CPU的工作原理及内部结构

晶体管是调节计算机、手机和所有其他现代电子电路运行的基本构件，是CPU的基本单元。晶体管可以独立封装，也可以小面积封装。集成电路可以容纳1亿个或更多的晶体管。

众所周知，电子元器件中的晶体管是一种半导体器件，常用于放大器或电控开关中。晶体管是调节计算机、移动电话和所有其他现代电子电路运行的基本组成部分。同时，晶体管是CPU的基本单元。晶体管可以独立封装，也可以小面积封装。集成电路可以容纳1亿个或更多的晶体管。CPU主要包括逻辑运算单元、控制单元和存储单元。本文将详细介绍 CPU中有多少个晶体管以及CPU的工作原理。

一、晶体管简介

晶体管一般是指所有以半导体材料为基础的单个元件，包括二极管、三极管、场效应晶体管、晶闸管等。晶体管有时也指三极管。晶体管主要分为两类：双极晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。三极管有三极;双极晶体管的三个极由N型和P型发射极、基极和集电极组成;场效应晶体管的三个极是源极、栅极和漏极。

晶体管是调节计算机、手机和所有其他现代电子电路运行的基本组成部分。由于其快速响应和高精度，晶体管可用于多种数字和模拟功能，包括放大、开关、电压调节、信号调制和振荡器。晶体管可以单独封装，也可以在很小的区域内封装。

1947年12月，由美国贝尔实验室的肖克利、巴丁、布拉顿组成的研究小组研制出点接触锗晶体管。晶体管的出现是 20 世纪的一项重大发明。晶体管出现后，人们可以用体积小、功耗低的电子器件来代替体积大、耗电的电子管。晶体管的发明为集成电路的诞生吹响了号角。20世纪前10年，半导体材料已用于通信系统。20世纪上半叶，广受无线电爱好者欢迎的矿石无线电，将矿石作为半导体材料进行探测。半导体的电气特性也被用于电话系统。

二、前几代 CPU 晶体管数量

摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登摩尔提出的。在价格不变的情况下，集成电路上可容纳的元件数量每18-24个月翻一番，性能翻一番。换句话说，每 18 到 24 个月，一台可以用 1 美元购买的计算机的性能将增加一倍以上。这条规律揭示了信息技术进步的速度。尽管这一趋势持续了半个多世纪，但摩尔定律仍应被视为观察或推测，而不是物理或自然定律。

(1) 1999 年 2 月：Intel 发布Pentium III处理器。Pentium III 是 1 × 1 个带有 950 万个晶体管的方形硅片，采用英特尔的 0.25 微米工艺技术制造。

(2) 2000年，Pentium 4 Willamette，生产工艺为180nm，CPU晶体管数量为4200万个。

(3) 2002年1月：Intel Pentium 4处理器推出，高性能台式电脑可以达到每秒22亿次循环。它采用英特尔的 0.13 微米工艺技术生产，包含 5500 万个晶体管。

(4) 2003年3月12日：英特尔迅驰移动技术平台诞生在笔记本电脑上，包括英特尔最新的移动处理器奔腾M处理器。该处理器基于全新的移动优化微架构，采用英特尔 0.13 微米工艺技术生产。它包含 7700 万个晶体管。

(5) 2005年5月26日：英特尔首款主流双核处理器——英特尔奔腾D处理器，拥有229,999,999个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术。

(6) 2006年7月27日：英特尔酷睿2 双核处理器诞生。该处理器包含超过2.9亿个晶体管，采用英特尔的65纳米工艺技术。它是在世界上几个最先进的实验室生产的。

(7) 2007年1月8日：为扩大四核PC对主流买家的销售，英特尔发布了英特尔酷睿2四核处理器和另外两款用于台式电脑的四核服务器处理器，处理能力为65纳米。Intel Core 2 四核处理器包含超过 5.8 亿个晶体管。

Intel Core 2 四核处理器

(8) 2010年推出的Corei7 980X，生产工艺为32nm，晶体管数量为11,699,999,999。

(9) 2013年推出的 Core i7 4960X ，制程22nm，晶体管数18.6亿。

三、为什么晶体管越多的CPU越强?

CPU就像一个存放开关的大工厂。每个晶体管都是一个开关，即关闭时为0 ，打开时为1。晶体管越多，开关就越多。当你处理同样的问题时，你选择的路线越多，循环的线路就越多。

同样，CPU 的晶体管越多，单位时间内流过的分支电流就越多。从宏观角度来看，CPU 上可以处理的数据越多，机器的速度就越快。

CPU主要包括逻辑运算单元、控制单元和存储单元。逻辑运算和控制单元中有一些寄存器。这些寄存器用于在CPU处理数据的过程中临时存储数据。

CPU制造是一个非常高精度的过程，必须借助机械来完成。从晶圆上切割下来的晶体管将通过机器打印在 CPU 底座上。将检查每个印刷基地，以消除有缺陷的产品。然后加上shell接口就成为我们常用的处理器产品。

四、CPU是如何工作的?

众所周知，CPU是计算机的“心脏”，是整个微机系统的核心。因此，它往往是各种等级微机的代名词，如286、386、486、奔腾、PII、K6到今天的PIII、P4、K7等等。回顾CPU的发展历史，CPU在制造技术上已经有了很大的提升。主要体现在越来越多的电子元器件的集成上。从最开始集成数千个晶体管到现在的数百万和数千万个晶体管。他们如何处理数据?

1、CPU的原始工作模型

在了解CPU的工作原理之前，我们先简单的说一下CPU是如何产生的。CPU 采用纯硅材料制造。一个 CPU 芯片包含数百万个精密的晶体管。人们使用化学方法在硅片上蚀刻或光刻晶体管。因此，CPU 是由晶体管组成的。简单地说，晶体管是微型电子开关。它们是构建 CPU 的基石。您可以将晶体管视为电灯开关。它们有一个操作位，代表两种状态：开和关。这种通断相当于晶体管的接通和断开。这两个状态对应于基本状态“ 0 ”和“ 1 ”” 二进制。这样，计算机就有了处理信息的能力。但不要以为简单的“0”和“1”两态晶体管的原理很简单。其实他们的发展是得到了经过科学家们多年的苦心研究，在晶体管出现之前，计算机是靠速度慢、效率低的真空管和机械开关来处理信息的，后来科学家把两块晶体放入一个硅晶体中，从而创造了第一块集成电路。

看到这里，你一定想知道，晶体管是如何使用“ 0 ”和“ 1 ”这两个电子信号的十进制数字中的1在二进制模式下也是“1”，在二进制模式下2是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，它构成了计算机工作中使用的二进制语言和数据。可以组合成组的晶体管来存储数值，以及执行逻辑和数字操作。

2、CPU的内部结构

CPU中的晶体管

现在我们已经大致知道 CPU 负责什么，但是哪些组件负责处理数据和执行程序呢?

1) ALU (算术逻辑单元)

ALU是算术单元的核心。它以全加器为基础，辅以移位寄存器和相应控制逻辑组成的电路。在控制信号的作用下，可以完成加减乘除四种运算和各种逻辑运算。刚才说了，这相当于工厂里的生产线，负责计算数据。

2)RS(寄存器组或寄存器)

RS本质上是数据在CPU中临时存储的地方。它存储等待处理的数据或已处理的数据。CPU访问寄存器的时间比访问内存的时间短。寄存器的使用可以减少CPU访问内存的次数，从而提高CPU的工作速度。但是由于芯片面积和集成度的限制，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为特殊寄存器和通用寄存器。通用寄存器用途广泛，可由程序员指定。通用寄存器的数量因微处理器而异。

3) 控制单元

就像工厂的物流配送部门一样，控制单元是整个CPU的指挥控制中心。控制单元由指令寄存器IR、指令译码器ID、运算控制器OC三部分组成。协调整台计算机的有序工作极为重要。根据用户的预编程程序，控制单元从寄存器中取出每条指令。反过来， 寄存器把它 在指令寄存器IR中，通过指令译码(解析)确定应该执行什么操作，然后按照确定的时序操作控制器OC，向相应的部分发送微操作控制信号。运算控制器OC主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路、启停电路等控制逻辑。

4) 巴士

就像工厂中各个部件之间的通讯通道一样，总线实际上是一组电线，各种常用信号线的集合。总线用作“高速公路”，供计算机中的所有组件共同使用以传输信息。与CPU直接相连的总线可以称为本地总线，包括DB(数据总线)、AB(地址总线)、CB(控制总线)。其中，数据总线用于传输数据信息;地址总线用于传输CPU下发的地址信息;控制总线用于传输控制信号、定时信号和状态信息。

3. CPU 工作流程

CPU由晶体管组成，是处理数据和执行程序的核心，即中央处理器. 首先，CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线和缓冲区)三部分。CPU的工作原理就像工厂对产品的加工：进入工厂的原材料(程序指令)由物料配送部(控制单元)调度，送到生产线(逻辑运算单元)生产成品。产品(加工数据)，然后入库(存储单元)，最后等待上市销售(供应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU 开始了正式的工作。中间过程是通过逻辑运算单元进行算术处理，

4. 数据和说明

现在，让我们看看数据是如何在 CPU 中运行的。我们知道，数据从输入设备通过内存流出，等待 CPU 处理。待处理的信息以字节为单位存储，即以8位二进制数或8位为单位存储。这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色。这些指令告诉 CPU 对数据执行哪些操作，例如完成加法、减法或移位操作。我们假设内存中的数据是最简单的原始数据。一、指令指针将通知 CPU 将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有一个编号。可以根据这些地址取出数据，通过地址总线发送给控制单元。指令解码器从指令寄存器IR中取出指令并将其翻译成 CPU 的可执行形式。然后CPU 决定完成指令需要哪些必要的操作。它将告诉算术逻辑单元 ( ALU ) 何时计算，告诉指令阅读器何时获取值，告诉指令解码器何时翻译指令等 如果数据被发送到算术逻辑单元，数据将执行指令中指定的算术运算和其他各种操作。数据处理完成后返回寄存器，通过不同的指令继续运行数据，或者通过DB总线发送到数据缓冲区。

基本上，CPU 执行三个基本任务：读取数据、处理数据和将数据写入内存。但在正常情况下，一条指令可以包含许多按明确顺序执行的操作。CPU 的工作就是执行这些指令。完成一条指令后，CPU 的控制单元会告诉指令阅读器从内存中读取下一条指令并执行。这个过程连续快速地重复，一个接一个地执行指令，产生你在显示器上看到的结果。在处理这么多指令和数据的同时， 由于数据传输时间的差异和CPU处理时间的差异，肯定会出现处理混乱的情况. 为了保证每一个操作按时发生，CPU 需要一个时钟，它控制着 CPU 执行的每一个动作。时钟就像节拍器。它连续脉冲并确定 CPU 的速度和处理时间。这就是我们熟悉的CPU的标称速度，也就是我们常说的主频。主频值越高，CPU工作速度越快。

5、如何提高CPU工作效率?

由于CPU的主要工作是执行指令和处理数据，工作效率将成为CPU的主要内容。CPU制造商也尽最大努力使用CPU来更快地处理数据。根据CPU内部的计算结构，有的厂家在CPU中再增加一个算术逻辑单元(ALU)或另设一个浮点运算单元(FPU)。它大大加快了数据操作的速度。在执行效率方面，一些厂商通过流水线或并行执行指令来提高指令的执行速度. 正如我们前面提到的，指令的执行需要许多独立的操作，例如取指令和解码。最初，CPU 必须在执行下一条指令之前执行上一条指令，但现在分布式电路执行它们的操作。也就是说当这部分电路完成一个作业后，第二个作业立即占用电路，大大提高了执行效率。另外，为了使指令之间的联系更加准确，目前的CPU通常采用多种预测方法来控制指令以更高效地执行。

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审核编辑：汤梓红