第1节　计算机的“大脑”——CPU

首先，我们来介绍一下计算机最重要的部位，它的“大脑”——中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。

简单来说，CPU就是处理所有运算的核心部件，也叫芯片。所有的计算机中都有CPU。

我们举个例子，第1章中我们提到过，计算器程序可以帮助我们计算数字，只要我们输入数字和运算符号，计算机就能马上给出答案。计算机是如何做到的呢？秘密就在CPU里面——计算机把数字和运算符号传递给CPU，CPU进行计算，然后再把结果告诉我们。

当然，CPU不仅仅能计算数字，它还可以做很多逻辑运算。可以说，计算机能完成的所有事情，都是靠CPU协调计算机的其他部分来完成的。

CPU这么强大，它到底在哪里呢？下面，我们就来找找看。

我们还是以台式计算机为例，如图1-0-1所示，右侧黑色的箱子就是台式计算机的机箱，CPU就在这个机箱里面。我们拆开来看，如图2-1-1所示，有风扇的地方就是CPU了。

在CPU外部，有一个风扇形状的罩子，没错，那就是风扇。

这里需要给小朋友们特别说明一下。计算机的各个部件都很精密、脆弱，我们要好好保护它，在对计算机没有深入了解之前，千万不要自己动手拆卸它们，否则很容易造成不可挽回的损害。

我们上边说的都是台式计算机，其他计算机也是类似的。

我们再来看看手机中的CPU。如图2-1-2所示，打开手机的外壳，我们就可以看到手机的电路板，CPU就嵌在里面。当然，不同型号的手机，CPU的位置和大小都不一样，我们可以对比一下台式计算机和手机的CPU。

从外观来看，两者最大的不同就是尺寸的大小。为什么会有这样的不同呢？这其实跟应用场景的不同有关系。

台式计算机一般都摆放在桌面上，可以放置的空间比较大，因此能容纳体积较大的CPU；CPU体积大，耗电就多，产生的热量也多，而台式计算机可以在CPU上面加置风扇，这样可以更好地散热；同时，台式计算机一般不会来回搬动，可以使用比较稳定的电源。所以，台式计算机的大小和耗电都没有特别的限制，我们可以在CPU里放置更多的晶体管线路，以追求更快的运算速度。

再来看看手机里的CPU。因为我们一般都是在移动的环境下使用手机的，手机使用的场景也比较复杂，没有稳定的电源，只能靠电池来供电；手机空间太小，也就没有办法安装风扇。所以，手机的CPU尺寸不能太大，耗电也不能太高。这就注定了CPU要设计得尽量小、尽量省电，所以，手机CPU的性能也是有限的。

那么，CPU内部又是由什么构成的呢？怎么比较不同的CPU呢？

CPU的真面目——硅

如图2-1-3所示，台式计算机的CPU就是一个长满了针脚的卡片，大概有手掌心大小。下面，让我们继续走近CPU，探索它外表之下的故事。

如果我们拆开CPU外部这层塑料或者陶瓷的卡片，就能看到CPU的真面目——硅。要在这么小的物体上雕刻出上亿个晶体管电路，只有硅这样的材料才能满足硬度和导电性的要求。最重要的是，硅在地球上非常容易获得。

怎么在这么小的硅片上雕刻出这么多晶体管呢？这里的技术含量确实非常高，尤其是对精度的要求达到了纳米（纳米是长度单位，1米等于10亿纳米）的级别，拿我们的头发来说，一根头发丝的直径大概有几万纳米，而制作CPU需要在硅片上雕刻出万分之一头发丝粗细的电路，可想而知CPU的生产工艺有多复杂。

随着手机等各种移动计算机的普及，人们对CPU的尺寸需求越来越小，性能需求却越来越高。在CPU制造行业有一个有趣的定律：CPU上集成电路的数量每隔18—24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。这就是英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出的“摩尔定律”。

那么，CPU的生产会不会一直遵循摩尔定律呢？显然是不会的，因为它还受到物理因素的限制。

我们对任何物质进行分割，总会分割到一定程度就不能再分割了，这个不能再被分割的部分叫原子。虽然大千世界的物质千姿百态，但万事万物都是由原子构成的，包括我们的身体。这就是大自然的神奇所在。

原子的大小就是摩尔定律的极限。原子的直径大概只有0.1纳米，目前CPU的生产精度已经逼近这个极限了。

那怎样才能突破CPU的极限呢？其实，业内已经在进行各种尝试，一种方式是找到比硅更好的材质；另一种方式是彻底改变目前晶体管电路的架构，找到更省资源、更高效的模拟计算方式。

这里我们需要解释一下，晶体管电路这种模拟计算的方式，其实并没有大家想象的那么神秘，它是没有意识的，比如当我们让计算机进行数学运算时，它其实并不知道自己在“算数”，它只是按照人类的命令进行固定的操作而已，它也并不清楚运算的意义，是人类赋予了计算机运算的意义。

举个例子，我们想象一下在桌子上有一堆大米，我们想数一下这堆大米的数量是不是成对的。我们可以借助家里的电灯来完成——数到第一颗的时候，就打开灯，再数到一颗，就关掉灯，以此类推。当我们把米粒都数完以后，如果灯还亮着，就说明大米粒的数量不是成对的，反之，就是成对的。这里电灯的开和关本身没有意义，是我们人类用它来代表数量是否成对，用这种方式来模拟计算。

再举个例子，如图2-1-4所示，算盘其实也可以被看作一种计算机，算盘的口诀就是一种模拟计算的方式，我们只需要按照口诀进行操作，算盘就能帮我们算出想要的结果，但是，算盘本身是不知道自己在做什么的，是我们人类赋予了它意义。

晶体管电路也是如此。我们将电流在不同线路经过后的表现来代表不同的含义，只不过它比算盘更复杂、更精密而已。如果我们能找到更好的模拟计算的方式，就可以突破目前CPU的性能极限。晶体管具体是怎样模拟计算的，我们会在后面的章节讲解哦。

当然，除了继续挖掘单个CPU的潜力以外，我们还有另外一种方式来打破极限，那就是让多个CPU协同作战，“三个臭皮匠，赛过诸葛亮”，人多力量大。我们甚至还可以在一个CPU内部做出多个“核”等。

给CPU做个体检

在上节，我们了解了CPU的结构和材料。这么多大大小小、不同用途的CPU，虽然材质一样，差异却是巨大的。就像我们人类，虽然是同一物种，但大家的身高、体重等都有所差异。下面，我们就来给CPU做个“体检”，看看CPU之间的不同吧。

怎么给CPU做体检呢？在哪里可以看到CPU的信息呢？又到实际操作的环节了，小朋友们，请跟着下面的步骤去实际操作一下吧。

我们以台式计算机或者笔记本电脑为例。首先，在计算机的屏幕上找到“计算机”图标；然后，在图标上单击鼠标右键，就会弹出如图2-1-5所示的菜单；接着，点击“属性”，就会看到如图2-1-6所示的界面。

在这个界面上，我们就可以看到这台计算机的基本信息了。图2-1-6中红色标记部分就是CPU的信息。

如果计算机的操作系统不同，那么这个操作步骤也会略有不同。不过没关系，你还记得我们曾经聊过的搜索引擎吗？任何不明白的事，我们都可以去问它哦。尝试去搜索一下自己寻找答案吧。

下面，我们来解释一下CPU的基本信息。图2-1-6中红色标记部分如下：

Intel(R) Core(TM) i5-5257U CPU @ 2.70GHz  2.70 GHz

首先，“Intel(R)”是个CPU的品牌，说明它是英特尔公司生产的；“R”是英文单词“Register”的缩写，代表“注册商标”的意思。

接下来，“Core(TM) i5-5257U CPU”代表了CPU的型号，其中“i5”是主版本型号。怎么理解主版本型号呢？举个例子，就像我们上学的年级——一年级、二年级等，不同的年级代表着不同的学习阶段，这样别人就可以通过年级直观地了解我们的很多信息，比如上过几年学、学过哪些课程、大概的知识体系等。同样的道理，我们通过主版本号就能了解CPU的很多信息，比如这是英特尔的第几代产品、性能的大概情况、特性等。

我们继续来看，“2.70GHz”代表什么意思呢？Hz是频率的单位，中文读作“赫兹”，意思就是1秒钟内进行周期性动作的次数，在这里就是指CPU在1秒内运算的次数。G是数量单位，就像我们说的“百”“千”“万”一样，1G等于1000000000，也就是10亿，“2.70GHz”翻译过来，就是CPU每秒钟会计算27亿次。很显然，次数越多代表CPU的性能越强。

当然，我们上一篇也讲过，CPU是通过电流流过电路来模拟计算的，运算的频次越高，代表着电流流过的频次越高，发热就会越厉害，对制造的工艺要求也就越高。小朋友们，你有没有过这样的体验，当我们玩手机或平板电脑一段时间之后，手机或平板电脑的背面就会很热，这其实就是CPU一直在高速运转的缘故。

最后，又出现了一个“2.70 GHz”，这是什么意思呢？这代表这款CPU有两个“核”。这里的“核”我们可以理解为小的CPU。上节我们说过，CPU总会有性能的瓶颈，而突破瓶颈的办法之一就是把多个核组装到一个CPU上，这样所有核就可以同时进行计算，即所谓的“人多力量大”，这样的效率肯定会高过单个核。

那是不是核越多越好呢？理论上是这样的。但是，核越多，CPU的制作工艺就越复杂。

现在，CPU的两个最核心的要素——频率和核数，我们都讲完了，它们一个代表1秒钟内计算的次数，一个代表有多少个核在并行计算。

理论上讲，频率越高、核数越多，CPU的性能越高。我们可以根据这两个指标来比较不同的CPU性能。以手机为例，我们经常听到某个手机是“几核”的，“核”前面的数字越大，就代表这个手机的性能越好。

当然，CPU的硬件条件再好，如果不能充分利用起来，整台计算机的运算效率也不会很高，这跟我们如何分配计算的任务有关系。比如我们要搬家，有10件物品需要搬运，如果5个人搬，需要搬两趟；而如果10个人来搬，那么一趟就够了，效率确实高很多；但是，如果20个人搬，也只需要一趟，效率和10个人一样。

同理，我们在使用计算机的时候，就是在向CPU下达任务。还是以台式计算机为例，有时我们会打开很多应用程序，比如前几篇提到的计算器、办公软件、浏览器等，分配这些任务的方式，会影响计算机的最终效率。在这里我们先卖一个关子，在第3章我们还会继续聊这个话题。

小朋友们，动手时间到了。请大家去搜索引擎，搜索一下“i5”，了解这款CPU的更多信息吧。

透视CPU内部的逻辑结构

在上两节中，我们聊了CPU的材质以及衡量其性能的指标。那么，CPU到底怎么实现的计算呢？下面，我们就来聊聊CPU的内部逻辑结构。

什么叫逻辑结构呢？这个词是跟物理结构相对应的。物理结构包括CPU的材质、形状以及内部元器件和电路的样子，而逻辑结构则描述了CPU在功能层面分为哪些单元、每一个单元都对应什么功能、不同的单元又是如何协作完成整个运算的。

我们仍以数值计算为例，看看CPU是怎么完成这个任务的。比如我们想要通过台式计算机中的计算器程序计算1+1+1+1，就要依次输入数字和符号，但实际上CPU是没法直接理解我们的操作的，是计算器程序将我们的各种操作转换成了CPU能够识别的形式，这个形式就叫指令。编写计算器程序的过程叫作编程，编写程序的人被称为工程师，工程师其实就是我们跟计算机之间的翻译，他们通过编写各种应用程序，在我们跟计算机之间搭建起沟通的桥梁。后面我们还会继续了解这个过程哦。

通过计算器程序的转换，“1+1+1+1”就被分解成类似于“(((1+1)+1)+1)”这样的加法指令。CPU有一个单元，叫控制单元，专门接收这些指令，并且控制这些指令的执行。

CPU接收到“(((1+1)+1)+1)”这条指令后，就要进行实际的运算了，这个实际进行计算的单元就叫运算单元。

运算单元每计算完一次加法，都会得到一个中间的结果，比如计算“(((1+1)+1)+1)”时，先算最中间的括号(1+1)，得到2，那么，CPU就得把2记录下来，用于下一次的计算。这个记录数据的单元就是CPU的存储单元。

总结起来，CPU由三个逻辑单元构成，分别是控制单元、运算单元和存储单元。如图2-1-7所示，控制单元接收外界的指令，然后根据指令，控制运算单元和存储单元进行数据的运算和存储。

我们知道，计算机上有很多应用程序，这么多应用程序都要给CPU发送指令，要执行的任务不一样，指令也就不一样。那么，CPU得设计多少种类型的指令才能满足需求呢？实际上，业内有两种指令类型的设计方式，一种叫复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，简称CISC）架构，另一种叫精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，简称RISC）架构。

大家先别被复杂的名称吓到，听我慢慢解释。打个比方，把我们对计算机的各种操作翻译成CPU能懂的指令，CPU再完成指令的过程，就像用不同形状的积木来搭玩具，一种形状的积木就是一种指令，最终搭成的玩具就是计算机要完成的操作。要搭建的玩具不同，需要的积木种类就不同，到底需要多少种积木才能满足需求呢？这个所需积木的种类就是指令集。

那么，积木的设计就有两种思路。

一种是把积木做得足够小、足够通用，如图2-1-8所示，积木的种类虽少，但无论你要搭建什么，都可以完成。这就是RISC架构的原理。因为指令种类少，所以这些指令的集合叫作精简指令集。

这种方式的优点就是指令集简单，CPU的制作也简单，CPU可以被做得足够小巧。而且，因为每次执行的指令比较小，所以执行效率就比较高。当然，它也有缺点，那就是每次搭建一个玩具所需的步骤比较多，搭建起来比较麻烦。对应到CPU上来说，就是每次将用户的操作翻译成指令和执行指令的过程都比较麻烦。

另一种设计思路就是把积木做得比较大，如图2-1-9所示，我们针对要搭建的目标来设计积木。这样设计的好处是搭建的时候比较简单，只需要拼接几下就可以完成任务，对应到CPU来说就是，将用户的操作翻译成CPU能懂的指令和执行指令的过程，这样运行起来比较简单。这就是CISC架构的原理。

但是，这种方式的缺点是，因为要搭建的目标实在太多，所以需要的积木种类就比较多。对应到CPU上，就是指令的种类比较多，所以这些指令的集合叫作复杂指令集。要支持这么多复杂的指令，CPU的制作难度就很高，执行单个指令的效率也比较低。

在实际的计算机设计中，这两种方式都被普遍采用了。比如CISC架构，就被英特尔公司用在了台式计算机的CPU中；而RISC架构，则在我们的手机以及其他移动设备中被普遍采用，其中英国ARM公司的产品在这类CPU中占主流。

为什么两类指令集架构分别被用在了两类不同的计算机上呢？小朋友们可以开动脑筋想一想。

本章我们讲的东西有点难度，下面我们来总结一下：

CPU在逻辑上由3个单元构成，分别是接受指令的控制单元、实际进行计算的运算单元和存储计算数据的存储单元。我们在各种应用程序中进行的各种操作，最终都会被翻译成CPU能够执行的指令。要支持这么多复杂的操作，CPU中要预先设计好指令集。指令集的设计有两种思路，一种是精简指令集，另一种是复杂指令集。这两种指令集各有优缺点，分别适合不同的设备。