▷什么是处理器及其工作原理

今天，我们将看到一些硬件。 我们的团队由大量能够存储和处理数据的电子组件组成。 处理器 ， CPU或中央处理器是其主要组件。 我们将讨论什么是处理器，它的组件是什么以及它如何工作。

准备好了吗 让我们开始吧！

内容索引

什么是处理器？

我们必须定义的第一件事是微处理器要了解其他所有信息。 微处理器是计算机或计算机的大脑，它由封装在由数百万个晶体管组成的硅芯片中的集成电路组成。 它的功能是处理数据，控制计算机中所有设备的操作，至少其中很大一部分是最重要的：最重要的是：它负责执行逻辑和数学运算。

如果我们意识到这一点，则流经我们机器的所有数据都是电脉冲，由称为位的1和0信号组成。 这些信号中的每一个都被分组为一组组成指令和程序的位。 微处理器负责执行以下基本操作：SUM，SUBTRACT，AND，或MUL，DIV，OPTIONITE和INVERSE。 然后我们要处理微处理器：

• 它解码并执行计算机主存储器中加载的程序指令。 协调和控制组成计算机及其所连接的外围设备，鼠标，键盘，打印机，屏幕等的所有组件 。

当前，处理器通常为正方形或矩形，并位于与主板相连的称为插座的元件上。 这将负责在处理器和与其连接的其余元件之间分配数据。

一台计算机的体系结构

在以下各节中，我们将看到处理器的整个体系结构。

冯·诺依曼建筑

自从微处理器发明到今天，它们基于一种将处理器分为几个元素的架构，我们将在后面看到。 这就是冯·诺依曼架构。 它是数学家冯·诺依曼（Von Neumann）于1945年发明的一种体系结构，该体系结构描述了分为一系列零件或元素的数字计算机的设计。

当前的处理器仍主要基于此基本体系结构，尽管在逻辑上已经引入了许多新元素，直到我们拥有了今天拥有的极其完整的元素为止。 可能在同一芯片上存在多个数字，各个级别的存储元件，内置图形处理器等。

电脑内部零件

根据此体系结构，计算机的基本部分如下：

• 内存：是计算机执行指令和指令所依据的数据的存储元素。 这些指令称为程序。 中央处理器或CPU：这是我们先前定义的元素。 它负责处理存储器中的指令输入和输出单元：允许与外部元件进行通信。 数据总线：是物理连接先前元素的轨道，轨道或电缆。

微处理器的要素

定义了计算机的主要部分并了解了信息如何通过计算机传播。

• 控制单元（UC）：负责通过控制信号（例如时钟）发出命令的元素。 它在主存储器中搜索指令，并将其传递给指令解码器以执行。 内部零件：
  1. 时钟：生成方波以同步处理器操作程序计数器：包含要执行的下一条指令的存储器地址指令记录：包含当前正在执行的指令音序器：生成要处理的基本命令教学。 指令解码器（DI）：它负责解释和执行到达的指令，提取指令的操作代码。

• 逻辑算术单元（ALU）：负责进行算术计算（SUM，SUBTRACTION，MULTIPLICATION，DIVISION）和逻辑运算（AND，OR，…）。 内部零件。
  1. 运算电路：它们包含执行操作的多路复用器和电路。 输入寄存器：数据在进入运算电路之前被存储和操作累加器：存储执行操作的结果状态寄存器（标志）：存储某些在后续操作中必须考虑的条件。

• 浮点单元（FPU）：该元素不是原始体系结构设计中的元素，后来随着图形表示程序的出现使指令和计算变得更加复杂时，引入了该元素。 该单元负责执行浮点运算，即实数。 记录库和缓存：当今的处理器具有从RAM到CPU桥接的易失性内存。 这比RAM快得多，并且负责加快微处理器对主存储器的访问。

• 前端总线（FSB）：也称为数据总线，主总线或系统总线。 它是使微处理器与主板（特别是与称为北桥或北桥）的芯片进行通信的路径或通道。 它负责控制主CPU总线，RAM和扩展端口（如PCI-Express）的运行，用于定义该总线的术语是：“快速路径互连”（对于Intel）和“超传输”（对于AMD）。

资料来源：sleeperfurniture.co

资料来源：ixbtlabs.com

• 背面总线（BSB）：只要未集成在CPU内核本身中，此总线就将2级缓存存储器（L2）与处理器进行通信。 当前，所有微处理器都将高速缓存存储在芯片本身中，因此该总线也是同一芯片的一部分。

两核或更多核微处理器

在同一处理器中，我们不仅将这些元素分布在内部，而且现在将它们复制。 我们将有几个处理核心，或者单元中有几个相同的微处理器。 这些缓存中的每一个都有各自的缓存L1和L2，通常L3成对或一起共享在它们之间。

除此之外，我们还将为每个内核配备一个ALU，UC，DI和FPU，因此速度和处理能力将取决于其拥有的内核数量。 新元素也出现在微处理器内部：

• 集成内存控制器（IMC）：现在，随着几个核的出现，处理器有了一个系统，可让您直接访问主内存。 集成GPU（iGP）-GPU处理图形处理。 这些大多是使用高密度位串的浮点运算，因此处理比普通程序数据复杂得多。 因此，有一些微处理器范围在其内部实现了专门用于图形处理的单元。

某些处理器（例如AMD Ryzen）没有内置显卡。 只是您的APU？

微处理器操作

处理器按指令工作，每个指令都是CPU能够理解的某个扩展名的二进制代码。

因此，程序是一组指令，要执行该程序，必须按顺序执行，即在每个步骤或一段时间内执行这些指令之一。 要执行一条指令，需要几个阶段：

• 指令搜索：我们将指令从内存带到处理器指令解码：指令被分为CPU 可以理解的更简单的代码操作搜索：将指令加载到CPU中后，您必须找到相应的运算符指令：执行必要的逻辑或算术运算保存结果：将结果缓存

每个处理器使用一组特定的指令，这些指令与处理器一起发展。 名称x86或x386是指处理器使用的指令集。

传统上，32位处理器也被称为x86，这是因为在这种体系结构中，它们已经使用了Intel 80386处理器的指令集，而Intel 80386处理器是第一个实现32位体系结构的处理器。

这组指令需要进行更新，以更有效地使用更复杂的程序。 有时，我们看到在运行程序的要求中出现了一组首字母缩写词，例如SSE，MMX等。 这些是微处理器可以处理的指令集。 因此，我们有：

• SSE（流式SIMD扩展）：它们使CPU能够处理浮点运算。 SSE2，SSE3，SSE4，SSE5等：对此指令集的不同更新。

处理器不兼容

我们都记得Apple操作系统何时可以在Windows或Linux PC上运行。 这是由于来自不同处理器的指令类型所致。 苹果使用PowerPC处理器，该处理器可与Intel和AMD以外的指令配合使用。 因此，有几种指令设计：

• CISC（复杂指令集计算机）：它是Intel和AMD使用的一种，它使用的是一组很少的指令，但是很复杂。 它们具有更高的资源消耗，是需要多个时钟周期的更完整的指令。 RISC（精简指令集计算机）：它是Apple，Motorola，IBM和PowerPC所使用的一种，它们是效率更高的处理器，具有更多的指令，但复杂度较低。

当前，两种操作系统都是兼容的，因为英特尔和AMD在其处理器中实现了架构的组合。

指令执行过程

1. 处理器在收到RESET信号后重新启动，这样系统将通过接收时钟信号进行准备，该时钟信号将决定处理的速度。在CP寄存器（程序计数器）中，存储器地址控制单元（UC）发出命令以获取RAM已存储在CP中的内存地址中的指令，然后RAM发送数据并将其放置在数据总线上，直到UC存储在RI（指令寄存器）中，由UC管理进程，然后将指令传递给解码器（D）以查找指令的含义。 然后，这将通过UC执行。一旦知道了指令并执行了什么操作，两者都被加载到ALU输入寄存器（RE​​N）中.ALU执行该操作并将结果放入数据总线和CP加1以执行以下指令。

如何知道处理器是否良好

要了解微处理器的好坏，我们必须查看它的每个内部组件：

母线宽度

总线的宽度决定了可循环通过的寄存器的大小。 该宽度必须与处理器寄存器的大小匹配。 通过这种方式，我们可以使总线的宽度代表它能够在单个操作中传输的最大寄存器。

与总线直接相关的还有RAM存储器，它必须能够以它们具有的宽度（称为存储字宽度）存储每个寄存器。

当前总线宽度为32位或64位时，我们可以拥有的东西，也就是说，我们可以同时传输，存储和处理32或64位的链。 每个32位可能为0或1，我们可以寻址2 ³² （4GB）的内存，而64位16 EB Exabytes。 这并不意味着我们的计算机上有16艾字节的内存，而是代表了管理和使用一定数量的内存的能力。 因此，32位系统只能寻址4 GB内存的著名限制。

简而言之，公交车越宽，工作能力越强。

快取记忆体

这些内存比RAM小得多，但速度更快。 它的功能是存储将要处理或最后处理的指令。 高速缓存内存越多，CPU可以拾取和删除的事务处理速度就越高。

在这里，我们必须意识到，到达处理器的所有东西都来自硬盘驱动器，这可以说比RAM慢得多，甚至比高速缓存还慢。 因此，这些固态存储器旨在解决硬盘驱动器的巨大瓶颈。

我们将问自己，为什么他们不仅制造大型缓存，答案也很简单，因为它们非常昂贵。

内部处理器速度

看着处理器，互联网速度几乎总是最引人注目的东西。 “处理器运行在3.2 GHz上，”但这是什么？ 速度是微处理器工作的时钟频率。 该速度越高，每单位时间可以执行的操作越多。 这转化为更高的性能，这就是为什么有一个高速缓存存储器，以加速处理器进行数据收集的原因，从而始终执行每单位时间的最大操作数。

该时钟频率由周期方波信号给出。 进行操作的最长时间为一个周期。 周期是频率的倒数。

但是，并非一切都是速度。 有许多因素会影响处理器的速度。 例如，如果我们有一个1.8 GHz的4核处理器和另一个4.0 GHz的单核，那么可以肯定四核更快。

巴士速度

就像处理器的速度很重要一样，数据总线的速度也很重要。 主板始终以比微处理器低的时钟频率工作，因此，我们将需要一个乘法器来调节这些频率。

例如，如果我们有一个总线频率为200 MHz的母板，那么10倍的乘法器将达到2 GHz的CPU频率。

微架构

处理器的微体系结构确定其中每单位距离的晶体管数量。 当前以nm（纳米）为单位测量该单位，其越小，可以引入的晶体管数量越多，因此，可以容纳更多数量的元件和集成电路。

这直接影响能量消耗，较小的设备将需要较少的电子流，因此与较大的微体系结构执行相同的功能将需要较少的能量。

资料来源：intel.es

零件冷却

由于CPU达到了巨大的速度，因此电流产生热量。 频率和电压越高，就会产生更多的热量，因此有必要冷却该组件。 有几种方法可以做到这一点：

• 被动冷却：通过金属散热片（铜或铝），通过散热片增加与空气接触的表面。 主动冷却：除了散热器之外，还安装了一个风扇，以在被动元件的散热片之间提供强制空气流通。

• 液体冷却：它包括由泵和翅片散热器组成的回路。 水通过位于CPU中的模块循环，液体元件收集产生的热量并将其传输到散热器，散热器通过强制通风散热，从而再次降低了液体温度。

一些处理器包括散热器。 通常它们没什么大不了的…但是它们可以使PC正常运行并同时进行改进

• 通过热管进行冷却：系统由充满流体的铜管或铝管的封闭回路组成。 该流体从CPU收集热量并蒸发，上升到系统顶部。 此时，有一个鳍状的散热器，该散热器将流体的热量从内部传递到外部空气，从而使流体凝结并滴落回CPU块。

我们推荐

到此，我们结束了有关什么是处理器以及如何工作的文章。 我们希望您喜欢它。