什么是 CPU,它有什么作用?

什么是 CPU?CPU 或中央处理单元(Central Processing Unit)是计算机的数字运算大脑。计算机所做的一切,从玩电子游戏(video games)到帮助你写论文,都被分解成一组数学指令。CPU接受这些指令并执行它们。 

当然,它如何做到这一点的细节比那个简单的解释要复杂得多(much )您需要知道的最重要的事情是CPU是计算机的主要数学引擎。

CPU 的(极其)短暂的历史(The (Extremely) Short History Of CPUs)

计算的历史漫长而复杂。它还可以追溯到比数字技术、电子甚至电力更远的历史。算盘是一种处理器。机械计算器也是如此。最大的不同是这些机器只能完成一项或几项数学任务。它们不是通用(general purpose)处理器,现代CPU就是一个例子。

使CPU成为通用计算设备的原因在于逻辑的使用。1903 年,尼古拉特斯拉(Nikola Tesla)获得了被称为门和开关的电路专利。使用这些电路,您可以构建执行逻辑操作的设备,您可以让机器在特定条件下运行。 

在 1940 年代中后期,威廉·肖克利(William Shockley)约翰·巴丁(John Bardeen)沃尔特·布拉顿在(Walter Brattain)贝尔(Bell) 实验室(Laboratories)工作时发明了一种称为晶体管的设备并申请了专利。晶体管是CPU的基本组成部分。晶体管是相对较小的计算机组件。晶体管是一项如此重要的发明,三位发明者因此获得了诺贝尔奖(Nobel Prize)

在 1950 年代后期,罗伯特·诺伊斯 ( Robert Noyce )和杰克·基尔比 (Jack Kilby(Jack Kilby) ) 更进一步,创造了第一个工作集成电路(integrated circuit)。集成电路是集成到单片半导体材料中的一组电子电路。在大多数情况下,这种材料是硅。这就是人们所说的“微芯片”的意思。 

CPU由一个或多个微芯片组成。这是一项重要的发明,因为可以将数十亿个晶体管装入单个CPU。这创造了非常强大的数学引擎。

使用逻辑门、晶体管和集成电路的发明,整个世界都发生了变化。如今,微芯片无处不在,而不仅仅是您的计算机。CPU(CPUs)是我们可以制造的最先进的通用微芯片。

CPU 是如何工作的?(How Do CPUs Work?)

CPU的整个原理都是基于二进制代码(binary code)。人类倾向于使用以10 为底(base 10)的系统或十进制系统来表示数字。数字中每个数字的位值增加十倍。所以“111”包含一百、十和一。

计算机及其CPU(CPUs)根本无法理解 10 进制。晶体管的工作原理是开或关。这意味着您从中构建的逻辑门也只能在这两种状态下工作。这就是为什么CPU(CPUs)从根本上运行在二进制代码(binary code)上的原因。这个数字系统有不同的位值。相反,如果是 1、10、100、1000 等,则位值为 1、2、4、8、16、32、64、128 等。 

因此,二进制“111”将是十进制数中的 7,因为您将 1,2 和 4 加在一起。如果任何数字为零,您只需跳过它并添加下一个 1 的位置值。这样您可以表示任何十进制值。(Just)注意,二进制数通常是从右向左读取的,因此“1”位值将位于最右侧。

让我们把它放在一个表格中以使其一目了然:

Binary Place Values1248163264128256
The decimal number 7 in binary111000000

你能明白为什么它加起来是十进制的数字 7 吗?让我们做23号:

Binary Place Values1248163264128256
The decimal number 7 in binary111010000

所以 111 是“7”,但“11101”是 23,因为二进制中的第五位值是 16。很酷(Pretty),对吧?你可以用这种方式表达任何可以用十进制写成的数字。这意味着由晶体管构建的计算机也可以处理任何数字。

CPU是如何制造的?

正如您所料,现代CPU的生产过程也非常复杂。(CPUs)基本过程包括生长大的硅晶体圆柱体。它的半导体特性使其成为构建二进制集成电路的理想选择。

这些大晶体被切成薄片。然后将晶圆“掺杂”另一种化学物质以微调其特性。然后使用称为光刻(photolithography)的工艺使用光将纳米级电路蚀刻到晶片表面。

CPU 设计和性能

CPU(CPUs)并非都是平等的。现代CPU(CPU)的第一个真正的祖先,英特尔 8086(Intel 8086),其集成电路中有大约 29 000 个晶体管。今天,像英特尔(Intel)i99900K 这样的处理器拥有超过 17亿(billion)个晶体管。CPU的逻辑电路越密集,每个时钟周期可以执行的指令越复杂且数量越多。 

等等(Hang),“时钟周期”?是的,这是CPU性能的另一个主要组成部分。CPU以特定频率运行,CPU时钟的每个脉冲都会完成一个计算周期。如果您使用相同的CPU并将其时钟速度提高一倍,那么(理论上)它应该执行两倍的速度。 

1978 年的英特尔 8086(Intel 8086)在推出时以 5Mhz 运行。那是每秒五百万个时钟周期。英特尔i9-9900K(Intel)?它(starts )3.6 Ghz.That 3600 Mhz开始,可以选择将速度提升到 5000 Mhz

为了给CPU(CPU)性能增加另一个皱纹,现代CPU(CPUs)实际上包含多个“内核”。每个核心实际上本身就是一个独立的CPU。现在通常至少有四个这样的核心,但最近主流计算机的标准是有六个或八个核心。高端专业计算机可能有大约 100 个CPU内核。 

拥有多个内核意味着CPU可以并行执行多组指令。这意味着我们的计算机可以一次做很多事情而不会出现问题。一些CPU(CPUs)具有“多线程”内核。这些核心各自可以处理两个独立的任务。在英特尔 CPU(Intel CPUs)中,这被称为“超线程(hyperthreading)”。

因此, CPU(CPU)的总性能归结为以下因素的组合:

  • 它的晶体管总数及其逻辑电路设计的先进程度
  • 时钟频率(clock frequency)
  • 核心(number of cores)
  • 线程数

当然,除了这四个要点之外,还有更多内容。但是,这些是使CPU性能良好的四个主要考虑因素。

CPU计算机(Your Computer)中的作用(Role)

我们要介绍的最后一件事是CPU在您的计算机中所扮演的角色。毕竟,它不是您计算机中唯一的集成电路微芯片。例如,GPU(GPUs)(图形处理单元)通常比CPU的晶体管密度更高。

他们需要自己的冷却和电源,以及内存。它就像一台额外的小型计算机!控制声音、USB和硬盘流量的芯片也是如此。那么为什么CPU特别呢?这些是主要原因:

  • 它可以处理任何(ANY)指令,GPU只做某些类型的处理
  • 它将所有其他组件联系在一起,推送和拉取数据以使您的计算机正常工作
  • CPU在某种程度上参与了计算机被要求做的所有工作

简而言之,CPU是计算机中最重要的通用性能组件。不要想当然(Don)



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我是一名软件工程师,拥有 Xbox Explorer、Microsoft Excel 和 Windows 8.1 Explorer 方面的经验。业余时间,我喜欢玩电子游戏和看电视。我拥有犹他大学的学位,目前在一家国际公司担任软件工程师。



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