中央處理器(Central Processing Unit，CPU)，是電子計算機(jī)的主要設(shè)備之一。其功能主要是解釋計算機(jī)指令以及處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計算機(jī)的可編程性主要是指對CPU的編程。CPU、內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設(shè)備是現(xiàn)代電腦的三大核心部件。20世紀(jì)70年代以前，本來是由數(shù)個獨立單元構(gòu)成，後來發(fā)展出微處理器把CPU復(fù)雜的電路可以作成單一微小功能強(qiáng)大的單元。“中央處理器”這個名稱，是對一系列可以執(zhí)行復(fù)雜的-(計算機(jī)程序、電腦程式)-的邏輯機(jī)器的描述。這個空泛的定義很容易的將在“CPU”這個名稱被普遍使用之前的早期的計算機(jī)也包括在內(nèi)。無論如何，至少從20世紀(jì)60年代早期開始，這個名稱及其縮寫已開始在電子計算機(jī)產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。盡管與早期相比，“中央處理器”在物理形態(tài)、設(shè)計制造和具體任務(wù)的執(zhí)行上有了戲劇性的發(fā)展，但是其基本的操作原理一直沒有改變。

　　早期的中央處理器通常是為大型及特定應(yīng)用的計算機(jī)而訂制。但是，這種昂貴為特定應(yīng)用定制CPU的方法很大程度上已經(jīng)讓位于開發(fā)便宜、標(biāo)準(zhǔn)化、適用于一個或多個目的的處理器類。這個標(biāo)準(zhǔn)化趨勢始于由單個晶體管組成的大型機(jī)和微機(jī)年代，隨著集成電路的出現(xiàn)而加速。IC使得更為復(fù)雜的CPU可以在很小的空間中設(shè)計和制造(在微米的量級)。CPU的標(biāo)準(zhǔn)化和小型化都使得這一類數(shù)字設(shè)備在現(xiàn)代生活中的出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有限應(yīng)用專用的計算機(jī)?，F(xiàn)代微處理器出現(xiàn)在包括從汽車到手機(jī)到兒童玩具在內(nèi)的各種物品中。

　　CPU的組成結(jié)構(gòu)

　　CPU從邏輯上可以劃分成3個模塊，分別是控制單元、運算單元和存儲單元，這三部分由CPU內(nèi)部總線連接起來。如下所示：

　　控制單元

　　控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。

　　運算單元

　　可以執(zhí)行算術(shù)運算(包括加減乘數(shù)等基本運算及其附加運算)和邏輯運算(包括移位、邏輯測試或兩個值比較)。相對控制單元而言，運算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動作，即運算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。

　　存儲單元

　　包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，是CPU中暫時存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途，通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。

　　我們將上圖細(xì)化一下，可以得出CPU的工作原理概括如下：

　　CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。

　　CPU的運行原理

　　CPU的運行原理就是：

　　控制單元在時序脈沖的作用下，將指令計數(shù)器里所指向的指令地址(這個地址是在內(nèi)存里的)送到地址總線上去，然后CPU將這個地址里的指令讀到指令寄存器進(jìn)行譯碼。對于執(zhí)行指令過程中所需要用到的數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)地址也送到地址總線，然后CPU把數(shù)據(jù)讀到CPU的內(nèi)部存儲單元(就是內(nèi)部寄存器)暫存起來，最后命令運算單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工。周而復(fù)始，一直這樣執(zhí)行下去，天荒地老，海枯枝爛，直到停電。

　　1、取指令：CPU的控制器從內(nèi)存讀取一條指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是這個樣子滴：

　　操作碼就是匯編語言里的mov,add,jmp等符號碼;操作數(shù)地址說明該指令需要的操作數(shù)所在的地方，是在內(nèi)存里還是在CPU的內(nèi)部寄存器里。

　　2、指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作(就是指令里的操作碼)、操作數(shù)在哪里(操作數(shù)的地址)。

　　3、 執(zhí)行指令，分兩個階段“取操作數(shù)”和“進(jìn)行運算”。

　　4、 修改指令計數(shù)器，決定下一條指令的地址。

　　CPU主要性能指標(biāo)

　　主頻：

　　即CPU內(nèi)部核心工作的時鐘頻率，單位一般是兆赫茲(MHz)。這是我們最關(guān)心的一個參數(shù)，我們通常所說的233、 300、450等就是指它。對于同種類的CPU，主頻越高，CPU的速度就越快，整機(jī)的性能就越高。由于內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，不同種的CPU之間不能直接通過主頻來比較，而且高主頻的CPU的實際表現(xiàn)性能,還與外頻、緩存等大小有關(guān)，帶有特殊指令的CPU，則相對程度地依賴軟件的優(yōu)化程度。

　　外頻和倍頻數(shù)：

　　外頻即CPU的外部時鐘頻率。CPU的主頻與外頻的關(guān)系是：CPU主頻 = 外頻×倍頻數(shù)，外頻是由電腦主板提供的，486的外頻一般是33MHz，40MHz，Pentium主板的外頻一般是66MHz，也有主板支持75各83MHz。而目前Intel公司最新的芯片組440BX可以使用100MHz甚至更高的時鐘頻率。另外VIA公司的MVP3、MVP4，APPLO PRO 等一些非 Intel的芯片組也開始支持100MHz的外頻，一些主板由于技術(shù)精良，工藝先進(jìn)，可以超頻1/3以上穩(wěn)定使用，成為超頻愛好者的首選。Intel公司的下一代主板芯片將支持133MHz的外頻，AMD的K7甚至將使用200MHz的外頻。

　　內(nèi)部緩存(L1 Cache)：

　　采用速度極快的SRAM制作，與 CPU共同封裝于芯片內(nèi)部的高速緩存，用于暫時存儲CPU運算時的最近的部分指令和數(shù)據(jù)，存取速度與CPU主頻相同 (一般稱為全速) ， L1緩存的容量一般以KB為單位。L1緩存全速工作，其容量越大，使用頻率最高的數(shù)據(jù)和結(jié)果就越容易盡快進(jìn)入CPU進(jìn)行運算，CPU工作時與存取速度較慢的L2緩存和內(nèi)存間交換數(shù)據(jù)的次數(shù)越少，相對電腦的運算速度可以提高。486就因為集成了內(nèi)部Cache，速度比386快了許多。最早的486內(nèi)部一般有1K～8K的L1 Cache，現(xiàn)在的Pentium II的L1 Cache一般有32K，而Cyrix和AMD的芯片內(nèi)部有64K甚至更多。

　　二級緩存(L2 Cache)：

　　集成于CPU外部的高速緩存，L2 Cache 的一般容量是128K～2M。容量越大，系統(tǒng)的綜合性能越高。一般的 L2 Cache 運行于系統(tǒng)外頻或 CPU 主頻的一半，后來 Pentium Pro處理器采用的L2和CPU運行在相同頻率下，由于芯片成品率太低，成本昂貴，所以后來Pentium II的L2 Cache運行在相當(dāng)于CPU頻率一半下的，但容量增加為512K?，F(xiàn)在的至強(qiáng)處理器又采用了全速的L2 Cache，容量增大至512K到2M之間，以求性能獲得提高。沒有Cache的賽揚處理器，性能下降不少。

　　地址總線寬度：

　　地址總線寬度(地址總線的位數(shù))決定了CPU可以訪問的存儲器的容量,不同型號的CPU總線寬度不同,因而使用的內(nèi)存的最大容量也不一樣。

　　數(shù)據(jù)總線寬度：

　　數(shù)據(jù)總線寬度決定了CPU與內(nèi)存輸入∕輸出設(shè)備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘俊?/span>

　　CPU的外核

　　1、解碼器(Decode Unit)

　　這是x86CPU才有的東西，它的作用是把長度不定的x86指令轉(zhuǎn)換為長度固定的類似于RISC的指令，并交給RISC內(nèi)核。解碼分為硬件解碼和微解碼，對于簡單的x86指令只要硬件解碼即可，速度較快，而遇到復(fù)雜的x86指令則需要進(jìn)行微解碼，并把它分成若干條簡單指令，速度較慢且很復(fù)雜。好在這些復(fù)雜指令很少會用到。

　　Athlon也好，PIII也好，老式的CISC的x86指令集嚴(yán)重制約了他們的性能表現(xiàn)。

　　2、一級緩存和二級緩存(Cache)

　　一級緩存和二級緩存是為了緩解較快的CPU與較慢的存儲器之間的矛盾而產(chǎn)生的，一級緩存通常集成在CPU內(nèi)核。

　　高速緩沖存儲器Cache是位于CPU與內(nèi)存之間的臨時存儲器，它的容量比內(nèi)存小但交換速度快。在Cache中的數(shù)據(jù)是內(nèi)存中的一小部分，但這一小部分是短 時間內(nèi)CPU即將訪問的，當(dāng)CPU調(diào)用大量數(shù)據(jù)時，就可避開內(nèi)存直接從Cache中調(diào)用，從而加快讀取速度。由此可見，在CPU中加入Cache是一種高效的解決方案，這樣整個內(nèi)存儲器(Cache+內(nèi)存)就變成了既有Cache的高速度，又有內(nèi)存的大容量的存儲系統(tǒng)了。Cache對CPU的性能影響很大，主要是因為CPU的數(shù)據(jù)交換順序和CPU與Cache間的帶寬引起的。