我們知道，CPU 是電腦的心臟，是整個系統的核心，它往往也代表著電腦的檔次，如昔日的 286、386、486，到今天的Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium 4、K6、K7 等。回顧 CPU 發展的歷史長河，從雛形到今天，製造技術已有極大提高，主要表現在集成電子元件越來越多。開始時集成幾千個晶體管，現在有幾百萬、幾千萬個晶體管，這麼多晶體管，你一定會問，它們是如何實現電腦功能、處理電腦數據的？如果你對這個話題感興趣，讓我帶你揭開CPU 工作的神秘面紗。在瞭解CPU 工作之前，先簡單談談CPU 是如何生產出來的。其實CPU 是用特別純淨的硅材料製造出來的，一個 CPU 芯片包含上百萬個精巧的晶體管，人們在一塊如同指甲蓋大小的硅片上，用化學方法蝕刻或光刻出晶體管。一、CPU原始工作模式——由簡單的 0、1 開始想必大家也清楚，CPU 正是由晶體管組合而成，瞭解晶體管的運作，對了解CPU 的工作有莫大幫助。簡單而言，晶體管就是微型的電子開關，它們是構建 CPU 的基石。你可以把一個晶體管想象成一個電燈開關，它們有個操作位，分別代表兩種狀態：ON（開）和 OFF（關）。這一開一關就相當於晶體管的連通與斷開，而這兩種狀態正好與二進制中的基礎狀態0 和1 是對應的。但只是 0 和 1 狀態的晶體管原理並不簡單，它們的發展經過了多年的辛苦研究。在晶體管之前，計算機依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機械開關來處理信息。後來，科研人員把兩個晶體管放置到一個硅晶體中，這樣便創作出第一個集成電路，後來才有了中央處理器。看到這裡，你一定想知道，晶體管是如何利用 0 和 1 這兩種電子信號來執行指令和處理數據的呢？所有電子設備都有自己的電路和開關，電子在電路中流動或斷開，完全由開關來控制，如果將開關設置為 OFF，電子停止流動，如果再將其設置為 ON，電子又會繼續流動。晶體管這種 ON 與OFF 的切換隻由電子信號控制，我們可以將晶體管稱之為二進制設備。晶體管的ON 狀態用 1 來表示，而 OFF 狀態則用 0 來表示，這樣就可以組成最簡單的二進制數。眾多晶體管產生的多個 1 與 0 的特殊次序和模式能代表不同情況，將其定義為字母、數字、顏色和圖形。舉個例子，十進位中的 1 在二進位模式時也是1，2 在二進位模式時將是 10，3 將是11，4 將是100，5 將是101，6 將是110 等，依此類推，這就組成了計算機工作採用的二進制語言和數據。人多力量大，成組的晶體管聯合起來可存儲數值，也能進行邏輯運算和數字運算。加上石英時鐘的控制，晶體管組就像一部複雜的機器那樣同步地執行它們的功能。
二、CPU的基本工作過程——就像產品加工那樣簡單由晶體管組成的 CPU 是處理數據和執行程序的核心，其英文全稱為：Central Processing Unit，也就是中央處理器。雖然由多至幾千萬的晶體管組成，但其工作原理並不是想象中那麼深奧，只要歸納起來稍加分析就會一目瞭然。首先，CPU的內部結構可以分為控制單元，邏輯運算單元和存儲單元（包括內部總線及緩衝器）三大部分，各施其職。CPU的工作原理就像一個工廠對產品的加工過程：進入工廠的原料（ 程 序 指 令 ），經過物資分配部門（控制單元）的調度分配，被送往生產線（邏輯運算單元），生產出成品（處理後的數據）後，再存儲在倉庫（存儲單元）中，最後等著拿到市場上去賣（交由應用程序使用） 。在這個過程中，我們注意到從控制單元開始，CPU就開始了正式的工作，中間的過程是通過邏輯運算單元來進行運算處理，交到存儲單元代表工作的結束。這個過程看起來相當長，其實只是一瞬間發生的事情。換另外一種表達方式，也可以這樣理解：CPU 只執行三種基本的操作，分別是讀出數據、處理數據和往內存寫數據。它的標稱速度一般用 Hz 來表示，但CPU 其他方面，比如芯片設計，對於 CPU 性能也起著非常重要的作用。
三、怎樣提高CPU的工作效率既然 CPU 的主要工作是執行指令和處理數據，那麼工作效率將成為 CPU 的最主要內容，因此，各CPU 廠商也盡力使CPU 處理數據速度更快。根據 CPU 的內部運算結構，一些製造廠商在 CPU 內增加了另一個算術邏輯單元（ALU） ，或另外再設置一個處理非常大和非常小數據的浮點運算單元（FPU —— Floating Point Unit），這樣就大大加快了數據運算的速度。而在執行效率方面，一 些 廠 商 通過流水線方式或以幾乎並行工作的方式執行指令以提高指令的執行速度。剛才我們提到，指令的執行需要許多獨立的操作，諸如取指令和譯碼等。最初CPU在執行下一條指令之前必須全部執行完上一條指令，而現在則由分佈式的電路各自執行操作。也 就 是 說 ，當 這 部 分 的電路完成了一件工作後，第二份工作立即佔據了該電路，這 樣 就 大大增加了執行方面的效率。另外，為了讓指令與指令之間的連接更加準確，現在的CPU通常會採用多種預測方式來控制指令更高效率地執行。在這一點上，英特爾和AMD在怎樣使 Pentium 4和 Athlon XP芯片運行得更快上產生了微小的分歧。英特爾在通道中使用了更多的階段（即使用了更長、運算步驟更多的流水線），每一階段執行較以前少的工作，這樣這種芯片的時鐘可以更快。儘管Athlon的芯片核心頻率更慢，但它的運算管道更短，所以速度反而更快，因為較短的通道可以減少錯誤預測分支的代價。Pentium 4目前是英特爾推出的最強大的32位處理器，它代表了一種處理器的新思考方式。Pentium 4的重點是時鐘的速度，它的核心結構是按照能運行在10GHz的標準設計的，儘管在處理器幾乎達到極限速度之前，我們或許將不斷看到顯著不同的新CPU結構的出現。將Pentium III核心通道中大約10個內部步驟擴展到新芯片中的大約20步，開發者能加速時鐘頻率，同時在任意時間內能夠高速執行更多的指令。這 意 味 著 早期的 Pentium 4實際運行速度比 Pentium III 還慢，這是因為 Pentium III 的通道在時脈週期內更為有效。可是 Pentium 4的時鐘速度越來越快，而Pentium III 的時鐘速度不再增加，最終Pentium 4在各個方面超過Pentium III。為什麼同頻率的Athlon XP比Pentium 4更快？Athlon XP的管線長度為15段，而Pentium 4的管線長度為20段，也就是說，在其他條件一定的情況下，Athlon XP完成一個指令要15步，而Pentium 4需要20步，所以完成相同的任務，Pentium 4 所需的時間更長。那為什麼Athlon同樣比管線長度只有10段的 Pentium III快呢？這就不僅是因為Athlon比Pentium III更晚推出，設計更優秀，而且還因為Athlon擁有128KB一級緩存，而Pentium III只有32KB一級緩存，這也是非常影響速度的部分。
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