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每周一讲之硬件基础专题：CPU的基础知识

楼主： 2008-5-24 0:15:24

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精华

1、什么是CPU
中央处理器是英语“Central Processing Unit”的缩写，即CPU，CPU是电脑中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由cpu负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。
中央处理器cpu包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。中央处理器从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。
①运算逻辑部件。可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。
②寄存器部件。包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作结果。通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。
③控制部件。主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。

2、怎么评价CPU的性能CPU性能有那些指标？
架构
或者叫微架构，比如我们常说的“扣肉”指的就是酷睿，既是新一代CPU的代号，也是一种微架构；AMD的K8平台，这里的K8指的也是一种微架构。

·主频
　　主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。CPU的主频＝外频×倍频系数。很多人认为主频就决定着CPU的运行速度，这不仅是个片面的认识，而且对于服务器来讲，这个认识也出现了偏差。至今，没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的量值关系，即使是两大处理器厂家Intel和AMD，在这点上也存在着很大的争议。
　　CPU的主频与CPU实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。在Intel的处理器产品中，我们也可以看到这样的例子：1 GHz Itanium芯片能够表现得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一样快，或是1.5 GHz Itanium 2大约跟4 GHz Xeon/Opteron一样快。CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。
　　当然，主频和实际的运算速度是有关的，只能说主频是CPU性能表现的一个方面，而不能代表CPU的整体性能。不同架构的CPU，其主频高低并不能代表其性能的高低，但当然，对于同一系列的CPU来说，主频高低，就基本上可以代表它的性能高低。
　　
·外频

外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。说白了，在台式机中，我们所说的超频，都是超CPU的外频（当然一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服务器CPU来讲，超频是绝对不允许的。前面说到CPU决定着主板的运行速度，两者是同步运行的，如果把服务器CPU超频了，改变了外频，会产生异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务器系统的不稳定。
　　目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度，在这种方式下，可以理解为CPU的外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。外频与前端总线(FSB)频率很容易被混为一谈，下面我们在前端总线的介绍中谈谈两者的区别。
·前端总线(FSB)频率
前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即数据带宽＝(总线频率×数据位宽)/8，数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比方，现在的支持64位的至强Nocona，前端总线是800MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4GB/秒。
　　外频与前端总线(FSB)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；
而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。

但AMD的K8平台起，就不存在传统意义上说的“前端总线了”取而代之的，就是HT这种点对点的总线。　　
“HyperTransport”构架的出现，让这种实际意义上的前端总线(FSB)频率发生了变化。之前我们知道IA-32架构必须有三大重要的构件：内存控制器Hub (MCH) ，I/O控制器Hub和PCI Hub，像Intel很典型的芯片组 Intel 7501、Intel7505芯片组，为双至强处理器量身定做的，它们所包含的MCH为CPU提供了频率为533MHz的前端总线，配合DDR内存，前端总线带宽可达到4.3GB/秒。但随着处理器性能不断提高同时给系统架构带来了很多问题。而“HyperTransport”构架不但解决了问题，而且更有效地提高了总线带宽，AMD 的K8系列起，灵活的HyperTransport I/O总线体系结构让它整合了内存控制器，使处理器不通过系统总线传给芯片组而直接和内存交换数据。
另外，在INTEL的下一代CPU架构中，也将采用这种类似的点对点总线。

·CPU的位和字长
　　位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是 “0”或是“1”在CPU中都是一“位”。
　　字长：电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。
所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。
我们现在的CPU，大多都是64位的。

·倍频系数
　　倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高倍频而得到高主频的CPU就会出现明显的“瓶颈”效应—CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。一般的CPU都是锁了倍频的。而近期AMD推出的“黑盒”，容易超频，就是因为它没有锁定倍频。

·缓存
　　缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。
　　L1　Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32—256KB。
　　L2　Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量通常有256KB-2MB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存可以有256KB-3MB，有的4MB也不为过。
　　L3　Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。　　
另外要注意的，对于先进的架构而言，都在进一步的将L2及L3做成共享式，以提高在L2及L3的利用率。

3、常见的CPU厂家及品牌
IBM：POWER、CELL
INTEL：至强、酷睿、奔腾、赛杨，
AMD：皓龙、速龙、闪龙
VIA：C7
国产龙芯

4、CPU的针脚
　　目前CPU都采用针脚式接口与主板相连，而不同的接口的CPU在针脚数上各不相同。CPU接口类型的命名，习惯用针脚数来表示，比如目前Pentium 4系列处理器所采用的Socket 478接口，其针脚数就为478针；而Athlon XP系列处理器所采用的Socket 939接口，其针脚数就为939针。

原则上CPU性能的好坏和针脚数的多少是没有关系的，而且CPU上的针脚也并不是每个针脚都是起作用的，也就是说其实CPU上还有些针脚是没有任何作用的“摆设”，是闲置起的。这是因为CPU厂商在设计CPU时，必然会考虑到今后一段时间内的功能扩展和性能提高，而会预留一些暂时不起作用的针脚以便今后改进。不过随着CPU技术的发展，需要越来越多的CPU针脚以实现更丰富的功能以及更高的性能，例如集成双通道内存控制器所需要的针脚数量就要比只集成单通道内存控制器所需要的针脚数要多得多，因此总的来说CPU针脚数有越来越多的趋势，基本
上可以认为针脚多的CPU其架构也越先进。但是任何事物都不是绝对的
另外要提一下的是LGA：
LGA(LAND GRID ARRAY)是INTEL64位平台的封装方式，触点阵列封装，也叫SocketT,通常叫LGA，也有人习惯了叫socket，是不对的。LGA775意思是采用775针的CPU, socket775是主板上采用775针的接口。理解起来是一个意思。其封装方式特征是没有了以往的针脚，其只有一个个整齐排列的金属圆点，故此 CPU 并不能利用针脚固定接触，而是需要一个安装扣架固定，令 CPU 可以正确压在 Socket 露出来的具弹性的触须上，其原理就像 BGA 一样，只不过 BGA 是用锡焊死，而 LGA 则是可以随是解开扣架而更换芯片。
这种变革可以有效克服针脚接触造成的信号干扰. 由于传统的CPU采用针式封装设计时，使处理器运行在高频时会产品大量信噪，造成信号干扰。而为避免这些高频杂信干扰，Intel为新一代平台重新设计了SocketT处理器安装界面。新的设计虽解决了一些原有的问题，但也同时带来的一些令人意想不到的缺点：SocketT插座上的触点因很容易被损坏折断，严重时可能会导致整块主板因此而报废。
Intel因此被指责其处理器采用无针式设计，是为了避免大量产品因断针损毁，令处理器生产成本上涨，让处理器采用LGA775无针式封装后，便可把风险转嫁给主板生产厂商。Intel当然没有正面回应这些传言，但该公司表示会加强SocketT插座强度，以减少损坏机率。

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