微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。

微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

综述

微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。

自从人类 1947 年发明晶体管以来，50 多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU 可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。需要注意的是：微处理器本身并不等于微型计算机，仅仅是微型计算机的中央处理器。

微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。

内部结构

16 位微处理器（图中为 8086 微处理器）可分成两个部分，一部分是执行部件(EU)，即执行指令的部分；另一部分是总线接口部件(BIU),与 8086 总线联系，执行从存储器取指令的操作。微处理器分成 EU 和 BIU 后,可使取指令和执行指令的操作重叠进行。EU 部分有一个寄存器堆，由 8 个 16 位的寄存器组成,可用以存放数据、变址和堆栈指针、算术运算逻辑单元(ALU)执行算术运算和逻辑操作，标志寄存器寄存这些操作结果的条件。执行部件中的这些部件是通过数据总线传送数据的。总线接口部件也有一个寄存器堆，其中 CS、DS、SS 和 ES 是存储空间分段的分段寄存器。IP 是指令指针。内部通信寄存器也是暂时存放数据的寄存器。指令队列是把预先取来的指令流存放起来。总线接口部件还有一个地址加法器，把分段寄存器值和偏置值相加，取得 20 位的物理地址。数据和地址通过总线控制逻辑与外面的 8086 系统总线相联系。8086 有 16 位数据总线，处理器与片外传送数据时，一次课传送 16 位二进制数。8086 具有一个初级流水线结构，可以实现片内操作与片外操作的重叠。

微处理器的分类

根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。一般而言，通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD 播放机等消费类家电；微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。　　CPU 是 Central Processing Unit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。如果把计算机比作人，那么 CPU 就是人的大脑。CPU 的发展非常迅速，个人电脑从 8088(XT)发展到 Pentium 4 时代，只经过了二十一年的时间。

发展历程

CPU 从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU 可以分为：4 位微处理器、8 位微处理器、16 位微处理器、32 位微处理器以及最新的 64 位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着 CPU 的发展而前进的。微机是指以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以集成了计算机主要部件——控制器和运算器的微处理器 MP（Micro Processor）为核心，所构造出的计算系经过 30 多年的发展，微处理器的发展大致可分为：

第一代

第一阶段

（1971—1973 年）通常以字长是 4 位或 8 位微处理器，典型的是美国 Intel 4004 和 Intel 8008 微处理器。Intel 4004 是一种 4 位微处理器，可进行 4 位二进制的并行运算，它有 45 条指令，速度 0.05MIPs（Million Instruction Per Second，每秒百万条指令）。Intel 4004 的功能有限，主要用于计算器、电动打字机、照相机、台秤、电视机等家用电器上，使这些电器设备具有智能化，从而提高它们的性能。Intel 8008 是世界上第一种 8 位的微处理器。存储器采用 PMOS 工艺。该阶段计算机工作速度较慢，微处理器的指令系统不完整，存储器容量很小，只有几百字节，没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制。

组成

微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器和通用寄存器组；程序计数器（也叫指令指标器）；时序和控制逻辑部件；数据与地址锁存器/缓冲器；内部总线组成。其中运算器和控制器是其主要组成部分。

算术逻辑单元

算术逻辑单元 ALU 主要完成算术运算（+，－、×、÷、比较）和各种逻辑运算（与、或、非、异或、移位）等操作。ALU 是组合电路，本身无寄存操作数的功能，因而必须有保存操作数的两个寄存器：暂存器 TMP 和累加器 AC，累加器既向 ALU 提供操作数，又接收 ALU 的运算结果。

寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的 RAM，它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分，通用寄存器（A，B，C，D）用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。它们一般均可作为两个 8 位的寄存器来使用。处理器内部有了这些寄存器之后，就可避免频繁地访问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器 PC、堆栈指示器 SP 和标志寄存器 FR，它们的作用是固定的，用来存放地址或地址基值。其中：

A）程序计数器 PC 用来存放下一条要执行的指令地址，因而它控制着程序的执行顺序。在顺序执行指令的条件下，每取出指令的一个字节，PC 的内容自动加 1。当程序发生转移时，就必须把新的指令地址（目标地址）装入 PC，这通常由转移指令来实现。

B）堆栈指示器 SP 用来存放栈顶地址。堆栈是存储器中的一个特定区域。它按“后进先出”方式工作，当新的数据压入堆栈时，栈中原存信息不变，只改变栈顶位置，当数据从栈弹出时，弹出的是栈顶位置的数据，弹出后自动调正栈顶位置。也就是说，数据在进行压栈、出栈操作时，总是在栈顶进行。堆栈一旦初始化（即确定了栈底在内存中的位置）后，SP 的内容（即栈顶位置）使由 CPU 自动管理。

C）标志寄存器也称程序状态字（PSW）寄存器，用来存放算术、逻辑运算指令执行后的结果特征，如结果为 0 时，产生进位或溢出标志等。

定时与控制逻辑是微处理器的核心控制部件，负责对整个计算机进行控制、包括从存储器中取指令，分析指令（即指令译码）确定指令操作和操作数地址，取操作数，执行指令规定的操作，送运算结果到存储器或 I/O 端口等。它还向微机的其它各部件发出相应的控制信号，使 CPU 内、外各部件间协调工作。

内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。

必须指出，微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统，也不能独立地执行程序，必须配上存 储器、输入输出设备构成一个完整的微型计算机后才能独立工作。

AMD CPU

K5

K5 是 AMD 公司第一个独立生产的 x86 级 CPU，发布时间在 1996 年。由于 K5 在开发上遇到了问题，其上市时间比英特尔的 Pentium 晚了许多，再加上性能不好，这个不成功的产品一度使得 AMD 的市场份额大量丧失。K5 的性能非常一般，整数运算能力不如 Cyrix 的 6×86，但是仍比 Pentium 略强，浮点运算能力远远比不上 Pentium，但稍强于 Cyrix。综合来看，K5 属于实力比较平均的那一种产品。K5 低廉的价格显然比其性能更能吸引消费者，低价是这款 CPU 最大的卖点。　AMD 自然不甘心 Pentium 在 CPU 市场上呼风唤雨，因此它们在 1997 年又推出了 K6。K6 这款 CPU 的设计指标是相当高的，它拥有全新的 MMX 指令以及 64KB L1 Cache（比奔腾 MMX 多了一倍），整体性能要优于奔腾 MMX，接近同主频 PⅡ的水平。K6 与 K5 相比，可以平行地处理更多的指令，并运行在更高的时钟频率上。AMD 在整数运算方面做得非常成功，K6 稍微落后的地方是在运行需要使用到 MMX 或浮点运算的应用程序方面，比起同样频率的 Pentium 要差许多。

K6

K6 拥有 32KB 数据 L1 Cache,32KB 指令 L1 Cache,集成了 880 万个晶体管,采用 0.35 微米技术,五层 CMOS,C4 工艺反装晶片,内核面积 168 平方毫米(新产品为 68 平方毫米),使用 Socket7 架构。　Cyrix 也算是一家老资格的 CPU 开发商了，早在 x86 时代，它和英特尔，AMD 就形成了三雄并立的局面。

K6－2

AMD 于 1998 年 4 月正式推出了 K6－2 微处理器。它采用 0.25 微米工艺制造，芯片面积减小到了 68 平方毫米，晶体管数目也增加到 930 万个。另外，K6－2 具有 64KB L1 Cache，二级缓存集成在主板上，容量从 512KB 到 2MB 之间，速度与系统总线频率同步，工作电压为 2.2V，支持 Socket 7 架构。

K6－2 是一个 K6 芯片加上 100MHz 总线频率和支持 3D Now！浮点指令的“结合物”。3D Now！技术是对 x86 体系的重大突破，它大大加强了处理 3D 图形和多媒体所需要的密集浮点运算性能。此外，K6－2 支持超标量 MMX 技术，支持 100MHz 总线频率，这意味着系统与 L2 缓存和内存的传输率提高近 50%，从而大大提高了整个系统的表现。　作为 Cyrix 公司独自研发的最后一款微处理器，Cyrix MⅡ是于 1998 年 3 月开始生产的。除了具有 6×86 本身的特性外,该微处理器还支持 MMX 指令，其核心电压为 2.9V，具有 256 字节指令;3.5X 倍频;核心内集成 650 万个晶体管,功耗 20.6 瓦；64KB 一级缓存。

其他微处理器发展

1975 年，IBM 公司生产了几款基于 RISC 设计的处理器。其中 801 就是 RISC 之父 John Cocke 的杰作。最终 15 年后设计出 Power 架构系列产品,若干年后更出出现一个影响深远的 RISC 结构的芯片系列 ARM

这是八十年代后，RISC 架构被工业界认可后发展起的一种，HP 的 HPPA-RISC

1975 年，摩托罗拉推出 6800 ，该款处理器拥有 78 条指令集。摩托罗拉很多款单片装处理器和微处理器的设计思想都来源于 6800 ，即使曾经很流行功能强大的 6809 也是继承了 6800 血统。1985 年，摩托罗拉推出 MC68010 和已经命名为 88000 的 32 位 RISC 处理器系列。但 1990 年由于要全力研制 PowerPC 而被迫停产。

Z-80 是由从 Intel 离走的 Frederico Faggin 设计的 8 位微处理器，被认为是 8080 的增强版，——是也是当年很牛的一款单片机，比后来风光无限的 51 系列更早进入中国，八十年代初学校都是以 Z80 为基础教学，那种需要用电视作显示器的单板电脑就是用的这种芯片。

不过最先推出的单芯片 16 位处理器当数 TI TMS 9900。虽然出道后势头强劲，但 TI 为了发展 DSP 业务，不得不在 1982 年缩小 9900 的产量

半导体行业另一巨头，美国国家半导体公司，就是后来收购了设计 X86 系列处理器的 Cyrix 公司的，这是 1983 年由国家半导体（National Semiconductor）推出 NS32032，也是一款 RISC 处理器，但是可惜的是 RISC 架构的处理器在个人电脑应用中只有 POWERPC 芯片的市场还算比较成功，其它的都可以说很失败，不过在另一领域：嵌入式应用中，RISC 架构的处理器确是风光无限。

1981 年，由斯坦福大学和部分研究者研制出 MIPS。处理器利用了深度流水线技术。它通过简化指令的操作周期，解决了流水线的瓶颈－联锁问题，促成 RISC 思想的重要转变。

1982 年，由美国伯克利大学研制的 RISC-I，只有 32 条指令，并且具有流水线操作和使用寄存器窗口，性能比同时代单芯片设计都优越

ARM 是一家芯片设计公司，自己不生产芯片，而是通过授权生产来发展 ARM 系列处理器 。ARM 公司在 1990 年 11 月英国剑桥的一个谷仓里成立，最初只有 12 人，经过 11 年多的发展，今日的 ARM 公司已经拥有 700 多名员工，其中 60%以上都从事研发工作，ARM 公司是一家既不生产芯片（fabless）也不销售芯片（chipless）的公司，它通过出售芯片技术授权，建立起新型的微处理器设计、生产和销售商业模式。更重要的是，这种商业模式取得极大的成功，采用 ARM 技术 IP 核的微处理器遍及各类电子产品：汽车、消费电子、成像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等市场，ARM 技术几乎无处不在。ARM 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和 OEM 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的 ARM 相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM 很快成为许多全球性 RISC 标准的缔造者。总共有 30 家半导体公司与 ARM 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括 Intel、IBM、LG 半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和 MRI 等一系列知名公司。

中国研发

2004 年 2 月 18 日，由清华大学自主研发的 32 位微处理器 THUMP 芯片终于领到了由国家教育部颁发的“身份证”：典型工作频率 400MHz，功耗 1.17mW/MHz，芯片颗粒 40 片，最高工作频率可达 500MHz，是目前国内工作频率最高的微处理器。 “这标志着我国在自主研发 CPU 芯片领域迈开了实质性的一大步。”教育部对 THUMP 的诞生给予了较高评价。

在龙芯 1 号、龙芯 2 号的基础上，中国正在自主研发新一代的龙芯 3 号。

龙芯 3A 的工作频率为 900MHz～1GHz，功耗约 15W，频率为 1GHz 时双精度浮点运算速度峰值达到每秒 160 亿次，单精度浮点运算速度峰值每秒 320 亿次。龙芯 3A 采用意法半导体公司（STMicro）65 纳米 CMOS 工艺生产，晶体管数目达 4.25 亿个，芯片采用 BGA 封装，引脚的数目为 1121 个，功耗小于 15 瓦。 龙芯 3A 集成了四个 64 位超标量处理器核、4MB 的二级 Cache、两个 DDR2/3 内存控制器、两个高性能 HyperTransport 控制器、一个 PCI/PCIX 控制器以及 LPC、SPI、UART、GPIO 等低速 I/O 控制器。龙芯 3A 的指令系统与 MIPS64 兼容并通过指令扩展支持 X86 二进制翻译。龙芯 3 号在包括服务器、高性能计算机、低能耗数据中心、个人高性能计算机、高端桌面应用、高吞吐计算应用、工业控制、数字信号处理、高端嵌入式应用等产品中具有广阔的市场应用前景。