微处理器概念

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）的所有功能集成在单个 IC（集成电路）或最多几个 IC 上。微处理器最早于 20 世纪 70 年代初推出。4004 是英特尔在构建个人电脑时使用的第一个通用微处理器。低成本通用微处理器的出现对现代社会的发展起到了重要作用。

我们将详细研究微处理器的特性和组件。

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门功能。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则是专用的。所有微处理器都有一些共同的特征。

这些是微处理器最重要的定义特征 −

• 时钟速度
• 指令集
• 字长

时钟速度

每个微处理器都有一个内部时钟，用于调节执行指令的速度并与其他组件同步。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，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。这里的周期指的是单个电信号周期。

目前，微处理器的时钟速度在 3 GHz 范围内，这是当前技术可以达到的最大速度。超过这个速度会产生足够的热量来损坏芯片本身。为了解决这个问题，制造商在芯片上使用多个并行工作的处理器。

字长

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

第一个商用微处理器 Intel 4004 是一个 4 位处理器。它有 4 个输入引脚和 4 个输出引脚。输出引脚的数量始终等于输入引脚的数量。目前，大多数微处理器使用 32 位或 64 位架构。

指令集

向数字机器发出的对数据执行操作的命令称为指令。微处理器设计用于执行的一组基本机器级指令称为其指令集。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

微处理器组件

与第一代微处理器相比，今天的处理器非常小，但它们从第一个型号开始就具有这些基本部件 −

• CPU
• 总线
• 内存

CPU

CPU 是作为超大规模集成电路 (VLSI) 制造的，具有以下部件 −

• 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、内存、寄存器和程序排序操作所需的电路。

• 寄存器 − 它保存程序处理过程中获得的中间结果。寄存器用于保存这些结果，而不是 RAM，因为访问寄存器的速度几乎比访问 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 − 将数据传送到内存和从内存传送数据的线路称为数据总线。它是一条双向总线，宽度等于微处理器的字长。

• 地址总线 − 它是一条单向总线，负责将内存位置或 I/O 端口的地址从 CPU 传送到内存或 I/O 端口。

• 控制总线 −传输控制信号（如时钟信号、中断信号或就绪信号）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。指示设备中断其进程的信号称为中断信号。

内存

微处理器有两种类型的内存

• RAM − 随机存取存储器是易失性存储器，断电后会被擦除。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，即使断电后数据仍保持不变。微处理器可以随时读取它，但不能写入它。它已由制造商预先编程了大多数基本数据，例如启动顺序。