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'''中央处理器'''（英语：Central Processing Unit，缩写：CPU）是计算机的主要设备之一，其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据<ref name="baidu_cpu">[https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%AD%E5%A4%AE%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8/284033 中央处理器（百度百科）]</ref>。CPU是计算机中负责读取指令、对指令译码并执行指令的核心部件<ref name="wiki_cpu">[https://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit Central processing unit (Wikipedia)]</ref>。中央处理器主要包括算术逻辑运算单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器（Registers）三个核心部件，以及高速缓存（Cache）和总线等辅助部件<ref name="baidu_cpu" />。自20世纪70年代以来，CPU通常被集成在单一的微处理器芯片中，成为个人计算机、服务器、智能手机等各类电子设备的运算和控制核心<ref name="wiki_cpu" />。

{{Infobox
| 标题 = 中央处理器
| 内容 =
{{!}}-
! 中文名
{{!}} 中央处理器
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! 外文名
{{!}} Central Processing Unit (CPU)
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! 别名
{{!}} 微处理器（Microprocessor）
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! 核心部件
{{!}} 算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器<ref name="baidu_cpu" />
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! 主要功能
{{!}} 指令译码与执行、算术运算、逻辑运算、数据存取与控制<ref name="wiki_cpu" />
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! 工作周期
{{!}} 取指（Fetch）、译码（Decode）、执行（Execute）、写回（Writeback）<ref name="wiki_cpu" />
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! 主要厂商
{{!}} Intel、AMD、ARM、IBM等<ref name="baidu_cpu" />
}}

== 历史 ==

CPU的起源可以追溯到20世纪40年代的电子计算机。早期计算机（如ENIAC）并未采用“存储程序”概念，程序是外接的，中央处理单元的概念尚未明确<ref name="wiki_cpu" />。1945年，冯·诺依曼（John von Neumann）提出了“存储程序”计算机的体系结构，该架构确立了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成，成为现代CPU设计的基础<ref name="baidu_cpu" />。

晶体管取代真空管是CPU发展史上的里程碑。20世纪50年代末至60年代，晶体管计算机开始出现，显著缩小了体积并降低了功耗<ref name="wiki_cpu" />。1964年，IBM推出的System/360大型机采用了微程序设计技术，其CPU具备较为完整的指令集和流水线结构<ref name="ibm360">[https://www.ibm.com/history/system-360 IBM System/360 (IBM History)]</ref>。

1971年，英特尔（Intel）公司发布了全球第一款商用微处理器Intel 4004，它将CPU的所有功能集成到单一芯片上，标志着微处理器时代的开始<ref name="baidu_cpu" /><ref name="intel4004">[https://www.intel.com/content/www/us/en/history/museum-story-of-intel-4004.html Intel 4004 Microprocessor (Intel)]</ref>。此后，CPU沿着摩尔定律指引的方向迅速发展，从4位、8位、16位逐步演进至32位、64位，工艺制程从微米级进入纳米级，核心数量和指令集架构也日趋复杂<ref name="wiki_cpu" />。

== 组成结构 ==

现代CPU内部结构极为复杂，但其核心组成部分可归纳为以下几类<ref name="baidu_cpu" /><ref name="wiki_cpu" />：

* '''算术逻辑单元（ALU）'''：负责执行所有算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如与或非、比较），是CPU的数据运算核心。
* '''控制单元（CU）'''：负责从内存中取指令、对指令进行译码，并生成相应的控制信号，以协调ALU、寄存器和外部总线等部件按正确的时序工作。
* '''寄存器（Registers）'''：位于CPU内部的极高速存储单元，用于暂存指令、操作数和运算结果。寄存器的数量与位宽直接影响CPU的性能。
* '''高速缓存（Cache）'''：介于CPU核心与主内存之间的小容量高速存储器，用于缓解CPU与内存之间的速度差异。现代CPU通常采用多级缓存（L1、L2、L3）结构。
* '''总线接口（Bus Interface）'''：负责CPU与外部系统总线（数据总线、地址总线、控制总线）之间的数据交换与通讯。

== 工作原理 ==

CPU的工作基本遵循“取指－译码－执行－写回”的循环过程，这一周期被称为指令周期（Instruction Cycle）<ref name="wiki_cpu" /><ref name="turing">[https://www.turing.com/knowledge-hub/computer-architecture 计算机体系结构（Turing）]</ref>：

# '''取指（Fetch）'''：控制单元根据程序计数器（PC）中的地址，从内存或缓存中读取下一条待执行的指令。
# '''译码（Decode）'''：控制单元对取回的指令进行译码，解析出操作码和操作数地址，确定需要执行的操作类型以及数据来源。
# '''执行（Execute）'''：控制单元发出控制信号，驱动ALU对操作数进行指定的算术或逻辑运算，或进行数据搬移。
# '''写回（Writeback）'''：将执行阶段产生的结果写回到寄存器或内存中，并更新程序计数器以指向下一条指令的地址。

现代CPU普遍采用流水线（Pipeline）技术，使得多个指令的不同阶段可以同时处理，从而提高指令级并行性。此外，超标量（Superscalar）、乱序执行（Out-of-Order Execution）和分支预测（Branch Prediction）等技术的应用，进一步挖掘了指令级的并行潜力<ref name="wiki_cpu" />。

== 分类 ==

CPU可以从多个角度进行分类。

=== 按指令集架构 ===

* '''复杂指令集计算机（CISC）'''：指令数量多、功能强、格式变长。代表架构为x86（Intel和AMD的桌面及服务器处理器）。CISC强调硬件对复杂指令的直接支持，旨在减少编译器的负担<ref name="baidu_cpu" /><ref name="cisc_risc">[https://www.arm.com/glossary/cisc-arm RISC and CISC (ARM)]</ref>。
* '''精简指令集计算机（RISC）'''：指令数量少、格式固定、大部分指令在一个周期内完成。代表架构为ARM、RISC-V、PowerPC等。RISC强调指令的简单性和高效性，依赖编译器将复杂操作拆解为简单指令序列。ARM架构广泛应用于智能手机、平板和嵌入式设备<ref name="cisc_risc" />。

=== 按应用领域 ===

* '''通用处理器'''：用于个人电脑、服务器和工作站，强调平衡的计算性能与能效，如Intel Core系列、AMD Ryzen系列。
* '''嵌入式处理器'''：用于工业控制、汽车电子、家用电器等特定设备，强调低功耗、高可靠性和实时性，如ARM Cortex-M系列。
* '''专用处理器'''：为特定算法或场景优化，如GPU（图形处理器）、TPU（张量处理器）等，虽不属于传统意义上的CPU，但常与CPU协同工作<ref name="baidu_cpu" />。

== 性能指标 ==

评估CPU性能的主要技术指标包括<ref name="baidu_cpu" /><ref name="wiki_cpu" />：

* '''主频（时钟频率）'''：单位时间内CPU内部时钟振荡器产生的脉冲信号次数，单位为Hz。主频在一定程度上反映了CPU处理指令的速度，但不同代际和架构的CPU不能单纯以主频比较性能。
* '''核心数量（Cores）'''：单个CPU芯片上集成的物理内核数量。多核处理器可同时执行多个线程，提高多任务并行处理能力。
* '''线程数（Threads）'''：每个物理核心可通过超线程（Hyper-Threading）或同步多线程（SMT）技术模拟出的逻辑核心数，以提升并行效率。
* '''缓存容量（Cache Size）'''：各级缓存（L1/L2/L3）的容量大小，对数据访问延迟有显著影响。
* '''制程工艺（Fabrication Process）'''：芯片内部晶体管之间的间距，以纳米（nm）为单位。制程越先进，晶体管密度越高，同等面积下性能越强、功耗越低。

== 主要厂商 ==

当前全球CPU市场主要被以下企业主导<ref name="baidu_cpu" /><ref name="wiki_cpu" />：

* '''Intel（英特尔）'''：美国半导体公司，x86架构最主要的代表，产品线涵盖Core（酷睿）、Xeon（至强）、Atom（凌动）等，在个人电脑和服务器市场占据重要份额。
* '''AMD（超威半导体）'''：Intel的主要竞争对手，同样采用x86架构，其Ryzen（锐龙）系列处理器和EPYC（霄龙）系列服务器处理器在性能与性价比上与Intel形成直接竞争。
* '''ARM'''：英国芯片设计公司，不直接生产芯片，而是授权其RISC架构指令集和核心设计给其他厂商（如苹果、高通、三星、华为等），其架构主导了移动设备和嵌入式领域。
* '''IBM'''：在高端服务器领域，IBM的Power系列处理器基于RISC架构，主要用于其自家的Power Systems服务器。

== 参考文献 ==
<references />

CPU - 版本历史

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