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CPU相关知识!!!
 
时间:2008/3/18 10:09:21 来源:鑫海电脑学校

一:CPU主频率
      这是一个最受新手关注的指标,指的就是CPU内核工作的时钟频率(CPU Clock Speed)。通常所说的某款CPU是多少兆赫兹的,而这个多少兆赫兹就是“CPU的主频”。主频虽与CPU速度有关系,但不是绝对的正比关系,因为CPU的运算速度还要看CPU流水线(流水线下面介绍)的各方面性能指标(缓存、指令集,CPU位数等)。因此主频不代表CPU的整体性能,但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。主频的计算公式为:主频=外频*倍频。

二:外频:
    外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率,单位是MHz(兆赫兹)。在早期的电脑中,内存主板之间的同步运行的速度等于外频,在这种方式下,可以理解为CPU外频直接与内存相连通,实现两者间的同步运行状态。对于目前的计算机系统来说,两者完全可以不相同,但是外频的意义仍然存在,计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上,乘以一定的倍数来实现。

三:倍频
  CPU的倍频,全称是倍频系数。CPU的核心工作频率与外频之间存在着一个比值关系,这个比值就是倍频系数,简称倍频。理论上倍频是从1.5一直到无限的,但需要注意的是,倍频是以以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频,所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升。原先并没有倍频概念,CPU的主频和系统总线的速度是一样的,但CPU的速度越来越快,倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式变为:主频 = 外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数,当外频不变时,提高倍频,CPU主频也就越高。

四:流水线
      对于CPU来说,它的工作可分为获取指令、解码、运算、结果几个步骤。其中前两步由指令控制器完成,后两步则由运算器完成。按照传统的方式,所有指令按顺序执行,先由指令控制器工作,完成一条指令的前两步,然后运算器工作,完成后两步,依此类推……很明显,当指令控制器工作时运算器基本上处于闲置状态,当运算器在工作时指令控制器又在休息,这样就造成了相当大的资源浪费。于是CPU借鉴了工业生产中被广泛应用的流水线设计,当指令控制器完成了第一条指令的前两步后,直接开始第二条指令的操作,运算器单元也是,这样就形成了流水线。流水线设计可最大限度地利用了 CPU资源,使每个部件在每个时钟周期都在工作,从而提高了CPU的运算频率。
        工业生产中采用增设工人的方法加长流水线作业可有效提高单位时间的生产量,而CPU采用级数更多的流水线设计可使它在同一时间段内处理更多的指令,有效提高其运行频率。如Intel在Northwood核心Pentium 4处理器中设计的流水线为20级,而在Prescott核心Pentium 4处理器中其流水线达到了31级,而正是超长流水线的使用,使得Pentium 4在和Athlon XP(整数流水线10级,浮点流水线15级)的频率大战中取得了优势。
        CPU工作时,指令并不是孤立的,许多指令需要按一定顺序才能完成任务,一旦某个指令在运算过程中发生了错误,就可能导致整条流水线停顿下来,等待修正指令的修正,流水线越长级数越多,出错的几率自然也变得更大,旦出错影响也越大。在一条流水线中,如果第二条指令需要用到第一条指令的结果,这种情况叫做相关,一旦某个指令在运算过程中发生了错误,与之相关的指令也都会变得无意义。
        最后,由于导电体都会产生延时,流水线级数越长导电延迟次数就越多,总延时自然也就越长,CPU完成单个任务的时间就越长。因此,流水线设计也不是越长越好的。

五:CPU缓存
      CPU缓存(Cache Memory)位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分,但这一小部分是短时间内CPU即将访问的,当CPU调用大量数据时,就可避开内存直接从缓存中调用,从而加快读取速度。由此可见,在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大,主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。
        缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时,首先从缓存中查找,如果找到就立即读取并送给CPU处理;如果没有找到,就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入缓存中,可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调用内存。
        正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高(大多数CPU可达90%左右),也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓存中,只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间,也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说,CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。
        最早先的CPU缓存是个整体的,而且容量很低,英特尔公司从Pentium时代开始把缓存进行了分类。当时集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求,而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量。因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存,此时就把 CPU内核集成的缓存称为一级缓存,而外部的称为二级缓存。一级缓存中还分数据缓存(Data Cache,D-Cache)和指令缓存(Instruction Cache,I-Cache)。二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令,而且两者可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。英特尔公司在推出Pentium 4处理器时,用新增的一种一级追踪缓存替代指令缓存,容量为12KμOps,表示能存储12K条微指令。
        随着CPU制造工艺的发展,二级缓存也能轻易的集成在CPU内核中,容量也在逐年提升。现在再用集成在CPU内部与否来定义一、二级缓存,已不确切。而且随着二级缓存被集成入CPU内核中,以往二级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变,此时其以相同于主频的速度工作,可以为CPU提供更高的传输速度。
        二级缓存是CPU性能表现的关键之一,在CPU核心不变化的情况下,增加二级缓存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二级缓存上有差异,由此可见二级缓存对于CPU的重要性。 CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中,当缓存中没有CPU所需的数据时(这时称为未命中),CPU才访问内存。从理论上讲,在一颗拥有二级缓存的CPU中,读取一级缓存的命中率为80%。也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%,剩下的20%从二级缓存中读取。由于不能准确预测将要执行的数据,读取二级缓存的命中率也在80%左右(从二级缓存读到有用的数据占总数据的16%)。那么还有的数据就不得不从内存调用,但这已经是一个相当小的比例了。目前的较高端的CPU中,还会带有三级缓存,它是为读取二级缓存后未命中的数据设计的—种缓存,在拥有三级缓存的CPU中,只有约5%的数据需要从内存中调用,这进一步提高了CPU的效率。
        为了保证CPU访问时有较高的命中率,缓存中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”(LRU算法),它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行设置一个计数器,LRU算法是把命中行的计数器清零,其他各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是一种高效、科学的算法,其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出缓存,提高缓存的利用率。
        CPU产品中,一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间,二级缓存的容量则分为128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一级缓存容量各产品之间相差不大,而二级缓存容量则是提高CPU性能的关键。二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的,容量增大必然导致CPU内部晶体管数的增加,要在有限的CPU面积上集成更大的缓存,对制造工艺的要求也就越高。

六:前端总线
      前端总线是处理器与主板北桥芯片或内存控制集线器之间的数据通道,其频率高低直接影响CPU访问内存的速度;BIOS可看作是一个记忆电脑相关设定的软件,可以通过它调整相关设定。BIOS存储于板卡上一块芯片中,这块芯片的名字叫COMS RAM。但就像ATA与IDE一样,大多人都将它们混为一谈。
      总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说,就是多个部件间的公共连线,用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多,前端总线的英文名字是Front Side Bus,通常用FSB表示,是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。
      CPU就是通过前端总线(FSB)连接到北桥芯片,进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道,因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大,如果没足够快的前端总线,再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。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,即数据带宽=(总线频率×数据位宽)÷8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种,前端总线频率越大,代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大,更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快,运算速度提高很快,而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU,较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU,这样就限制了CPU性能得发挥,成为系统瓶颈。
      CPU和北桥芯片间总线的速度,更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的,也就是说,100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次,它更多的影响了PIC及其他总线的频率。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆,主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时),前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线为外频,最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展,人们发现前端总线频率需要高于外频,因此采用了QDR(Quad Date Rate)技术,或者其他类似的技术实现这个目前。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X,它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高,从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。
七:CPU核心类型
Athlon XP的核心类型
        Athlon XP有4种不同的核心类型,但都有共同之处:都采用Socket A接口而且都采用PR标称值标注。
Palomino
        这是最早的Athlon XP的核心,采用0.18um制造工艺,核心电压为1.75V左右,二级缓存为256KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为266MHz。
Thoroughbred
      这是第一种采用0.13um制造工艺的Athlon XP核心,又分为Thoroughbred-A和Thoroughbred-B两种版本,核心电压1.65V-1.75V左右,二级缓存为256KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为266MHz和333MHz。
Thorton
      采用0.13um制造工艺,核心电压1.65V左右,二级缓存为256KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为333MHz。可以看作是屏蔽了一半二级缓存的Barton。
Barton
      采用0.13um制造工艺,核心电压1.65V左右,二级缓存为512KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为333MHz和400MHz。
新Duron的核心类型
AppleBred
        采用0.13um制造工艺,核心电压1.5V左右,二级缓存为64KB,封装方式采用OPGA,前端总线频率为266MHz。没有采用PR标称值标注而以实际频率标注,有1.4GHz、1.6GHz和1.8GHz三种。
Athlon 64系列CPU的核心类型
Clawhammer
        采用0.13um制造工艺,核心电压1.5V左右,二级缓存为1MB,封装方式采用mPGA,采用Hyper Transport总线,内置1个128bit的内存控制器。采用Socket 754、Socket 940和Socket 939接口。
Newcastle
        其与Clawhammer的最主要区别就是二级缓存降为512KB(这也是AMD为了市场需要和加快推广64位CPU而采取的相对低价政策的结果),其它性能基本相同。
AMD双核心处理器
        分别是双核心的Opteron系列和全新的Athlon 64 X2系列处理器。其中Athlon 64 X2是用以抗衡Pentium D和Pentium Extreme Edition的桌面双核心处理器系列。
        AMD推出的Athlon 64 X2是由两个Athlon 64处理器上采用的Venice核心组合而成,每个核心拥有独立的512KB(1MB) L2缓存及执行单元。除了多出一个核芯之外,从架构上相对于目前Athlon 64在架构上并没有任何重大的改变。
        双核心Athlon 64 X2的大部分规格、功能与我们熟悉的Athlon 64架构没有任何区别,也就是说新推出的Athlon 64 X2双核心处理器仍然支持1GHz规格的HyperTransport总线,并且内建了支持双通道设置的DDR内存控制器。
        与Intel双核心处理器不同的是,Athlon 64 X2的两个内核并不需要经过MCH进行相互之间的协调。AMD在Athlon 64 X2双核心处理器的内部提供了一个称为System Request Queue(系统请求队列)的技术,在工作的时候每一个核心都将其请求放在SRQ中,当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心,也就是说所有的处理过程都在CPU核心范围之内完成,并不需要借助外部设备。
        对于双核心架构,AMD的做法是将两个核心整合在同一片硅晶内核之中,而Intel的双核心处理方式则更像是简单的将两个核心做到一起而已。与Intel的双核心架构相比,AMD双核心处理器系统不会在两个核心之间存在传输瓶颈的问题。因此从这个方面来说,Athlon 64 X2的架构要明显优于Pentium D架构。
虽然与Intel相比,AMD并不用担心Prescott核心这样的功耗和发热大户,但是同样需要为双核心处理器考虑降低功耗的方式。为此AMD并没有采用降低主频的办法,而是在其使用90nm工艺生产的Athlon 64 X2处理器中采用了所谓的Dual Stress Liner应变硅技术,与SOI技术配合使用,能够生产出性能更高、耗电更低的晶体管。
        AMD推出的Athlon 64 X2处理器给用户带来最实惠的好处就是,不需要更换平台就能使用新推出的双核心处理器,只要对老主板升级一下BIOS就可以了,这与Intel双核心处理器必须更换新平台才能支持的做法相比,升级双核心系统会节省不少费用。
英特尔CPU核心
Tualatin
      这也就是大名鼎鼎的“图拉丁”核心,是Intel在Socket 370架构上的最后一种CPU核心,采用0.13um制造工艺,封装方式采用FC-PGA2和PPGA,核心电压也降低到了1.5V左右,主频范围从1GHz到1.4GHz,外频分别为100MHz(赛扬)和133MHz(Pentium III),二级缓存分别为512KB(Pentium III-S)和256KB(Pentium III和赛扬),这是最强的Socket 370核心,其性能甚至超过了早期低频的Pentium 4系列CPU。
Willamette
      这是早期的Pentium 4和P4赛扬采用的核心,最初采用Socket 423接口,后来改用Socket 478接口(赛扬只有1.7GHz和1.8GHz两种,都是Socket 478接口),采用0.18um制造工艺,前端总线频率为400MHz, 主频范围从1.3GHz到2.0GHz(Socket 423)和1.6GHz到2.0GHz(Socket 478),二级缓存分别为256KB(Pentium 4)和128KB(赛扬),注意,另外还有些型号的Socket 423接口的Pentium 4居然没有二级缓存!核心电压1.75V左右,封装方式采用Socket 423的PPGA INT2,PPGA INT3,OOI 423-pin,PPGA FC-PGA2和Socket 478的PPGA FC-PGA2以及赛扬采用的PPGA等等。Willamette核心制造工艺落后,发热量大,性能低下,已经被淘汰掉,而被Northwood核心所取代。
Northwood
        这是目前主流的Pentium 4和赛扬所采用的核心,其与Willamette核心最大的改进是采用了0.13um制造工艺,并都采用Socket 478接口,核心电压1.5V左右,二级缓存分别为128KB(赛扬)和512KB(Pentium 4),前端总线频率分别为400/533/800MHz(赛扬都只有400MHz),主频范围分别为2.0GHz到2.8GHz(赛扬),1.6GHz到2.6GHz(400MHz FSB Pentium 4),2.26GHz到3.06GHz(533MHz FSB Pentium 4)和2.4GHz到3.4GHz(800MHz FSB Pentium 4),并且3.06GHz Pentium 4和所有的800MHz Pentium 4都支持超线程技术(Hyper-Threading Technology),封装方式采用PPGA FC-PGA2和PPGA。按照Intel的规划,Northwood核心会很快被Prescott核心所取代。
Prescott
        这是Intel最新的CPU核心,目前Pentium 4 XXX(如Pentium 4 530)和Celeron D采用该核心,还有少量主频在2.8GHz以上的CPU采用该核心。其与Northwood最大的区别是采用了0.09um制造工艺和更多的流水线结构,初期采用Socket 478接口,目前生产的全部转到LGA 775接口,核心电压1.25-1.525V,前端总线频率为533MHz(不支持超线程技术)和800MHz(支持超线程技术),最高有1066MHz的Pentium 4至尊版。其与Northwood相比,其L1 数据缓存从8KB增加到16KB,而L2缓存则从512KB增加到1MB或2MB,封装方式采用PPGA,Prescott核心已经取代Northwood核心成为市场的主流产品。
Intel双核心处理器
      目前Intel推出的双核心处理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition,同时推出945/955芯片组来支持新推出的双核心处理器,采用90nm工艺生产的这两款新推出的双核心处理器使用是没有针脚的LGA 775接口,但处理器底部的贴片电容数目有所增加,排列方式也有所不同。
        桌面平台的核心代号Smithfield的处理器,正式命名为Pentium D处理器,除了摆脱阿拉伯数字改用英文字母来表示这次双核心处理器的世代交替外,D的字母也更容易让人联想起Dual-Core双核心的涵义。
ntel的双核心构架更像是一个双CPU平台,Pentium D处理器继续沿用Prescott架构及90nm生产技术生产。Pentium D内核实际上由于两个独立的2独立的Prescott核心组成,每个核心拥有独立的1MB L2缓存及执行单元,两个核心加起来一共拥有2MB,但由于处理器中的两个核心都拥有独立的缓存,因此必须保正每个二级缓存当中的信息完全一致,否则就会出现运算错误。
        为了解决这一问题,Intel将两个核心之间的协调工作交给了外部的MCH(北桥)芯片,虽然缓存之间的数据传输与存储并不巨大,但由于需要通过外部的MCH芯片进行协调处理,毫无疑问的会对整个的处理速度带来一定的延迟,从而影响到处理器整体性能的发挥。
由于采用Prescott内核,因此Pentium D也支持EM64T技术、XD bit安全技术。值得一提的是,Pentium D处理器将不支持Hyper-Threading技术。原因很明显:在多个物理处理器及多个逻辑处理器之间正确分配数据流、平衡运算任务并非易事。比如,如果应用程序需要两个运算线程,很明显每个线程对应一个物理内核,但如果有3个运算线程呢?因此为了减少双核心Pentium D架构复杂性,英特尔决定在针对主流市场的Pentium D中取消对Hyper-Threading技术的支持。
        同出自Intel之手,而且Pentium D和Pentium Extreme Edition两款双核心处理器名字上的差别也预示着这两款处理器在规格上也不尽相同。其中它们之间最大的不同就是对于超线程(Hyper-Threading)技术的支持。Pentium D不能支持超线程技术,而Pentium Extreme Edition则没有这方面的限制。在打开超线程技术的情况下,双核心Pentium Extreme Edition处理器能够模拟出另外两个逻辑处理器,可以被系统认成四核心系统。

八:CPU工艺
      指在硅材料上生产CPU时内部各元器材的连接线宽度,一般用微米表示。微米值越小制作工艺越先进,CPU可以达到的频率越高,集成的晶体管就可以更多。目前Intel的P4和AMD的XP都已经达到了0.65微米的制造工艺。

九:CPU扩展指令集
        CPU依靠指令来计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲,指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分,而从具体运用看,如Intel的MMX(Multi Media Extended)、SSE、 SSE2(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2)、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集,分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为CPU的指令集。SSE3指令集也是目前规模最小的指令集,此前MMX包含有57条命令,SSE包含有50条命令,SSE2包含有144条命令,SSE3包含有13条命令。目前SSE3也是最先进的指令集。

十:流水线与超流水线
虽然流水线之前说过了,但是在这再说说超流水线
流水线(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5~ 6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成5~6步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度。超流水线(superpiplined)是指某型CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上,例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步(级)其完成一条指令的速度越快,因此才能适应工作主频更高的CPU。但是流水线过长也带来了一定副作用,很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象,Intel的奔腾4就出现了这种情况,虽然它的主频可以高达1.4G以上,但其运算性能却远远比不上AMD 1.2G的速龙甚至奔腾III。

十一:封装形式
      CPU封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施,一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计,从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装,而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈,目前CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。

十二:HT(超线程)
        说说INTEL大展的HT技术吧,Intel正式发布了“Hyper-Threading Technology(超线程技术)”这项技术率先在XERON处理器上得到应用。通过使用该技术,Intel将提供世界上首枚集成了双逻辑处理器单元的物理处理器(其实就是在一个处理器上整合了两个逻辑处理器单元),据说能够提高40%的处理器性能,类似的技术似乎也出现在AMDK8-Hammer处理器上。

何为Hyper-Threading:
当今的处理器发展普遍向着提高处理器指令平铺速率的方向迈进,但由于所使用的处理器资源会有冲突,因此性能提升的效果并不理想。而通过Hyper-Threading技术,通过在一枚处理器上整合两个逻辑处理器(注:是处理器而不是运算单元)单元,使得具有这种技术的新型CPU具有能同时执行多个线程的能力,而这是现有其它微处理器都不能做到的。
        简单的说,Hyper Threading是一种同步多执行绪(SMT,simultaneous Multi-threading)技术,它的原理很简单,就是把一颗CPU当成两颗来用,将一颗具Hyper-Threading功能的“实体”处理器变成两个“逻辑”处理器而逻辑处理器对于操作系统来说跟实体处理器并没什么两样,因此操作系统会把工作线程分派给这“两颗”处理器去执行,让多种应用程序或单一应用程序的多个执行绪(thread),能够同时在同一颗处理器上执行;不过两个逻辑处理器是共享这颗CPU的所有执行资源。
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