发布日期：2024 年 6 月 10 日
撰稿人：Josh Schneider、Ian Smalley
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。这一突破性器件由 Federico Faggin 设计，它不仅仅回应了日本电子产品制造商 Busicom 为其计算器提供 12 个定制微芯片的请求。同时还具有里程碑意义，它彻底改变了我们对计算的看法，因为 Intel 打造出了一个通用逻辑器件，而不是单独制造 12 个芯片。
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提供了动力支持。
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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。
- 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”，主要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，就是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。
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如下：
- 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重要组件，它提供了一个容纳不同层级内存（高速缓存、寄存器、RAM）的结构，以提高数据访问和检索的速度。
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。
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。
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。
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。
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严格来说也属于 ASIC。
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。强大的 GPU 微处理器对于高端游戏至关重要，另外也常用于加密货币挖掘，并且众所周知其功耗较高。
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，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。
IBM AIX 是 IBM 专有的 Unix 操作系统，专为在 IBM Power 服务器上运行而设计。AIX on Power 通过混合云和开源功能持续推动创新，从而帮助企业在弹性的安全环境中构建和部署现代化应用程序。
将企业级服务器作为 IT 基础架构战略的基础，实现与选定基础架构的集成，并在混合云（本地或云端）中将工作负载部署和移动到所需的位置。开辟一条切实可行、低风险且与现有 IT 基础架构无缝衔接的路径，为创新奠定基础。
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中央处理器 (CPU) 是计算机的主要功能组件。CPU 是一组电子电路的集合，运行着计算机的操作系统和应用程序，并管理各种其他计算机操作。
数据存储是指用于记录和保留数字信息，以备当前或未来使用的磁性、光学或机械介质。
微控制器单元 (MCU) 本质上是单芯片上的一个小型计算机。它旨在管理嵌入式系统内的特定任务，且无需复杂的操作系统。
现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种多功能集成电路，可在硬件级别进行编程，以用于高性能计算 (HPC) 和原型设计等不同用途。
现场可编程门阵列 (FPGA) 和微控制器单元 (MCU) 是两种通常用于嵌入式系统和数字设计的集成电路 (IC)，常拿来进行对比。FPGA 和微控制器均可视为可以集成到设备和大型系统中的“小型计算机”。
图形处理单元又称为图形处理器或 GPU，是一种旨在加速各种设备（包括显卡、主板、手机和个人计算机 (PC)）上的计算机图形和图像处理的电子电路。