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。它是将CPU（中央处理单元）的所有功能集成在单个IC（集成电路）或至多几个IC上的计算机处理器。微处理器于 20 世纪 70 年代初首次推出。4004 是英特尔用于构建个人计算机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发挥了重要作用。

微处理器

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用功能。笔记本电脑和智能手机的微处理器是通用用途，而专为图形处理或机器视觉设计的微处理器则是专用微处理器。有些特征是所有微处理器所共有的。

这些是微处理器最重要的定义特征 -

  • 时钟速度
  • 指令系统
  • 字号

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使其与其他组件同步。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，其中 1 MHz 表示每秒 100 万个周期，而 1 GHz 表示每秒 10 亿个周期。这里的周期是指单个电信号周期。

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值。超过这个速度会产生足够的热量来损坏芯片本身。为了克服这个问题，制造商正在使用在芯片上并行工作的多个处理器。

字大小

处理器在一条指令中可以处理的位数称为字大小。字大小决定了可一次性访问的 RAM 量以及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 Intel 4004 是一款 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采用32位或64位架构。

指令系统

给予数字机对一段数据执行操作的命令称为指令。微处理器设计执行的基本机器级指令集称为指令集。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

与第一个微处理器相比，今天的处理器非常小，但它们仍然具有第一个模型中的这些基本部件 -

  • 中央处理器
  • 公共汽车
  • 记忆

中央处理器

CPU 被制造为超大规模集成电路（VLSI）并具有以下部件 -

  • 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）指令并将其发送到 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。使用寄存器而不是 RAM 来保存此类结果，因为访问寄存器几乎比访问 RAM 快 10 倍。

公共汽车

用于连接微处理器芯片内部各部分的连接线称为总线。微处理器中有三种类型的总线 -

  • 数据总线- 将数据传入和传出内存的线路称为数据总线。它是一种双向总线，其宽度等于微处理器的字长。

  • 地址总线- 它是单向的，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- 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。指示设备中断其进程的信号称为中断信号。

记忆

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，断电时会被擦除。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，即使电源关闭后数据也保持不变。微处理器可以随时读取它，但不能写入它。它由制造商预先编程了最重要的数据，例如启动顺序。