微处理器工作原理

您在浏览本页面时使用的计算机便通过微处理器来完成其工作。微处理器是所有标准计算机的心脏，无论该计算机是桌面计算机、服务器还是笔记本电脑。您正在使用的微处理器可能是奔腾、K6、PowerPC、Sparc或者其他任何品牌和类型的微处理器，但是它们的作用大体相同，工作方式也基本类似。

如果您曾经疑惑计算机中的微处理器是干什么用的，或者对各种类型的微处理器之间的差异感到迷惑，请继续阅读下面的内容。在本文中，您将了解到简简单单的数字逻辑电路技术如何让计算机完成诸如玩游戏或是对文档进行拼写检查的工作。

Intel4004芯片

微处理器（又称为CPU或中央处理单元）是装配在单颗芯片上的一个完整的计算引擎。第一颗微处理器是1971年问世的Intel 4004。4004的能力不算强大_它只能执行加减运算，而且每次只能对4位的数据进行运算。但是它是一个很奇妙的产品，因为所有东西都集成在一颗芯片中。在4004出现之前，工程师们要么使用一堆芯片来制造计算机，要么使用零散部件来搭建出计算机（一次连接一个晶体管）。4004曾被用来生产第一款便携式电子计算器。

Intel8080

使计算机进入寻常百姓家的第一款微处理器是Intel 8080，它是一个完整的8位计算机芯片，于1974年问世。而迅速在市场中走红的第一款微处理器则是1979年推出的Intel 8088，大概在1982年左右面世的IBM PC便使用了此微处理器。如果您熟悉PC市场及其历史，便会知道PC市场经历了从8088到80286、80386、80486，再到奔腾、奔腾II、奔腾III乃至奔腾4的发展过程。所有这些微处理器都是由英特尔制造的，而且都是对8088基本设计的改进。奔腾4可以执行最初的8088所能运行的所有代码，但是它的速度是8088的5000倍。

微处理器的发展过程：Intel

下表可帮助您了解 Intel 在不同时间推出的不同处理器之间的差异。

名称	日期	晶体管数量	微米	时钟频率	数据宽度	MIPS
8080	1974	6,000	6	2 MHz	8位	0.64
8088	1979	29,000	3	5 MHz	16位 8 位总线	0.33
80286	1982	134,000	1.5	6 MHz	16位	1
80386	1985	275,000	1.5	16 MHz	32位	5
80486	1989	1,200,000	1	25 MHz	32位	20
奔腾	1993	3,100,000	0.8	60 MHz	32位 64位总线	100
奔腾 II	1997	7,500,000	0.35	233 MHz	32位 64位总线	~300
奔腾 III	1999	9,500,000	0.25	450 MHz	32位 64位总线	~510
奔腾 4	2000	42,000,000	0.18	1.5 GHz	32位 64位总线	~1,700
奔腾 4“Prescott”	2004	125,000,000	0.09	3.6 GHz	32 位 64 位总线	~7,000

数据来自Intel微处理器快速参考指南和TSCP基准测试成绩

与此表有关的信息：

什么是芯片？芯片又称集成电路。通常，它是一个很小、很薄的硅片，上面蚀刻有组成微处理器的晶体管。芯片可能只有2.5厘米见方大小，但是却包含几千万个晶体管。较简单的处理器可能在几毫米见方的芯片上刻有几千个晶体管。

• 日期是该款处理器首次推出的年份。许多处理器会在首次发布之后在多年中不断推出具有更高时钟频率的型号。
• 晶体管数量是指芯片上晶体管的数量。可以看到，芯片上包含的晶体管数量在逐年稳步上升。
• 微米是指芯片上最细的电路的宽度（单位为微米）。可以用人的头发做个比较，头发的宽度为100微米。随着芯片外形尺寸不断缩小，晶体管数量却在不断增加。
• 时钟频率是指芯片的最大时钟速度。我们将在下一节中详细介绍时钟频率。
• 数据宽度是指 ALU的宽度。8位的ALU可以对两个8位（8比特）数字进行加减乘除运算，而32位的ALU可以计算32位的数字。8位ALU如果要对两个 32位数字进行加法操作，必须执行四条相加指令，而32位ALU则只需要执行一条指令。很多情况下，外部数据总线的宽度与ALU相同，但也有不同的情况。8088的ALU为16位，而总线为8位，而现代的奔腾处理器的数据总线宽度为64位，ALU为32位。
• MIPS代表“每秒百万条指令”，是衡量CPU性能的粗略标准。对于现代 CPU的许多工作，MIPS指标在很大程度上已经失去了意义，但是您可以将它作为一个大致的量度，根据本栏中的数据来了解CPU的性能强弱。

从本表中可以看到，总体来说，时钟频率和MIPS之间存在一定关系。最大时钟频率与制造工艺和芯片内的延迟密切相关。此外，在晶体管数量和MIPS之间也存在一定联系。例如，8088的时钟频率为5MHz，但是只能以0.33MIPS的速度执行指令（大约每15个周期执行1条指令）。现代的处理器经常可以在每个时钟周期内执行两条指令。这种能力改进与晶体管的数量有直接关系，我们将在下一节中对此加以讨论。