计算机基础 - 微处理器概念

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  简述

  微处理器是计算机的大脑，它完成所有的工作。它是一种计算机处理器，将CPU（中央处理单元）的所有功能整合到单个IC（集成电路）或最多几个IC上。4004是英特尔在制造个人计算机时使用的第一个通用微处理器。低成本通用微处理器的到来在现代社会的发展中发挥了重要作用。

  

  我们将详细研究微处理器的特性和组件。
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  微处理器特性

  微处理器是多用途设备，可以设计用于通用或专用功能。笔记本电脑和智能手机的微处理器是通用的，而为图形处理或机器视觉设计的微处理器是专用的。有一些特性是所有微处理器共有的。

  这些是微处理器最重要的定义特征 −

  • 时钟速度
  • 指令集
  • 字数

  时钟速度

  每个微处理器都有一个内部时钟，用于调节其执行指令的速度，并将其与其他组件同步。微处理器执行指令的速度称为时钟速度。时钟速度以 MHz 或 GHz 为单位进行测量，其中 1 MHz 表示每秒 100 万个周期，而 1 GHz 等于每秒 10 亿个周期。这里的循环是指单个电信号循环。

  目前，微处理器的时钟速度在6 GHz范围内，这是当前技术可以达到的最高频率。速度超过此值会产生足够的热量来损坏芯片本身。为了克服这一点，制造商正在使用多个处理器在芯片上并行工作。

  字大小

  处理器在单个指令中可以处理的位数称为其字大小。字大小决定了一次可以访问的 RAM 量和微处理器上的引脚总数。输入和输出引脚的总数又决定了微处理器的架构。

  第一个商用微处理器英特尔4004是4位处理器。它有4个输入引脚和4个输出引脚。输出引脚数始终等于输入引脚数。目前大多数微处理器使用32位或64位架构。

  指令集

  给数字机器以对一段数据执行操作的命令称为指令。微处理器设计用于执行的基本机器级指令集称为其指令集。这些指令确实执行这些类型的操作 -

  • 数据传输
  • 算术运算
  • 逻辑运算
  • 控制流
  • 输入/输出和机器控制
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  微处理器组件

  与第一个微处理器相比，今天的处理器非常小，但它们仍然从第一个型号开始就具有这些基本部件 -

  • 中央处理器
  • 总线
  • 内存

  中央处理器

  CPU被制造成一个非常大规模的集成电路（VLSI），并且具有这些部件 -

  • 指令寄存器 − 它保存要执行的指令。
  • 解码器 − 它解码（转换为机器级语言）指令并发送到ALU（算术逻辑单元）。
  • ALU − 它具有执行算术、逻辑、存储器、寄存器和程序排序操作所需的电路。
  • 寄存器 − 它保存程序处理期间获得的中间结果。寄存器用于保存此类结果而不是RAM，因为访问寄存器比访问RAM快10倍。

  总线

  用于连接微处理器芯片内部部件的连接线称为总线。微处理器中有三种类型的总线 −

  • 数据总线 − 将数据传入和传出存储器的线称为数据总线。它是一种双向总线，宽度等于微处理器的字长。
  • 地址总线 − 它是一个单向的，负责将内存位置或 I/O 端口的地址从 CPU 传输到内存或 I/O 端口。
  • 控制总线 − 承载时钟信号、中断信号或就绪信号等控制信号的线路称为控制总线。它们是双向的。表示设备已准备好进行处理的信号称为就绪信号。指示设备中断其过程的信号称为中断信号。

  内存

  微处理器有两种类型的存储器

  • RAM − 随机存取存储器是易失性存储器，在断电时被擦除。所有数据和指令都存储在 RAM 中。
  • ROM − 只读存储器是非易失性存储器，即使在断电后，其数据仍保持不变。微处理器可以随时读取它，但不能写入它。它由制造商使用最基本的数据（如启动顺序）进行预编程。