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關(guān)于計算機中央處理器的研究

2017-07-24 00:02王定龍
科教導(dǎo)刊·電子版 2017年13期
關(guān)鍵詞:中央處理器展望計算機

王定龍

摘 要 隨著時代的發(fā)展,電子商品逐漸受到了更多的關(guān)注,計算機也逐漸的融入了人們的生活中。隨著人們的需求的增加,計算機的性能提升也受到了越來越多的人的關(guān)注,而計算機的中央處理器是決定計算機性能的決定性因素,其運算能力的高低直接的決定了計算機的性能的好壞。因此,本文主要對于計算機的中央處理器的相關(guān)內(nèi)容進行了研究,并且對于其未來的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 中央處理器 研究 展望 計算機

中圖分類號:TP332 文獻標(biāo)識碼:A

1中央處理器發(fā)展

所謂中央處理器,一般情況都被稱為CPU,也就是中央處理器的英文單詞的首字母的組合,對于計算機而言有著重要的意義,能夠直接的決定計算機的性能,因此CPU的發(fā)展也直接的影響了計算機的發(fā)展。在1949年,第一臺計算機問世,但是由于其體積巨大并且要消耗著巨大的資源,因此人們試圖對其進行改進。終于在1954年,制造出了歷史上第一臺使用晶體管的計算機,這是一個巨大的進步,直接的使得計算機的發(fā)展進入了第二代計算機的時代,但是此時計算機的內(nèi)部的一些部分還是會被晶體管在工作的過程中產(chǎn)生的大量熱所損耗,造成了很大的損失。1958年集成電路發(fā)明了出來,這也是CPU的最初的狀態(tài),在一個硅片上面整合了三種電子元件,使得其集成化的程度有了很大程度的提高,這也就是第三代計算機的開始。而目前我們大家使用的計算機,則屬于第四代計算機,它的體積很小有著很高的集成水平,并且散熱較少,對其進行維護也相對來說比較方便。從計算機的發(fā)展史來看,起著決定性作用的是cpu,所以這也是cpu的發(fā)展史,cpu逐漸的向著制作工藝更加的精湛、體積更加的小并且功耗更加的低的方面發(fā)展著,并且同時cpu的位數(shù)以及性能等也逐漸的提升。早期人們使用的大多是32位的系統(tǒng),目前來看則越來越多的人都開始使用64位系統(tǒng)。

2處理器分類

2.1品牌分類

按照品牌來看,目前市場上使用的最高的兩個品牌是INTER和AMD,而在INTER的系列處理器中,主要分為酷睿系列處理器和賽揚系列處理器。目前在市場上,酷睿處理器是一款性價比很高的處理器,它有著領(lǐng)先的節(jié)能型微架構(gòu),并且面向多處理器進行了多核的優(yōu)化,使得其性能更加的出色,對于多任務(wù)的處理能力更加的強大,效率也更高。而AMD的系列處理器中,主要有閃龍系列處理器以及速龍系統(tǒng)處理器??傮w來看,市場上酷睿處理器占有的比重最大。

2.2指令集分類

CPU的分類還可以按照指令集的方式將其分為精簡指令集計算機(RISC)和復(fù)雜指令集計算機(CISC)。RISC是基于集成電路進行設(shè)計的一種芯片,不過不同的是它對于指令的數(shù)目以及尋址的方式進行了改進,使得實現(xiàn)的更加的容易,指令的并行的執(zhí)行程度更加的好,并且編譯器的效率也變得越來越高。而由于早期的集成技術(shù)還不夠發(fā)達,因此早期的計算機往往是CISC架構(gòu),需要使用較少的機器語言來完成所需要的計算任務(wù)。由于人們的需求越來越多,因此將更多的相對復(fù)雜指令加入到了指令系統(tǒng)中,這樣能夠使得計算機變得更加的智能化,同時這使得計算機的處理效率有著很大的提升,這也是RISC形成的原因。

3結(jié)構(gòu)及原理

3.1性能衡量指標(biāo)

對于CPU而言,影響其性能的指標(biāo)主要有主頻、CPU的位數(shù)以及CPU的緩存指令集。所謂CPU 的主頻,指的就是時鐘頻率,它直接的決定了CPU的性能,因此要想CPU的性能得到很好地提高,提高CPU的主頻是一個很好地途徑。而CPU 的位數(shù)指的就是處理器能夠一次性計算的浮點數(shù)的位數(shù),通常情況下,CPU 的位數(shù)越高,CPU進行運算時候的速度就會變得越快?,F(xiàn)在 CPU 的位數(shù)一般為 32位或者64 位。以前人們使用的計算機都是32位系統(tǒng),近年來人們使用的計算機的處理器中64位所占用的比例則顯得更多,這是因為64位的計算機的運行速度變得更快,提高了人們的工作效率。而CPU 的緩存指令集是存儲在 CPU內(nèi)部的,主要指的是能夠?qū)PU的運算進行指導(dǎo)以及優(yōu)化的硬程序。一般來講,CPU 的緩存可以分為一級緩存、二級緩存和三級緩存,而那些處理能力比較強的處理器則一般具有較大的三級緩存。

3.2 CPU結(jié)構(gòu)

通常來講,CPU 的結(jié)構(gòu)可以大致分為運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

所謂運算邏輯部件,主要能夠進行相關(guān)的邏輯運算,如:可以執(zhí)行移位操作以及邏輯操作,除此之外還可以執(zhí)行定點或浮點算術(shù)運算操作以及地址運算和轉(zhuǎn)換等命令,是一種多功能的運算單元。而寄存器部件則是用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址的。控制部件則是主要用來對指令進行分析并且能夠發(fā)出相應(yīng)的控制信號。

而計算機的內(nèi)存又可以分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀儲存器 (ROM)。兩者的區(qū)別在于,隨機存取存儲器能夠與CPU直接的進行數(shù)據(jù)的交換,也可以將其稱為主存。對于RAM可以隨時的進行讀寫,而且這個過程的速度很快,因此由于主存所具有的這個有點也往往將其作為操作系統(tǒng)或其他正在運行中的程序的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介;而只讀存儲器ROM是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的存儲器,使用者對于其內(nèi)部存儲的資料沒有改變的權(quán)限也無法對其進行刪除,并且在電源關(guān)閉以后資料并不會消失。這種內(nèi)存也得到了廣泛的應(yīng)用,在那些資料不需要經(jīng)常變更的電子或電腦系統(tǒng)中得到了很好地應(yīng)用。

3.3 CPU總線

CPU 總線是在計算機系統(tǒng)中最快的總線,同時也是芯片組與主板的核心。人們通常把和 CPU 直接相連的局部總線叫做CPU總線或者稱之為內(nèi)部總線,將那些和各種通用的擴展槽相接的局部總線叫做系統(tǒng)總線或者是外部總線。

在內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較單一的CPU中,往往只設(shè)置一組數(shù)據(jù)傳送的總線即CPU內(nèi)部總線,用來將CPU內(nèi)部的寄存器和算數(shù)邏輯運算部件等連接起來,因此也可以將這一類的總線稱之為ALU總線。而部件內(nèi)的總線,通過使用一組總線將各個芯片連接到一起,因此可以將其稱為部件內(nèi)總線,一般會包含地址線以及數(shù)據(jù)線這兩組線路。系統(tǒng)總線指的是將系統(tǒng)內(nèi)部的各個組成部分連接在一起的線路,是將系統(tǒng)的整體連接到一起的基礎(chǔ);而系統(tǒng)外的總線,是將計算機和其他的設(shè)備連接到一起的基礎(chǔ)線路。

4處理器散熱

隨著計算機的性能的不斷地發(fā)展,其需要的功耗也變得越來越大,這就需要對其進行緊湊性的設(shè)計,因此CPU的體積在這樣的情況下變得越來越小,這就導(dǎo)致其集成的程度很高,它的性能對于溫度變得更加的敏感,如果沒有及時的散熱就會使其壽命縮短,并且在使用的過程中計算機的性能也會因此而受到影響,因此在平時的使用過程中如何對其進行更好的散熱顯得至關(guān)重要,能夠很好地提高計算機的硬件系統(tǒng)的工作的可靠性,并且保證計算機的持續(xù)性的高性能工作。

對于計算機的CPU進行散熱,主要可以將其分為兩個方式:主動地散熱方式以及被動的散熱方式。其中,主動地散熱方式指的是,由于CPU的本身的溫度是高于實際的環(huán)境溫度的,因此在沒有制冷機構(gòu)的情況下,借助于熱輻射以及自然對流的方式能夠?qū)崃恐鲃拥厣l(fā)到空氣中去。早期的CPU采用的散熱方式就是這種方式,通過散熱片將CPU的熱量通過散熱板、預(yù)留的散熱孔等散發(fā)出去。而被動的散熱方式,指的是通過包含一定的制冷機構(gòu),將芯片的溫度降低到環(huán)境溫度的水平。很明顯的可以看出來,被動的散熱方式更加的有利于CPU的散熱,因此目前幾乎所有的CPU都是采用被動的方式來進行散熱的。主要的散熱方式有如下幾種:

(1)風(fēng)冷散熱。這種散熱方式目前幾乎是所有的臺式的處理器所采用的散熱的方式,主要是通過在處理器上直接安裝散熱的風(fēng)扇的方式來進行散熱的。風(fēng)扇能夠產(chǎn)生強制的對流來對溫度的上升進行控制。

(2)水冷散熱。這種散熱方式主要是通過水循環(huán)系統(tǒng)中水的流動來將CPU中的熱量帶走,從而實現(xiàn)計算機及CPU芯片降溫的目的。

(3)熱管散熱。熱管是一種效率很高的導(dǎo)熱材料,通過是由管殼、吸液芯和端蓋組成的,因此其導(dǎo)熱效果很好,并且除此之外它有對介質(zhì)制冷的效果,能夠使得介質(zhì)快速的降溫,并且通過使在密封性比較好的真空管中的液體的蒸發(fā)來傳遞CPU的熱量,有著很好地導(dǎo)熱性能以及很好地等溫性能。

目前來看風(fēng)冷散熱技術(shù)是計算機處理器中最為常見的、且技術(shù)相對成熟的一種散熱方式,不僅很簡單、可靠而且實現(xiàn)的成本也比較低,因此在計算機的CPU處理器散熱系統(tǒng)的設(shè)計過程中,往往都會采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)來進行散熱。

5 CPU未來發(fā)展

隨著計算機的不斷發(fā)展,可以預(yù)見的是未來的處理器逐漸的趨向于多核的發(fā)展方向。多核處理器有著很多的優(yōu)勢,不但控制的邏輯相對來說比較簡單,實現(xiàn)起來比較容易,并給線路的延遲造成的影響比較小,因此工作的效率更高。并且由于多個處理器集成在一塊芯片上面,線路的延遲也會降低。通過動態(tài)的調(diào)節(jié)電壓,能夠使得芯片的功耗降低。因此,多核處理器的未來發(fā)展顯得十分的有前景。但是多核處理器還有一些問題需要得到解決:

(1)內(nèi)核的數(shù)量和功能之間的平衡。對于一個計算機來說,其內(nèi)核的功能越強,cache越大那么所需要的芯片的面積就越大,而這樣就會導(dǎo)致在芯片內(nèi)部所能夠集成的為內(nèi)核的數(shù)量隨之減少。因此,如何使得這兩個方面得到很好地平衡是一個問題。

(2)對于同構(gòu)核核異構(gòu)核的一個取舍性問題,這需要進行進一步的研究。

(3)將不同的功能微內(nèi)核聚合到一起能夠使得功能得到更進一步的提升,因此需要對其功能的分區(qū)以及芯片的布局進行整體的設(shè)計。

多核時代正在逐漸的到來,這不僅帶來了更多的機遇同時也帶來了更多的挑戰(zhàn)。同時計算機的發(fā)展逐漸的向體積越來越小的方向發(fā)展,也就是說計算機的處理器集成度越來越高。并且,計算機的應(yīng)用領(lǐng)域會變得越來越寬廣,能夠給人們的生活帶來更多的便利。

6結(jié)論

由于計算機的普及度越來越高,中央處理器在計算機中起著十分重要的作用,因此本文對于計算機的中央處理器進行了分析,首先對于處理器的發(fā)展歷史進行了介紹,然后對于其結(jié)構(gòu)進行了分析,并且對于計算機處理器的散熱進行了相應(yīng)的介紹,最后對于計算機的處理器未來的發(fā)展進行了展望,希望能夠起到一定的參考價值,讓人們更加正確的認(rèn)識計算機處理器的重要性。

參考文獻

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