a处理器的内部和外部：基本概念？

什么是处理器，为什么如此重要
晶体管，一切的元凶
处理器的外部部件
冯·诺依曼建筑
多核处理器
处理器的内部部件（x86）
控制单元
算术逻辑单元
浮点单位
记录
快取记忆体
入站和出站巴士
BSB，输入/输出单元和乘法器
IGP或内置显卡
关于处理器部分的结论

当然我们都大致知道CPU是什么，但是我们真的知道处理器的组成部分是什么吗？每一个主要的元素都是必需的，这对于这个小正方形的硅片来说是必须的，它能够处理大量信息，能够将人类转移到一个没有电子系统将彻底崩溃的时代。

处理器已经成为我们日常生活的一部分，尤其是在过去20年中出生的人们。 许多人已经与技术完全融合在一起 ，更不用说将智能手机而不是面包带在怀里的小孩子们了。在所有这些设备中，都有一个共同的元素称为处理器 ，它负责为计算机提供“智能”。我们周围的机器 。如果这个元素不存在，简而言之，计算机，移动设备，机器人和装配线也不会每个人都有工作……但是不可能到达我们制造它们的地方，仍然没有像“黑客帝国”这样的世界，但是一切都会过去。

内容索引

什么是处理器，为什么如此重要

首先，我们必须意识到， 不仅计算机内部装有处理器 。所有电子设备都具有一个充当处理器的元件， 无论是数字时钟，可编程自动机还是智能手机。

但是，当然，我们还必须意识到，根据处理器的功能和制造的产品， 处理器可能会或多或少地变得复杂 ，从简单地执行一系列二进制代码来点亮LED面板到处理大量信息 ， 包括从中学习 （机器学习和人工智能）。

西班牙语中的CPU或中央处理器是一种能够执行程序中包含的任务和指令的电子电路 。这些指令被大大简化，并归结为基本的算术计算 （加，减，乘和除）， 逻辑运算 （AND，OR，NOT，NOR，NAND） 以及输入/输出 （I / O）控制。设备。

然后，处理器是负责执行构成程序指令的所有操作的元素。如果我们从机器的角度出发， 这些操作将简化为零和一的简单链（称为位），它们代表当前/非当前状态 ，从而形成甚至人类都能够执行的二进制逻辑结构。通过机器代码 ，汇编器或更高级别的编程语言来理解和编程。

晶体管，一切的元凶

如果不是晶体管的话，处理器将不复存在，至少不会这么小。 可以说，它们是任何处理器和集成电路的基本单元 。它是一种闭合或断开电路或放大信号的半导体器件 。这样，就可以创建CPU理解的二进制语言“ 1”和“ 0”。

这些晶体管起初是真空阀 ，是大型灯泡状设备， 能够执行晶体管自己的换向，但真空中具有机械元件。 ENIAC或EDVAC之类的计算机内部装有真空阀，而不是晶体管，它们非常大 ，实际上消耗着一个小城市的能源。这些机器是第一台采用冯·诺依曼（Von Neumann）架构的机器 。

但是在1950年代至1960年代，第一个晶体管CPU开始被制造出来-实际上，这是IBM在1958年用IBM 7090创造了第一台基于半导体晶体管的机器。自从那时以来，变化是惊人的， 借助英特尔8086 CPU ，诸如英特尔和后来的AMD之类的制造商开始为台式计算机创建第一个处理器 ，实现了革命性的x86架构 。实际上，即使在今天， 我们的台式机处理器也基于此架构 ，稍后我们将看到x86处理器的各个部分。

此后，架构开始变得越来越复杂，使用了较小的芯片，并且首先在内部引入了更多的内核 ，然后是专门用于图形处理的内核 。在这些小型芯片中甚至引入了称为高速缓存的超快速存储库以及与主存储器RAM的连接总线。

处理器的外部部件

在简短回顾了处理器的历史直到今天，我们将看到当前处理器具有哪些外部元素 。我们正在谈论的是可以触及并基于用户的物理元素。这将帮助我们更好地了解处理器的物理和连接需求。

插座

CPU插槽是固定安装在主板上的机电系统 ， 负责将处理器与主板和计算机上的其他元件互连 。市场上有几种基本类型的插座，也有许多不同的配置。 您的名称或名称中包含三个要素，这将使我们了解我们在谈论的是哪一个：

对于个人计算机， 制造商可以是Intel或AMD ，这很容易理解。至于连接的类型，我们有三种不同的类型：

LGA ：（ 网格触点阵列 ），表示触点引脚安装在插槽本身中，而CPU仅具有扁平触点阵列。 PGA ：（ 针的网格阵列 ），与前一个针正好相反，它是处理器，具有针，插座上有插入针的孔。 BGA ：（ 球栅阵列 ），在这种情况下，处理器直接焊接到母板上。

至于最后一个数字，它标识CPU与插槽的分配类型或连接引脚数 。英特尔和AMD中都有大量此类产品。

基材

基板基本上是PCB，安装了包含芯电子电路的硅芯片 ，称为DIE。当今的处理器可能会单独安装多个这些元素 。

而且，这个小的PCB 包含整个连接引脚矩阵和主板的插座，几乎总是镀金以改善电流传输，并具有电容器形式的过载和电流浪涌保护。

模具

DIE恰好是包含处理器的所有集成电路和内部组件的正方形或芯片 。从视觉上看，它是一个小的黑色元素，从基板突出并与散热元件接触 。

因为整个处理系统都在其中，所以DIE会达到难以置信的高温 ，因此必须由其他元件加以保护。

IHS

也称为DTS或集成热扩散器 ，其功能是捕获处理器核心的所有温度，并将其转移到此元件已安装的散热器中。它由铜或铝制成 。

该元件是保护DIE免受外界影响的薄片或封装， 可以通过导热膏直接接触DIE 或直接焊接 。在定制游戏设备中， 用户删除此IHS即可使用液态金属化合物中的导热膏将散热器直接与DIE接触。 此过程称为“释放” ，其目的是显着提高处理器温度。

散热片

最后的元素负责吸收尽可能多的热量并将其传递到大气中 。它们是由铝和铜基制成的小块或大块，配有风扇，通过强制散热片流过散热片，有助于冷却整个表面。

每个PC处理器都需要一个散热器才能发挥作用并保持其温度处于受控状态。

好吧，这些是处理器的外部组件，现在我们将看到最技术性的部分，即内部组件。

冯·诺依曼建筑

当今的计算机基于冯·诺伊曼（Von Neumann）的体系结构，冯·诺伊曼（Nonmann ） 是负责将1945年历史上第一台计算机赋予生命的数学家 。这种体系结构基本上是计算机元素或组件的分布方式，从而可以进行操作 。它包括四个基本部分：

程序和数据存储器 ：它是要在处理器中执行的指令所存储的元素。它由存储驱动器或硬盘驱动器，随机访问RAM以及包含指令本身的程序组成。 中央处理单元或CPU ：这是处理器，控制和处理来自主存储器和输入设备的所有信息的单元。 输入和输出单元 ：允许与连接到中央单元的外围设备和组件进行通信。从物理上讲，我们可以将它们标识为主板的插槽和端口 。 数据总线 ：是物理连接各个元素的轨道， 轨道或电缆，在CPU中，它们分为控制总线，数据总线和地址总线 。

多核处理器

在我们开始列出处理器的内部组件之前， 了解处理器的核心是什么以及它们在其中的功能非常重要。

处理器的核心是集成电路，它负责对通过它的信息进行必要的计算 。每个处理器均以一定的频率（ 以MHz为单位）运行 ，该频率指示其能够执行的操作次数 。好吧，当前的处理器不仅具有内核，而且还具有多个处理器，它们都具有相同的内部组件，并且能够在每个时钟周期中同时执行和求解指令 。

因此，如果核心处理器可以在每个周期中执行一条指令（如果它有6条指令），那么它可以在同一周期中执行6条指令。 这是性能上的巨大提升 ，而这正是当今处理器的功能。但是，我们不仅拥有核心， 还拥有处理线程 ，就像处理程序线程在其中循环的一种逻辑核心一样。

请访问我们的文章：处理器的线程是什么？与原子核的差异可以使您对这个问题有更多的了解。

处理器的内部部件（x86）

微处理器体系结构和配置有很多不同， 但是我们感兴趣的是计算机内部的一种，这无疑是获得x86名称的一种。我们可以从物理上或示意图上直接看到它，使它更清晰一些，因为所有这些都在DIE中 。

我们必须记住，控制单元，算术逻辑单元，寄存器和FPU将出现在每个处理器内核中。

首先让我们看一下主要的内部组件：

控制单元

用英文称为Conrol Unit或CU ，它负责指导处理器的操作。它通过以控制信号的形式向RAM ， 算术逻辑单元以及输入和输出设备发出命令来做到这一点，以便他们知道如何管理发送到处理器的信息和指令。例如，他们收集数据，执行计算并存储结果。

该单元可确保其余组件使用时钟和定时信号同步工作 。几乎所有处理器都在内部包含此单元，但可以说它不在处理本身的核心范围之内。反过来，我们可以在其中区分以下几部分：

时钟（CLK） ：它负责产生一个使内部组件同步的方波信号。元素之间还有其他时钟负责这种同步，例如乘法器，我们将在后面看到。 程序计数器（CP） ：包含要执行的下一条指令的存储器地址。 指令寄存器（RI） ：保存正在执行的指令音序器和解码器 ：通过命令解释并执行指令

算术逻辑单元

您一定会以其缩写词“ ALU”知道这一点。 ALU 负责使用位级别的整数执行所有算术和逻辑运算 ，该单元直接与指令（ 操作数 ）以及控制单元指示其执行的操作（ 运算符 ）一起工作。

操作数可以来自处理器的内部寄存器 ，也可以直接来自RAM存储器 ，甚至可以通过其他操作在ALU本身中生成操作数。它的输出将是运算的结果，即将存储在寄存器中的另一个字 。这些是其基本部分：

入口寄存器（REN） ：将要评估的操作数保存在其中。 操作代码 ：CU向操作员发送操作，以便执行累加器或结果 ：操作结果以二进制字状态寄存器（标志）的形式从ALU中输出：它存储了在操作期间要考虑的不同条件。

浮点单位

您将把它称为FPU或Floating Point Unit 。基本上，这是由新一代处理器执行的更新，专门用于使用数学协处理器计算浮点运算 。有些单位甚至可以进行三角或指数计算。

基本上，这是一种提高图形处理中处理器性能的方法，与常规程序相比， 图形处理中要执行的计算量更大，更复杂。在某些情况下，FPU的功能由ALU本身使用指令微码来执行 。

记录

可以说，当今的处理器拥有自己的存储系统 ，而最小，最快的单元是寄存器。基本上，这是一个小型仓库， 用于存储正在处理的指令和从指令中获得的结果。

快取记忆体

下一级别的存储是高速缓存，这也是非常快的内存 ，远远超过负责存储处理器即将使用的指令的RAM内存。或者至少您将尝试存储您认为将要使用的指令，因为有时别无选择，只能直接从RAM请求它们。

当前处理器的缓存已集成到处理器的同一DIE中，并分为三个级别：L1，L2和L3 ：

一级缓存（L1） ：它是仅次于日志的最小缓存，是三者中最快的。 每个处理核心都有自己的L1缓存 ，后者又被分为两个部分：负责存储数据的L1数据和存储要执行的指令的L1指令 。通常每个32KB 。 二级缓存（L2） -此内存比L2慢，但也更大。通常， 每个内核都有自己的L2，大约为256 KB ，但是在这种情况下，它没有直接集成到内核电路中。 3级缓存（L3） ：这是三个中最慢的， 尽管比RAM快得多 。它也位于原子核之外，并分布在几个原子核之间。 它的范围在8 MB到16 MB之间，尽管在功能非常强大的CPU中它可以达到30 MB。

入站和出站巴士

总线是组成计算机的不同元素之间的通信通道 。它们是数据以电力，指令和处理所必需的所有元素形式流通的物理线路。 这些总线可以直接放置在主板上的处理器内部或外部 。计算机上有三种总线：

数据总线 ：无疑是最容易理解的，因为它是不同组件之间发送和接收的数据在处理器之间传递的总线。这意味着它是双向总线，并通过它循环长度为64位 （处理器能够处理的长度）的字 。数据总线的一个示例是LANES或PCI Express线 ，它们将CPU与PCI插槽（例如用于图形卡）进行通信。地址总线：地址总线不循环数据， 而是存储地址以定位存储在存储器中的数据的位置 。 RAM就像一个分成单元的大型数据存储，每个单元都有其自己的地址。 处理器将通过发送内存地址向内存询问数据 ，该地址必须与具有RAM内存的单元一样大。当前，处理器可以寻址多达64位的内存地址，也就是说， 我们可以处理多达2 ^64个单元的内存 。控制总线：控制总线负责管理前两条总线 ，它们使用控制和定时信号来同步高效地使用往返处理器的所有信息。就像是机场的空中交通管制塔楼。

BSB，输入/输出单元和乘法器

重要的是要知道， 当前的处理器没有传统的FSB或Front Bus，它们用于通过北桥和南桥与CPU的其余部分（例如，芯片组和外围设备）进行CPU通信。这是因为总线本身已作为输入和输出（I / O）数据管理单元插入到CPU中，直接将RAM与处理器进行通信，就好像它是旧的北桥一样。 AMD的HyperTransport或英特尔的HyperThreading等技术负责管理高性能处理器上的信息交换。

BSB或“后侧总线”是负责将微处理器与其自身的高速缓存 （通常为L2 的高速缓存）连接的总线。这样一来，前端总线就可以摆脱很大的负载，从而使高速缓存的速度更加接近内核的速度。

最后，我们有乘法器 ，它们是位于处理器内部或外部的一系列元素， 负责测量CPU时钟与外部总线的时钟之间的关系。 至此，我们知道CPU已通过总线连接到RAM，芯片组和其他外围设备等元素。由于有了这些乘法器， CPU频率可能比外部总线快得多 ，以便能够处理更多数据。

例如，乘以x10可以使工作在200 MHz的系统在CPU上工作于2000 MHz 。在当前的处理器中， 我们可以找到未锁定乘法器的单位 ，这意味着我们可以提高其频率，从而提高其处理速度。 我们称此为超频 。

IGP或内置显卡

为了完成处理器的各个部分，我们不能忘记其中某些部分带有的集成图形单元 。在我们看到FPU是什么之前，在这种情况下，我们面临的是类似的东西， 但是功能却要强大得多 ，因为基本上它们是一系列能够独立处理我们团队图形的核心 ，出于数学目的，它们是大量的浮点计算和图形渲染将占用大量处理器。

IGP具有与外部图形卡相同的功能 ，即我们在PCI-Express插槽上安装的图形卡 ，但尺寸或功率较小 。之所以称为集成图形处理器 ，是因为它是安装在同一处理器中的集成电路，从而减轻了这一系列复杂过程的中央单元的负担。当我们没有图形卡时，它将很有用，但是到目前为止，它的性能无法与之媲美。

AMD和Intel都有将IGP集成到CPU中的单元 ，因此称为APU （ 加速处理单元 ）。 i系列的几乎所有Intel Core以及AMD Athlon和一些Ryzen就是一个例子。