微處理器概念

微處理器是計算機的大腦。它也被稱為處理器或 CPU；其主要功能是執行待執行的程序。通常，處理器作為 CPU（中央處理器）的核心元件固定在 CPU 的主機板上。它由算術邏輯單元 (ALU)、控制單元和暫存器組成。微處理器於 20 世紀 70 年代初首次推出。4004 是英特爾為個人電腦設計的第一個通用微處理器。

與微處理器相關的一些常見術語如下：

• 指令集體系結構 (ISA) - 微處理器執行一組指令。基本計算包括算術、邏輯運算、資料移動和控制轉移。
• 暫存器 - 暫存器是處理資料時儲存資料的較小單元。暫存器是 CPU 中的高速儲存器。一些常見的例子包括累加器、程式計數器和通用暫存器。
• 時鐘速度 - 微處理器執行指令的速度以每秒週期數（赫茲）來衡量。更高的時鐘速度通常會導致更快的處理速度。
• 核心 - 現代微處理器包含多個處理核心，這使它們能夠同時執行多條指令並提高整體速度。
• 流水線 - 這是一種透過將指令執行劃分為多個階段來提高指令吞吐量的方法。
• 快取記憶體 - 高速記憶體固定在 CPU 附近，用於儲存經常訪問的資料和指令。它最大程度地減少了訪問時間並提高了系統性能。
• 記憶體管理 - 系統記憶體管理是將記憶體分配給程序、在記憶體和儲存器之間移動資料以及確保有效使用記憶體資源的過程。
• 中斷 - 來自外部裝置的訊號，導致 CPU 停止其當前活動並管理中斷請求。
• 匯流排架構 - 它使用匯流排傳輸資料來促進 CPU、記憶體和外設等元件之間的通訊。

微處理器元件

微處理器充當計算機和其他電子裝置中的中央處理單元 (CPU)。微處理器由不同的關鍵元件組成；每個元件專門為處理器工作。微處理器的一些關鍵元件如下：

• CPU
• 匯流排
• 記憶體

CPU

CPU 製造成超大規模積體電路 (VLSI)，並具有以下部分：

• 指令暫存器 - 它儲存要執行的指令。
• 譯碼器 - 它對指令進行解碼（轉換為機器級語言），並將其傳送到 ALU（算術邏輯單元）。
• ALU - 它專門設計用於執行算術運算（如加、減、乘、除和比較數字）、邏輯運算（如 AND、OR 和 NOT）、記憶體、暫存器和程式排序運算。
• 控制單元 (CU) - 控制單元監督指令執行以實現平滑執行；它協調處理器與其他單元的動作。它從記憶體訪問指令、解碼指令並控制處理器內的資料流。
• 暫存器 - 這些是非常小的、高速的儲存位置，用於在處理期間臨時儲存資料。處理器中一些最廣泛和最常用的暫存器是指令暫存器 (IR)、程式計數器 (PC)、記憶體地址暫存器 (MAR)、記憶體資料暫存器 (MDR) 和通用暫存器，如累加器和索引暫存器。暫存器儲存從處理中獲得的中間結果。

匯流排

匯流排是專門設計用於在系統多個元件之間進行資料傳輸的連線線。因此，它用於資料通訊。匯流排承載 CPU 處理的實際資料或在系統元件（如 CPU 和記憶體）之間傳輸的資料。它就像高速公路上的車道，車輛在其中行駛。

資料匯流排是計算機體系結構中不可或缺的一部分，它會影響系統內資料傳輸的速度和效率。它們有多種型別和配置，包括地址匯流排、控制匯流排和資料匯流排，每種匯流排在輔助系統通訊方面都有獨特的用途。

微處理器中有三種類型的匯流排：

• 資料匯流排 - 用於將資料傳送到記憶體和從記憶體傳輸資料的線路稱為資料匯流排。它是一個雙向匯流排，其寬度等於微處理器的字長。

  資料匯流排由並行線/線路組成，這些線/線路以二進位制形式（如 0 和 1）承載資料。資料匯流排的寬度控制可以同時傳輸多少資料。例如，32 位資料匯流排可以並行傳輸 32 位資料，而 64 位資料匯流排可以一次傳輸 64 位資料。

• 地址匯流排 - 它是一個單向負責將記憶體位置或 I/O 埠的地址從 CPU 傳輸到記憶體或 I/O 埠。除了資料匯流排之外，地址匯流排也是計算機體系結構的重要組成部分。

  資料匯流排在元件之間傳輸實際資料，而地址匯流排則傳輸有關資料應去向或源自何處的資訊。

• 控制匯流排 - 用於傳輸控制訊號（如時鐘訊號、中斷訊號或就緒訊號）的線路稱為控制匯流排。它們是雙向的。這些訊號確保操作按正確的順序並在正確的時間執行。例如 - 指示裝置中斷其程序的訊號稱為中斷訊號。

記憶體

微處理器有兩種型別的記憶體。

• RAM - 隨機存取儲存器是一種易失性儲存器；當電源關閉時，儲存在 RAM 中的資料或資訊會被擦除。因此，它是一種臨時記憶體，用於儲存資料，直到程式正在執行；一旦執行結束，所有相關資料都會被擦除，或者當電源關閉時。
• ROM - 只讀儲存器是非易失性儲存器，即使在電源關閉後，其資料也能保持完整。微處理器可以隨時從中讀取；顧名思義，ROM 的資料只能讀取，我們不能寫入或儲存資料到 ROM。寫入它。因此；它由製造商預先程式設計了大多數基本資料，例如引導序列。

微處理器的特性

微處理器是多用途裝置，可以設計用於通用或專用功能。筆記型電腦和智慧手機的微處理器是通用的，而為圖形處理或機器視覺設計的微處理器則是專門的。一些特性是所有微處理器共有的。

這些是微處理器最重要的定義特性：

• 時鐘速度
• 字長
• 指令集

時鐘速度

每個微處理器都有一個內部時鐘，它調節執行指令的速度，並將其與其他元件同步。微處理器執行指令的速度稱為時鐘速度。

時鐘速度以 MHz 或 GHz 為單位測量，其中 1 MHz 表示每秒 100 萬個週期，而 1 GHz 等於每秒 10 億個週期。這裡的週期指的是單個電訊號週期。

目前，微處理器的時鐘速度在 3 GHz 範圍內，這是當前技術可以達到的最大速度。超過此速度會產生足夠的熱量來損壞晶片本身。為了克服這個問題，製造商正在使用在晶片上並行工作的多個處理器。

字長

處理器在單個指令中可以處理的位數稱為其字長。字長決定了可以一次訪問的 RAM 量和微處理器上的引腳總數。輸入和輸出引腳的總數反過來決定了微處理器的架構。第一個商用微處理器英特爾 4004 是一款 4 位處理器。它有 4 個輸入引腳和 4 個輸出引腳。輸出引腳的數量始終等於輸入引腳的數量。目前，大多數微處理器使用 32 位或 64 位架構。

指令集

給數字機器執行資料操作的命令稱為指令。微處理器設計用來執行的基本機器級指令集稱為其指令集。這些指令確實執行以下型別的操作：

• 資料傳輸
• 算術運算
• 邏輯運算
• 控制流
• 輸入/輸出和機器控制