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CPU是什么?

CPU是什么?

CPU是什么?中央处理器 (英语:Central Processing Unit,缩写:CPU)是计算机的主要设备之一,功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。1970年代以前,中央处理器由多个独立单元构成,后来发展出由集成电路制造的中央处理器,这些高度收缩的组件就是所谓的微处理器,其中分出的中央处理器最为复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元,也就是所谓的核心。

中央处理器广义上指一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。这个空泛的定义很容易地将在“CPU”这个名称被普遍使用之前的早期计算机也包括在内。无论如何,至少从1960年代早期开始(Weik 1961),这个名称及其缩写已开始在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比,“中央处理器”在物理形态、设计制造和具体任务的执行上有了极大的发展,但是其基本的操作原理一直没有改变。

早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是,这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代,随着集成电路的出现而加速。IC使得更为复杂的中央处理器可以在很小的空间中设计和制造(在微米的数量级)。中央处理器的标准化和小型化都使这一类电子零件在现代生活中的普及程度越来越高。现代处理器出现在包括从汽车、手机到儿童玩具在内的各种物品中。

在现今的CPU出现之前,如同ENIAC之类的计算机在执行不同程序时,必须经过一番线路调整才能启动。由于它们的线路必须被重设才能执行不同的程序,这些机器通常称为“固定程序计算机”(fixed-program computer)。而由于CPU这个词指称为执行软件(计算机程序)的设备,那些最早与储存程序型计算机一同登场的设备也可以被称为CPU。

储存程序型计算机的主意早已体现在ENIAC的设计上,但最终还是被省略以期早日完成。在1945年6月30日,ENIAC完成之前,著名数学家冯·诺伊曼发表名为”关于EDVAC的报告草案”的论文。它揭述储存程序型计算机的计划将在1949年正式完成(冯·诺伊曼1945)。EDVAC的目标是执行一定数量与种类的指令(或操作),这些指令结合产生出可以让EDVAC执行的有用程序。特别的是,为EDVAC而写的程序是储存在高速计算机内存中,而非由实体线路组合而成。这项设计克服了ENIAC的某些局限——即花费大量时间与精力重设线路以执行新程序。在冯·诺伊曼的设计下,EDVAC可以借由改变内存储存的内容,简单更换它执行的程序(软件)。

值得注意的是,尽管冯·诺伊曼由于设计了EDVAC,使得他在发展储存程序型计算机上的贡献最为显著,但其他早于他的研究员如康拉德·楚泽(Konard Zuse)也提出过类似的想法。另外早于EDVAC完成,利用哈佛架构制造的马克一号,也利用打孔纸带而非电子内存用作储存程序的概念。冯·诺伊曼架构与哈佛架构最主要的不同在于后者将CPU指令与资料分开存放与处置,而前者使用相同的内存位置。大多近代的CPU依照冯·诺伊曼架构设计,但哈佛架构一样常见。

身为数位设备,所有CPU处理不连续状态,因此需要一些转换与区分这些状态的基础组件。在市场接受晶体管前,继电器与真空管常用在这些用途上。虽然这些材料速度上远优于纯粹的机械构造,但是它们有许多不可靠的地方。例如以继电器建造直流时序逻辑回路需要额外的硬件以应付接触点跳动问题。而真空管不会有接触点跳动问题,但它们必须在启用前预热,也必须同时停止运作。通常当一根真空管坏了,CPU必须找出损坏组件以置换新管。因此早期的电子真空管式计算机快于电子继电器式计算机,但维修不便。类似EDVAC的真空管计算机每隔八小时便会损坏一次,而较慢较早期的马克一号却不太发生故障(Weik 1961:238)。但在最后,由于速度优势,真空管计算机主宰了当时的计算机世界,尽管它们需要较多的维护照顾。大多早期的同步CPU,其时钟频率低于近代的微电子设计(见下列对于时钟频率的讨论)。那时常见的时钟频率为10万赫兹到4百万赫兹,大大受限于内建切换设备的速度。