CPU常被人們形象地比喻成計算機的大腦，無論是大塊頭的臺式機或是小巧玲瓏的筆記本電腦，都是由一塊小小的CPU芯片在控制。本文將追溯CPU的起源和發展，並一步步揭開其內部的奧秘。
文|羅輯
CPU的發展歷史
CPU是Central Processing Unit（中央處理器）的簡稱，它負責執行指令和計算，控制著計算機的所有組件。CPU從無到有，從弱小到強大，經歷了漫長髮展過程，其間發生了無數的故事，這裡我們主要列出CPU發展史上一些重要的里程碑事件（為行文方便，本文中“CPU”和“處理器”同義）。
1823年，瑞典化學家貝採尼烏斯發現了硅。硅的英文名為Silicon，化學符號為Si。硅的發現對現代計算機的發展影響巨大，它是用於生產晶體管的半導體材料，而晶體管則是CPU的關鍵構建塊。硅晶體管使強大且節能的CPU的開發成為可能，從而實現了現代計算。一般人印象中的CPU是一個帶有許多針腳的金屬塊，實際上這個金屬塊只不過是CPU的散熱器和保護殼（IHS，Integrated Heat Spreader），真正的CPU芯片只是中間夾層中的那一小塊五彩斑斕的硅片（圖1）。
圖1 英特爾Core 2 Duo透視圖，上層是HIS保護殼，下層是PCB板，夾在中間的是硅芯片
1903年，尼古拉·特斯拉為“AND Gates（與門）”申請了專利。門是計算機和其他電子設備中使用的電氣邏輯電路。與門是邏輯門之一，它接受兩個或多個輸入，並且僅在所有輸入都為真時才產生輸出。與門是計算機中所有邏輯運算的基礎。正是邏輯門的實現使得晶體管的發明成為可能（圖2）。
圖2 七種基本邏輯門符號及其真值計算
1947年，貝爾實驗室的科學家約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利發明了第一個晶體管，並於1948年獲得專利。這項發明徹底改變了現代計算，併為更小、更強大的計算機鋪平了道路。如今，晶體管幾乎用於所有電子設備，它是現代CPU實現高性能和低功耗的保證。邏輯門和晶體管從軟硬兩個方向促進了集成電路（IC）的發展，用於製造複雜的數字電路。1958年，第一個實用集成電路由羅伯特·諾伊斯和傑克·基爾比在硅片上實現。1960年，IBM於紐約建立了第一個用於大規模生產晶體管的工廠。
圖3 世界上第一塊實用硅集成電路
1968年，羅伯特·諾伊斯、戈登·摩爾和安迪·格魯夫共同創建英特爾公司。1971年，英特爾發佈了一款4位的CPU——即4004處理器，它是一個單片CPU，在一塊小型芯片內集成了2250個晶體管，每次能夠處理4位數據，每秒運算6萬次。英特爾4004也是世界上第一個通用微處理器（圖4、圖5）。其後，英特爾接連在1972年推出8008處理器，1974年推出8080處理器。1978年，英特爾推出iAPX86處理器，也即8086，這是英特爾的第一款商用16位CPU，正式開啟了x86處理器時代。1979年期間，英特爾和摩托羅拉曾有過微處理器之戰，摩托羅拉68000對決英特爾8086（及其後的80286），前者應用於Apple Macintosh和Amiga計算機中，一度非常流行。
圖4 英特爾4004處理器外觀
圖5 英特爾4004處理器集成了2250個晶體管
1991年AMD推出AM386微處理器家族，1995年Cyrix發佈Cx5x86處理器，都對英特爾造成很大沖擊。AMD公司的創建僅比英特爾晚一年，一直是英特爾強有力的競爭對手。Cyrix也和英特爾因為專利侵權的問題打了多年的官司。英特爾在1993年3月正式發佈奔騰處理器（圖6，又稱P5或i586，1992年已完成），作為對競爭對手們的一種反擊。奔騰處理器是英特爾最成功和最知名的產品之一，兼容該公司之前的x86系列處理器，在臺式機和筆記本電腦市場都取得了極大成功。
圖6 英特爾奔騰處理器
1998年，英特爾推出賽揚系列處理器，這是英特爾面向低成本個人電腦的品牌，主要為了應對Cyrix 6×86、AMD K6和IDT Winchip等競爭產品，搶佔低端市場。賽揚雖然不如英特爾的高端產品強大，但對於那些不需要英特爾高端處理器性能的人來說，它們是一個負擔得起的選擇。
圖7 英特爾賽揚初代處理器
2005年，AMD發佈了其首款雙核處理器Athlon 64 X2，該處理器基於AMD的K8架構，主要是為了與英特爾的奔騰D處理器競爭，並開啟了桌面處理器全面向64位過渡的先河。很快英特爾進行了反擊，於2006年發佈其64位的桌面雙核處理器Core 2 Duo，並正式取代奔騰D成為英特爾處理器新的產品標準。
圖8 英特爾Core 2 Duo處理器
2008年英特爾發佈Core i7，2009年發佈Core i5，2010年推出作為Core i5精簡版的Core i3，至此英特爾Core i系列產品線完成高、中、低三級市場的覆蓋，並每隔一年推出一代更新，到2022年已完成13代更新。需要注意的是，一般來說Core i3不如Core i5， Core i5不如Core i7，這只是就同一代產品比較而言。不同代的產品，比如初代的Core i7和第12代的Core i3相比，後者比前者不知要強出多少倍。另外，Core i系列中，i9芯片是從2017年才開始加入的。
科技在發展，當我們閱讀此文時，CPU的歷史仍在繼續書寫。
圖9 英特爾2022年新品Core i9-13900K處理器
CPU的內部結構
CPU芯片上集成了大規模複雜的電路，可以把它看作是一個由很多小塊組成的複雜機器，這些小塊從功能的角度大致可以劃分成三大部分：算術邏輯單元、存儲單元和控制單元（圖10）。
圖10 現代計算機系統概念圖
算術邏輯單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）
CPU的主要功能就是運算，這正是通過算術邏輯單元ALU實現的。ALU電路內部由算術單元（AU）和邏輯單元（LU）組合而成，可對兩個輸入值（操作數）執行算術或邏輯運算併產生一個輸出值（圖11）。算術單元負責對二進制數執行加減乘除等數學運算，而邏輯單元執行與、或、非等邏輯運算，以及對兩個操作數進行比較等。另外ALU還具備位移功能，將輸入的操作數向左或向右移動從而得到新的操作數。
不只是CPU，其他如圖形處理器GPU等幾乎所有的微處理器中，ALU都是最基本的組件。
圖11 ALU操作示意圖
存儲單元（MU，Memory Unit）
算術邏輯單元ALU在執行計算的時候，需要讀取存儲在寄存器中的操作數，計算結果則保存到累加器中（也是一種寄存器），ALU執行的命令則來自指令寄存器。比如，當將兩個數字相加時，一個數字放在A寄存器中，另一個放在B寄存器中，ALU執行加法後將結果放入累加器中。如果是邏輯操作，則把要比較的數據放進輸入寄存器中，比較的結果1或0放入累加器中。無論是邏輯運算還是算術運算，累加器內容都會被放入緩存中（圖12）。
圖12 CPU簡化概念圖
上述的寄存器（Register）和緩存（Cache）即CPU內部的存儲單元，用於存儲供CPU訪問的數據和指令，以及存儲任何計算或任務的中間結果。處理的最終結果也會被保存到存儲單元中，然後將這些結果發佈到輸出設備提供給用戶。不過CPU內部存儲單元的容量極為有限，大量數據只能保存在CPU之外的RAM（隨機存取存儲器）芯片中，就是我們平常所說的內存，也被稱之為主存。存儲器單元負責從主存中檢索並臨時存儲數據，負責管理CPU和主存之間的數據流。RAM芯片在關機斷電後數據會清零，所以就又有了硬盤、軟盤等其他的存儲設備，稱之為輔存（圖13）。
圖13 相對而言存儲設備的速度和容量成反比，寄存器最快容量最小，反之輔存最慢容量最大
控制單元（CU，Control Unit）
控制單元負責從主存中檢索和選取指令，對其進行解碼，然後發出適當的控制信號，指導計算機的其他組件（如算術邏輯單元、存儲單元、輸入/輸出設備等）執行所需的操作。控制單元自身並不執行程序指令，它只是輸出信號指示系統的其他部分如何做。如果說CPU是計算機的大腦，那麼控制單元就是CPU的大腦。
總線（Bus）
CPU內部的算術邏輯單元、存儲單元、控制單元等，依靠總線連接為一體，而CPU與外部組件的通信與控制同樣靠總線實現。簡單來說，計算機總線就是連接計算機系統中各種硬件組件的電線，其物理表現形式可以是線纜（如硬盤線）也可以是PCB板上的印刷線路。
作為計算機系統中的通信鏈路，計算機總線向系統中的各種硬件組件發送數據、地址、控制信號和電源。根據位置、用途和功能的不同，計算機總線可以有很多分類。比如連接處理器、RAM內存、顯卡、硬盤等內部設備的稱之為內部總線（一般與CPU直接相連或通過北橋芯片相連），連接顯示器、鍵盤、鼠標、打印機等外部設備的稱之為外部總線（一般經由南橋芯片相連）。另外依據總線所連接的組件類型，可以分為系統總線、擴展總線、輸入/輸出總線等。
更通用的一種分類，是依據總線傳輸的數據類型進行劃分，可以分為數據總線、地址總線、控制總線等三大類。在CPU內部，算術邏輯單元與存儲單元之間主要以數據總線相連，傳輸數據；控制單元則通過控制總線發送信號指示CPU各組件進行相應的操作（圖14、圖15）。
圖14 計算機總線系統示意圖
圖15 英特爾8085微處理器總線結構
CPU的工作流程
我們用C++、Java、Python等編程語言編譯好的程序文件（機器碼），保存在硬盤等存儲介質上，當操作系統運行這些程序的時候，首先會將它們加載到系統內存中。程序文件實際就是一系列的指令，CPU從內存中檢索並讀取程序指令，然後通過控制單元對程序指令進行譯碼操作，使其轉化為CPU能夠“讀懂”的指令格式。接下來控制單元向算術邏輯單元ALU發送信號，ALU即依據指令讀取操作數並進行相應計算，其計算結果經由CPU內的存儲單元返回內存中。在以上過程中，CPU執行了四個重要步驟：
1、取指令階段（Instruction Fetch）
2、譯碼階段（Instruction Decode）
3、執行計算階段（Instruction Execute）
4、回寫內存階段（Writeback）
以上四個步驟是完整執行一條指令的過程，稱之為指令週期（Instruction Cycle）。這一過程循環往復地進行，直到程序結束（圖16）。
圖16 指令週期
說起來簡單，實際過程卻很複雜。單以取指令這一步驟來說，它本身就又由多個微操作組成：
1、程序計數器初始化指針指向內存地址；
2、內存地址被裝載到CPU的地址寄存器中；
3、CPU接下來檢索該內存地址中的數據，並將其載入數據寄存器中；
4、如果數據包中包含的是指令，將其裝載到指令寄存器中；
5、程序計數器遞增加1，指向下一個內存地址；
6、指令寄存器中的指令被傳入CPU的控制單元中；
7、以上步驟循環往復地進行。
接下來的譯碼、執行等階段，也都有著各自複雜的操作，限於篇幅就不詳細介紹了。CF
原文刊登於2022 年 12月1 日出版《電腦愛好者》第 23 期
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