

线程可视为向 CPU 发出的虚拟指令序列。首先，它们是一种划分工作量并在不同处理器之间分担责任的方法。

两个相关的术语是多线程和超线程。在前者中，任务被分成不同的线程，并行运行。超线程技术可帮助实现更大的性能优势，因为处理器可同时执行两个线程。

图形处理单元 (GPU) 用于加速和增强计算机图形和处理后的图像。GPU 是一种特殊的电子电路，可用于主板、个人电脑和游戏机。

人们有时会认为，既然 CPU 技术已经很成熟，那么它就必定会停滞不前。然而，有大量证据表明，随着新产品的不断推出，创新仍在持续进行，所有产品都在尝试提供最好的 CPU（或微处理器）。以下几家公司就一再证明了这一点：

• Advanced Micro Devices (AMD)：自 2017 年成立以来，AMD 一直在制造 Ryzen 微处理器。知名的 AMD Ryzen 产品（例如 Ryzen 7、Ryzen 9）因能可靠地提供高速游戏动作而受到视频游戏玩家的青睐，而 Ryzen 5 1600 处理器在软件开发人员中也获得了很高的评价。
  
  
• Qualcomm：从纯粹的制造能力来看，Qualcomm 目前在 CPU 领域领先于众多供应商。截至 2024 年 5 月，计算机点击率样本显示，Qualcomm 的点击率达到了惊人的 37.4%，是其最接近的竞争对手的两倍多。
  
  
• ARM：在这个市场中，速度是驱动力。尽管 ARM 实际上并不生产微处理器，但它提供了一种许可和使用其芯片技术的方式，因此第三方公司可以确保从 ARM 设计的微处理器所提供的超快处理时间中获益。
  
  
• Intel：Intel 自 1975 年开始生产芯片，几十年来一直是计算机芯片生产领域的领先品牌。Intel Core i5（2009 年推出）等处理器能够与需要更多处理能力的程序（如视频编辑程序和软件开发程序）完美兼容。