实验环境 Study Area CN

中央处理单元 (CPU)

CPU 的功能

中央处理单元(Central Processing Unit,简称 CPU)是计算机的“大脑”。

在 PC 上,CPU 通常是一个小型陶瓷片,位于主板的插槽中。我们常听到的“你的电脑是什么型号的?”实际上多指 CPU 的型号。例如 Intel 的 I3、I5、I9 等,代表不同型号的 CPU。此外,还有其他品牌的 CPU,例如 AMD、龙芯等。

注:mainframe、CPU 型号、品牌等为过时内容,已更新或删除。

CPU 的主要功能包括以下五个部分:

  1. 输入单元:读取供 CPU 处理的数据或程序。
  2. 处理单元:执行计算、比较和判断等运算功能。
  3. 输出单元:输出 CPU 的运算结果和处理好的数据。
  4. 存储单元:存储数据或程序。
  5. 控制单元:根据操作程序指挥上述单元的操作及数据通道的传输。

不同年代的 CPU

我们常追求最新最快的 CPU,但不同年代的 CPU 究竟不同在哪里呢?以下表格可以帮助我们了解:

项目/类型80486(1989)Pentium(奔腾)4(2000)I5-6400(2010)I5-10400(2019)I5-14600(2023)
指令集架构x86x86x86-64x86-64x86-64
核心数11466P(大)+8E(小)
计算速度33-100 MHz1.3-3.8 GHz2.7(3.3) GHz2.9(4.3) GHzP:2.7 Ghz E:2 Ghz
制程1000nm65-180nm14nm14nm7nm (Intel 7)

以上 CPU 链接均摘自 Intel 官网和百度百科。
最新数据请在 Intel 官网 查看。
以上 CPU 均为 Intel CPU,AMD CPU 请在 AMD 官网 查看。
说明:1000 MHz = 1 GHz,计算速度括号内为睿频频率。


注:过时内容,当前数据选自 2024 年 5 月

在 1980 年末﹐IBM 才开始大举进军个人电脑市场。在这之前﹐苹果在 1976 年就推出了 Apple I 个人电脑﹐之后 Apple II 也已经成功地拥有很大数量的用户了。IBM PC 使用的 CPU 厂商 Intel 其实早在 1976 年也推出了一款型号叫 8086 的 CPU,其后不久的 8088 和它很相近﹐比起现代的 CPU 来说,它们可以说是慢得像蜗牛了:最快的只有 8MHz!Intel 相继 8086 和 8088 之后还推出了 80186 和 80188,但不是很成功。但是 Intel 打算将系统部件合并到 CPU 去的概念却对后来生产更快的 CPU,如 80286/80386,起到很重要的作用。从 80386 起人们就把 80 给去掉了,直接称为 x86 了。当 Intel 在推出 486 其后下一代的产品时,厂商将 CPU 型号命名为 Pentium,从此,PII、PIII、P4 等不同年代的 CPU 也都以 Pentium 命名。但在程序界中,仍有不少人继续称 Pentium CPU 为 586,686 的,只是越来越少人坚持如此了。

AMD 在 2005 年 5 月推出了速龙 64 位处理器。这是首个消费级的 x86-64(可简称 x64)架构的处理器,在此之后的 CPU 大多都是 x64 架构的了。

所有年代的 CPU 都有一个特性:向后(旧)兼容。也就是说:486 的 CPU 可以跑 386 的程序,但不能跑“专为”586 写的程序,甚至现在的 I5、I7 都可以运行为 386 编写的程序!故此,许多程序员在发布程序版本的时候,仍将 32 位的程序冠以i386的名字(其中的 i 就是 Intel 的意思)。由于 AMD 发明了 64 位架构,于是 64 位的程序就被叫做amd64(或x86-64)了。

注:补充 x64 架构的内容

如何发挥 CPU的效率?

要真正发挥 CPU 的效率,与其他配件的配合是密不可分的。因为他们要在同一速率上才能工作,时间上必须要配合默契。当 CPU 完成了一个运算之后,I/O 也要同时将产生的运算结果传达出去,也同时传给 CPU 下一个运算数据。这情形就像接力赛那样,如果时间不吻合,接力棒就会丢了。不过,CPU 处理数据往往要比单纯的数据交接更须时间。聪明的 CPU 设计工程师想出了一道绝招:就是将 CPU 运行于比总线(BUS,所有系统数据的运送信道)快一定倍数的速度上。这样等周边反应过来的同时,CPU 也率先完成运用了,(时至今日,CPU 的速度远远快过周边,掉过来往