2.1.2　中央处理器

中央处理器（CPU）是计算机的最核心部分，它由运算器和控制器组成。

1．运算器

运算器的核心部件是算术逻辑运算部件（ALU），ALU由移位器和一些暂存数据的寄存器组成，它的功能是完成算术运算和逻辑运算。

算术运算是指各种数值运算，其核心是加法运算，减法运算可以通过补码运算化为加法运算，加法运算和移位的配合可以实现乘除运算，阶码运算与尾数运算的组合可以实现浮点运算。

逻辑运算主要是指对某一个或某几个结果的是非因果或比较判断的非数值运算。最基本的逻辑运算有逻辑与（AND）、逻辑或（OR）、逻辑非（NOT）三种，其他的逻辑运算都由这三种基本逻辑运算组合演变而成。

2．控制器

计算机对信息的处理（戓计算），控制器对计算机的控制，都是通过执行程序指令来实现的。而执行一条指令所需的时间称为指令周期，它占用一个或若干个时钟周期。不同的指令其指令周期可能会不同。时钟周期则是由控制器中的脉冲部件决定。计算机一加电，脉冲部件开始工作，以一定的频率送脉冲信号作为整个计算机工作的时钟脉冲。每秒钟产生的脉冲次数，称为时钟频率，每次脉冲所经历的时间，称为时钟周期。

程序编制好后要预先通过输入设备输入到计算机中并存放在存储器中，控制器的作用就是执行指令，运行程序，以此来指挥计算机各部件协调地工作，保证数据、信息的处理有目的有步骤进行。其执行程序的过程大致如下：

取指令：当程序被装入内存后，首先根据程序入口取出第一条指令，将其放入指令寄存器（IR）中，以供以后使用。

分析指令：或称为解释指令、指令译码。它对指令寄存器中的指令进行分析，得出要进行什么操作，并形成相应的操作控制命令，同时还要计算出操作数地址。

执行指令：根据上面分析指令时产生的操作命令和操作数地址，由时序控制信号形成部件形成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输入/输出设备的执行，实现各条指令的功能。同时计算出下一条将要执行的指令在内存中的地址，并将该地址装入程序计数器（PC）中，以供取出下一条指令使用。

这样，一条指令执行所用的时间，称为一个指令周期，它可以是一个或几个时钟周期。控制器就是控制计算机不断重复执行上述三种基本操作：取指令、分析指令、执行指令……直至遇到停机指令或外来的干预为止。它实质上就是告诉计算机先做什么，后做什么，怎样做。此外控制器还要控制程序和数据的输入与处理结果的输出以及在工作中的异常情况和某些请求的处理。

3．微处理器简介

微处理器的产生可以追溯到1971年。当时，INTEL公司尚在发展阶段，它推出了世界上第一颗微处理器——4004芯片，当时该芯片上含有2300个晶体管，是一种4位微处理器，功能有限，性能低下，被不屑一顾。但这是第一个被用于计算器的4位处理器，也是第一款个人能买得起的微处理器，它的产生具有划时代的意义。以后Intel公司推出8008、8080、8086/8088、80286、80386、80486等微处理器。

1993年3月，Intel公司推出了微处理器Pentium（奔腾，Pentium在拉丁文中即为“五”的意思），其内部晶体管数目达310万个，时钟频率也从60 MHz到200 MHz多达10多种，且超频性能良好。以下是奔腾产品之后出现的比较典型的微处理器：

Pentium Pro/K6：1996年，Intel公司推出了Pentium Pro（高能奔腾），以再次提高其处理器的性能。该类CPU片内集成550万个晶体管，主频从133MHz到200MHz；1997年推出Pentium MMX（多媒体扩展指令），使CPU对多媒体信息处理的性能全面优化。在此期间，AMD公司也研制出其K6芯片，其性能与Pentium Pro相差不大。

PentiumⅡ/K6-2：1997年，Intel继推出Pentium Pro之后，在对手的强大攻势面前，又迅速推出新构架的PentiumⅡ微处理器，片内集成晶体管数达750万个，时钟频率从233MHz 到450MHz。同时期还推出产品Celeron，作为PentiumⅡ的简化版进军低端市场。AMD公司也在1998年中推出带有3D Now!指令的K6－2，性能经过优化后甚至超过Pentium Ⅱ。

PentiumⅢ/ Athlon：1999年2月，INTEL在新技术需求的刺激下，研制出又一划时代的产品PentiumⅢ微处理器，该处理器内部新增了70条旨在提升3D、音频、视频和语音识别能力的SSE指令，时钟频率从450MHz到1GHz以上。AMD在1999年8月也出炉一款新微处理器－K7（Athlon）与Intel的PentiumⅢ相较量。同年10月Intel又报以Copperm ine核心的新PentiumⅢ，次年6月，AMD也还以Thunderbird（雷鸟）核心的Athlon。在低端市场产品上，Intel的Celeron与AMD 的Duron也竞争不息。

PentiumⅣ/Athlon XP：2000年11月20日，Intel的Pentium4出场，时钟频率从1.3GHz开始；2001年，AMD也产生新的微处理器Athlon XP，与Pentium4不相上下。

移动处理器：为了便于携带，笔记本电脑便应运而生，但由于其体积小，在携带使用的过程中由电池供电，因此要求移动处理器一方面在工作的过程中产生的热量较少，另一方面，功耗比较低，因此在许多笔记本电脑中使用的CPU其设计有别于同一时代的台式机CPU。在移动处理器产品中，有用于低端产品的CⅢ（由台湾的威盛公司在收购Cyrix公司后研制），有典型的低功耗产品全美达（Transmeta），而由Intel公司研制的采用了迅驰（Centrino）移动计算技术的处理器Pentium M，更是集高性能、低功耗与无线上网于一体的典型移动处理器。功能更强的迅驰二代也已上市。其他的如AMD的Athon XP-M处理器也是面向移动领域高性能处理器。

64位微处理器：在PentiumⅢ时代，Intel公司就研制了面向高端服务器的64位处理器——安腾（Itanium），其采用64位总路线结构，大大提高了处理器性能，一直到现在的ItaniumⅡ。但是Itanium处理器不兼容32位处理器指令，以至于它要运行32位程序必须通过软件的支持。而AMD公司在2003年也研制出可兼容32位指令的64位处理器Opteron，它在高性能处理器领域的出现备受欢迎，同时AMD公司还研制出64位的移动处理器Athlon 64-M。这些处理器中集成的晶体管数目已经上亿。

超线程微处理器：单靠提高处理器的主频和增加其缓存来提高CPU的性能在实现技术上出现了较大的难度，于是Intel公司就提出了另外一个思路：超线程（Hyper-Threading）技术，将一个物理上的CPU内核模拟成两个逻辑上的内核，这样，应用程序的不同线程在同一时间内通过共享CPU中的资源（如ALU、FPU和L2 Cache等），可以使用CPU内的不同部分，来提高CPU的利用率，从而提高CPU性能。由于是共用CPU的资源，如果一旦二个线程都需要CPU的同一资源时，其中一个线程则要停下来等待另一个线程。

双核处理器：在一个CPU上包含了两个物理内核，每个内核都拥有各自的资源，每个内核可以独立地执行线程而不必像超线程技术那样为使用共享资源而等待对方的现象。目前比较普遍使用的双核CPU如Intel的Core Duo(酷睿)及AMD的Athlon 64 X2等。

图2.1.3　基于龙芯2E的迷你电脑主机

龙芯：由我国科研人员自主硬性研发的、具有自主知识产权的通用CPU“龙芯1号”于2002年9月问世，其指令系统采用MIPSⅢ32位指令兼容模式，当时最高主频达266MHz，相当于PentiumⅡ。“龙芯2号”采用64位总线，7～10级流水线结构，性能有了更大的提高。图2.1.3便是一台迷你电脑主机，它采用的CPU正是龙芯2E。