什么是微处理器?

[拼音]：weichuliqi

[外文]：microprocessor

用大规模集成电路技术在一片或几片芯片上制成的计算机中央处理器。微处理器的优点是体积小、耗电少和易于模块化。它是微型计算机的运算和控制部分，配以半导体存储器和外围电路芯片可组成微型计算机。还可以将微处理器直接嵌入机电产品中制成各种智能化的器件、仪表和设备。

微处理器由运算器、 控制器、 寄存器、数据总线、控制总线和地址总线组成（见图），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数据等 *** 作。图中所示数据总线与内部寄存器、运算器和控制器相连。内部寄存器的数目是衡量微处理机功能的重要指标之一，其中包括用以存放计算结果的累加器和用以存放下一条即将执行指令地址的程序计数器。程序计数器中存放的地址码通过地址总线送到位于微处理器外部的存储器。运算器通过数据总线相继接收两个数据，经计算后从输出端将结果送回数据总线，再送入有关寄存器。控制器则通过数据总线从外部存储器接收指令，并在其控制下经控制总线向微处理器内外各部件发出控制信号。在包括微处理器在内的微型计算机中，由地址总线、数据总线和控制总线构成系统总线。微处理机、存储器和各种外围设备接口都挂在系统总线上，按照一定规则互相交换数据。微处理器从功能上还可按两部分设计：一为执行指令的执行部分；另一为总线接口部分。这种划分可使取指令和执行指令的 *** 作重叠进行。

微处理器可按多种方式进行分类。按生产工艺可分为 MOS（金属-氧化物-半导体集成电路）和双极性集成电路。MOS电路工艺又可分为PMOS（P沟道MOS）、NMOS（N沟道MOS）、CMOS（互补MOS）、HCMOS（高性能CMOS）等多种。 MOS的集成度高、功耗低。双极型微处理器的特点是速度快，一般都是位片式结构，即把运算器和控制器按1位或4位构成一片电路，再用若干片位片组成不同字长的微处理器。分片方式可分为单片式、双片式和位片式。按处理功能可分为主处理器、协处理器和从处理器。协处理器用以完成浮点运算或存储管理，从处理器一般用作输入输出处理器。指令控制方法可分为可编微程序控制和固定组合逻辑控制。通常，数据总线的位数与运算器和寄存器的位数是一致的，但有少数例外,例如运算器为16位而数据总线为8位。一般按数据总线位数分1位、4位、8位、16位、32位处理器,而将数据总线位数低于运算器的按运算器位数划为准16位和准32位。

微处理器是在半导体集成电路的基础上发展起来的,自从1971年美国英特尔公司制成第一个4位微处理器Inter 4004以来已经历了四代。第一代微处理是1971～1972年制成的。它采用PMOS工艺和10微米光刻技术，集成度为 2200个单元，代表产品有4位微处理器Inter 4004和 8位微处理器8008。第一代微处理器速度较慢，指令系统也不完整，主要用于袖珍计算器、仪表和控制。第二代微处理器是1975～1977年制成的。它采用NMOS工艺和6微米光刻技术，集成度为4800单元,代表产品有8位微处理器8080、8085、M6800、Z80和R6502。第二代微处理器功能较强，指令系统较完整，可用来组成通用微型计算机和工业控制系统。第三代微处理器是1978～1980年制成的。它采用 NMOS工艺和 4μm光刻技术，集成度为30000单元,代表产品有16位微处理器8086，Z8000等。后采用HMOS工艺和 3μm光刻技术，集成度达68000单元，代表产品是准32位微处理器 M68000。接着又研制出准 16位微处理器 8088和功能更强的16位微处理器80186和80286，它们被成功地用在国际商业机器公司(IBM)的个人计算机上,使微机的功能超过中低档小型机的功能，于是微机迅速得到普及和推广。第三代微处理器还包括采用CMOS工艺的低功耗的 8位微处理器，如 80C85、M68C00、Z80C、R65C02等,可用来制造电池供电的手提式微机。第四代微处理器是1984～1985年制成的。代表产品有莫托洛拉公司的 M68020和英特尔公司的80386，它们都是全32位微处理器。M68020采用HCMOS工艺和2μm光刻技术，集成度达 200000单元，时钟频率为16MHz或20MHz,采用超级小型机的结构,对称的指令系统,多通用寄存器和线性地址空间，寻址范围可达4G(4×109)字节，有64×32的指令高速缓存，并有一个协处理器接口，把芯片内部结构延伸到片外,可接8片两种不同类型的协处理器，如存储管理芯片M68851和浮点运算芯片M68881。它可以分别在 8位、16位或32位的总线宽度下实现字节、字或双字的传输，因而允许把32位宽的主存，16位宽的DMA或外围控制部件，8位宽的外设控制部件直接连在一个系统中。80386采用HCMOSⅢ工艺和1.5μm光刻技术，集成度达270000单元，时钟频率为12MHz或16MHz。它继承了 80286的特点，在硬件层次上提供多道任务的支持，并设有多重保护等级。它采用段页式虚拟存储的硬件支持方式，每段4G字节，段数16K，虚拟存储空间可达64T(1012)字节，芯片内部具有指令流水线结构,使取指令入队列、译码和指令执行均能并行地进行。除上述两大主流芯片外，1983年后陆续推出的全32位微处理器还有美国数字设备公司(DEC)的MicroVAXⅡ,贝尔实验室(BELL)的MAC-32等。

参考书目

郑学坚等编著：《微型计算机原理及应用》，清华大学出版社北京，1987。