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处理器

进行逻辑和数学处理的集成电路或集成电路的一部分。
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描述

处理器是计算机中处理指令和数据的集成电路上的逻辑电路的通称。处理器接收指令和数据,并对指令定义的数据进行操作,计算用于控制计算机或设备或完成特定任务的输出。在计算机的早期,处理器由真空管、继电器和房间大小的设备组成,其次是电路板上的晶体管和早期的集成电路。当微处理器——硅衬底上的集成电路(IC),通俗地称为芯片——在20世纪70年代出现时,专用IC上的处理器被称为微处理器。处理器也可以以知识产权(IP)核心的形式添加到集成电路中。

在过去,由于计算机工业的发展,“处理器”这个词经常与“CPU”或“中央处理器”互换使用,但多年来,为了特定的目的,开发了许多类型的处理器。中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、数字信号处理器(dsp)、数据处理单元(dpu)、张量处理单元(tpu)都是不同类型的处理器。

处理器是专用集成电路或集成电路的一部分,它具有算术逻辑单元(ALU)来运行逻辑和数学运算。一些处理器可能有一个数学协处理器,它运行浮点数学。alu做四种基本的数学运算:加、减、乘、除。逻辑运算有三个条件:等于、小于或大于。条件还可以包括小于等于、大于等于和不等于。逻辑单元基本上是比较数字。(更多信息:计算机是如何工作的:CPU和内存控制单元告诉处理器的各个部分如何处理数据。控制指令集及其作用定义了处理器的指令集体系结构(ISA)。一组执行特定功能的指令被称为程序,或者通常被称为软件。

微控制器处理器包括内存和一些外围设备,与CPU一起集成到芯片中,而微处理器只有CPU或其他基本处理器架构。微控制器具有嵌入式系统设计所需的一切。有时微控制器也被认为是为某种目的而定制设计的,而微处理器是为通用目的而设计的。

处理器和内存之间的关系通常遵循两种架构之一:冯·诺伊曼架构和哈佛架构。在冯·诺伊曼架构中,指令和数据混合在一个连续的内存空间中。哈佛体系结构为指令和数据提供了不同的存储空间。

最近,特别是当一个芯片包含多个共享单个连续内存空间的处理器时,处理器的性能受到连接到内存的带宽的限制。这使得将尽可能多的内存放到延迟最小化的芯片上是有利的。然而,这减少了处理器的可用空间。许多技术,如内存缓存,已经被用来尝试使更多的内存看起来更靠近处理器,而新的制造技术,如2.5D ic,正在开发中,使内存包含在芯片的封装中,即使不是在与处理器本身相同的硅片上。随着人工智能和机器学习变得越来越普遍,尤其是将内存与处理分离开来,芯片内与芯片外的争论仍在继续。然而,现在有了人工智能和机器学习芯片,处理单元(cpu、gpu等)可以是更大芯片上的一个块,与内存、芯片上的网络以及许多乘法/累加块混合在一起。

定制的处理器
自定义处理器现在正处于复兴时期。上一代人之前,每个主要的半导体公司都有自己的处理器:SuperH、PowerPC、V800、Alpha、MEP、Trimedia等,其中一些公司在特定领域比其他公司更专业。行业整合和维护专有架构的巨大费用导致许多专有架构逐渐消失,行业进入了一个漫长的“标准架构”时期,而定制处理器则填补了音频处理等应用的空白。现在,在最新周期性发展热潮的刺激下,半导体行业正在进入定制处理器的新黄金时代,但这一次“定制处理器”的含义有所不同。

自定义处理器已经发展为针对特定任务类进行优化的处理器。微体系结构和指令集针对最终将在其上运行的软件进行了优化。今天,对能够实现标准ISA的专有指令扩展的定制工具的需求很高。自定义处理器过去也指从头开始设计的CPU,但该定义随着时间的推移而演变和扩展。(阅读更多在这里.)

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