CPU 中央處理器

中央處理器（Central Processing Unit，CPU），是電腦的主要裝置之一。其功能主要是解釋電腦指令以及處理電腦軟件中的資料。所謂電腦的可程式性主要是指對CPU的編程。CPU、內部存儲器和輸入/輸出裝置是現代電腦的三大核心部件。由積體電路製造的CPU，20世紀70年代以前，本來是由多個獨立單元構成，後來發展出微處理器CPU複雜的電路可以做成單一微小功能強大的單元。

「中央處理器」這個名稱，籠統地說，是對一系列可以執行複雜的電腦程式的邏輯機器的描述。這個空泛的定義很容易地將在「CPU」這個名稱被普遍使用，之前的早期電腦也包括在內。無論如何，至少從20世紀60年代早期開始(Weik 1961)，這個名稱及其縮寫已開始在電腦產業中得到廣泛應用。儘管與早期相比，「中央處理器」在物理形態、設計製造和具體任務的執行上有了戲劇性的發展，但是其基本的操作原理一直沒有改變。

早期的中央處理器通常是為大型及特定應用的電腦而定製。但是，這種昂貴的為特定應用定製CPU的方法很大程度上已經讓位於開發便宜、標準化、適用於一個或多個目的的處理機類。這個標準化趨勢始於由單個電晶體組成的大型機和微機年代，隨着積體電路的出現而加速。IC使得更為複雜的CPU可以在很小的空間中設計和製造（在微米的量級）。CPU的標準化和小型化都使得這一類數碼裝置（港譯-電子零件）在現代生活中的出現頻率遠遠超過有限應用專用的電腦。現代微處理機出現在包括從汽車到手機到兒童玩具在內的各種物品中。

在現今的CPU出現之前，如同埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator and Computer）之類的電腦在執行不同程式時，必須經過一番線路調整才能啟動。由於它們的線路必須被重設才能執行不同的程式，這些機器通常稱為「固定程式電腦」（fixed-program computer）。而由於CPU這個詞指稱為執行軟件（電腦程式）的裝置，那些最早與儲存程式型電腦（stored-program computer）一同登場的裝置也可以被稱為CPU。

儲存程式型電腦的主意早已呈現在ENIAC的設計上，但最終還是被省略以期早日完成。在1945年6月30日，ENIAC完成之前，著名數學家馮紐曼發表名為"First Draft of a Report on the EDVAC"的論文。它揭述儲存程式型電腦的計劃將在1949年正式完成(馮諾依曼1945)。EDVAC的標的是執行一定數量與種類的指令（或操作），這些指令結合產生出可以讓EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）執行的有用程式。特別的是，為EDVAC而寫的程式是儲存在高速電腦記憶體中，而非由實體線路組合而成。這項設計克服了ENIAC的某些局限——即花費大量時間與精力重設線路以執行新程式。在馮諾依曼的設計下，EDVAC可以借由改變記憶體儲存的內容，簡單更換它執行的程式（軟件）。

值得注意的是，儘管馮諾依曼由於設計了EDVAC，使得他在發展儲存程式型電腦上的貢獻最為顯著，但其他早於他的研究員如Konard Zuse也提出過類似的想法。另外早於EDVAC完成，利用哈佛架構製造的馬克一號，也利用打孔紙帶而非電子記憶體用作儲存程式的概念。馮諾依曼架構與哈佛架構最主要的不同在於後者將CPU指令與資料分開存放與處置，而前者使用相同的記憶體位置。大多近代的CPU依照馮諾依曼架構設計，但哈佛架構一樣常見。

身為數位裝置，所有CPU處理不連續狀態，因此需要一些轉換與區分這些狀態的基礎元件。在市場接受電晶體前，繼電器與真空管常用在這些用途上。雖然這些材料速度上遠優於純粹的機械構造，但是它們有許多不可靠的地方。例如以繼電器建造直流時序邏輯迴路需要額外的硬件以應付接觸點跳動問題。而真空管不會有接觸點跳動問題，但它們必須在啟用前預熱，也必須同時停止運作。通常當一根真空管壞了，CPU必須找出損壞元件以置換新管。因此早期的電子真空管式電腦快于電子繼電器式電腦，但維修不便。類似EDVAC的真空管電腦每隔八小時便會損壞一次，而較慢較早期的馬克一號卻不太發生故障(Weik 1961:238)。但在最後，由於速度優勢，真空管電腦支配當時的電腦世界，儘管它們需要較多的維護照顧。大多早期的同步CPU，其时脈頻率（clock rate）低於近代的微電子設計。那時常見的时脈頻率為100千赫茲到4百萬赫茲，大大受限於內建切換裝置的速度。