微处理器

微处理器是一个 计算机处理器 并入在单一的中央处理单元的功能的集成电路（IC），有时高达8个集成电路。微处理器是一种多功能的，时钟驱动的，基于寄存器的数字集成电路，它接受二进制数据作为输入，根据存储在其存储器中的指令对其进行处理，并提供结果（也采用二进制形式）作为输出。微处理器包含组合逻辑和顺序数字逻辑。微处理器对二进制数字系统中表示的数字和符号进行操作。

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将整个CPU集成到单个或几个集成电路中，xxx降低了处理能力的成本。高度自动化的金属氧化物半导体（MOS）制造工艺可大量生产集成电路处理器，从而降低了单价。单芯片处理器提高了可靠性，因为可能发生故障的电气连接数量减少了。随着微处理器设计的改进，根据洛克定律，制造芯片的成本（在相同尺寸的半导体芯片上构建较小的组件）通常保持不变。

微处理器之前，小电脑一直使用的机架内置电路板与许多中等和小规模集成电路。微处理器将其组合成一个或几个大型 IC。自从微处理器容量的持续增加以来，其他形式的计算机几乎完全被淘汰，从最小的嵌入式系统和手持设备到xxx的大型机和超级计算机，一个或多个微处理器被用于各种场合。

集成电路的复杂性受以下物理限制的限制：可以放置在一个芯片上的晶体管数量，可以将处理器连接到系统其他部分的封装端子数量，可以进行的互连数量在芯片上，以及芯片可以散发的热量。先进的技术使制造更复杂，功能更强大的芯片变得可行。

最小的假设微处理器可能仅包括算术逻辑单元（ALU）和控制逻辑部分。ALU执行加，减和诸如AND或OR的运算。ALU的每个操作都会在状态寄存器中设置一个或多个标志，这些标志指示上一次操作的结果（零值、负数、溢出或其他）。控制逻辑从存储器中检索指令代码，并启动ALU执行指令所需的操作序列。单个操作代码可能会影响许多单独的数据路径，寄存器和处理器的其他元素。

随着集成电路技术的进步，在单个芯片上制造越来越多的复杂处理器是可行的。数据对象的大小变大；允许在芯片上使用更多晶体管的话，字长将从4 位和8位字增加到今天的64位字。附加功能已添加到处理器体系结构；更多的片上寄存器加快了程序的执行速度，并且可以使用复杂的指令来制作更紧凑的程序。例如，浮点算术通常在8位微处理器上不可用，而必须在软件中执行。浮点单元的集成 首先作为独立的集成电路，然后作为同一微处理器芯片的一部分，加快了浮点计算。

有时，集成电路的物理限制使得诸如位片方法的实践成为必要。代替在一个集成电路上处理所有长字，而是并行处理每个数据字的子集的多个电路。虽然这需要额外的逻辑来处理（例如）每个切片中的进位和溢出，但结果是系统可以使用集成电路（每个容量仅四位）处理例如32位字。

在一个芯片上放置大量晶体管的能力使得将存储器与处理器集成在同一芯片上成为可能。这种CPU高速缓存的优势是比片外内存访问速度更快，并且可以提高许多应用程序的系统处理速度。处理器时钟频率的增加速度快于外部存储器的速度，因此如果不因较慢的外部存储器而延迟处理器，则必须使用高速缓存。

微处理器是通用实体。以下是几种专用处理设备：

• 甲数字信号处理器（DSP）是专门用于信号处理。
• 图形处理单元（GPU）是主要设计用于实时渲染图像的处理器。
• 还存在其他用于视频处理和机器视觉的专业部门。
• 微控制器将微处理器与嵌入式系统中的xxx设备集成在一起。
• 片上系统（SoC）通常集成一个或多个微处理器或微控制器内核。

可以根据其字长选择微处理器以用于不同的应用，这是衡量其复杂性的一种方法。较长的字长允许处理器的每个时钟周期执行更多的计算，但对应于物理上较大的集成电路管芯，具有更高的待机和工作功耗。4、8或12位处理器广泛集成到运行嵌入式系统的微控制器中。如果期望系统处理大量数据或需要更灵活的用户界面，则使用16、32或64位处理器。对于需要极低功耗电子设备的片上系统或微控制器应用，可以选择32位处理器上的8位或16位处理器，或者是带有噪声敏感的片上模拟电子器件（例如高分辨率模数转换器或两者）的混合信号集成电路的一部分。在8位芯片上运行32位算术运算可能最终会消耗更多功率，因为​​该芯片必须执行带有多条指令的软件。

传统上与计算机无关的数千个项目包括微处理器。其中包括大型和小型家用电器、汽车（及其配件设备）、汽车钥匙、工具和测试仪器、玩具、电灯开关/调光器和断路器、烟雾报警器、电池组和高保真音频/视频组件（从DVD播放器到留声机转盘）。蜂窝电话，DVD视频系统和HDTV等产品广播系统从根本上需要具有强大，低成本微处理器的消费类设备。日益严格的污染控制标准有效地要求汽车制造商使用微处理器引擎管理系统，以允许在广泛变化的汽车操作条件下对排放进行最佳控制。非可编程控制将需要复杂，庞大或昂贵的实现，以实现微处理器可能实现的结果。

微处理器控制程序（嵌入式软件）可以轻松地针对产品线的不同需求进行定制，从而以最少的产品重新设计就可以提高性能。可以在生产线的不同模型中以不同的生产成本实现不同的功能。

系统的微处理器控制可以提供控制策略，这些策略对于使用机电控件或专用电子控件无法实现。例如，汽车中的发动机控制系统可以根据发动机转速，发动机负载，环境温度以及任何观察到的爆震趋势来调整点火正时，从而使汽车可以在多种燃油等级下运行。

1997年，全球销售的所有CPU中约有55％是8位微控制器，其中售出的超过20亿。

在2002年，全球售出的CPU中不到32％或不到10％。在所有出售的32位CPU中，约2％用于台式机或笔记本电脑。大多数微处理器用于嵌入式控制应用中，例如家用电器，汽车和计算机xxx设备。总体而言，微处理器、微控制器或DSP的平均价格略高于6美元（2019年相当于8.53美元）。

2003年，制造和出售了价值约440亿美元（相当于2019年约610亿美元）的微处理器。尽管关于这些钱一半花在了CPU的台式机或笔记本电脑使用的个人电脑，所有CPU的大约只有2％的人数量出售。在2004–2010年间，笔记本电脑微处理器的质量调整后价格每年提高-25％至-35％，而在2010–2013年间，改进速度降至每年-15％至-25％。

2008年生产了约100亿个CPU。每年生产的大多数新CPU都是嵌入式的。