CPU芯片基礎(chu)知(zhi)識 CPU芯片工作(zuo)原理(li) CPU芯片參數介紹

CPU是(shi)“Central Processing Unit”的(de)英(ying)語縮寫，中(zhong)文意思是(shi)“中(zhong)央處理(li)器”，有時我們也簡稱(cheng)它為“處理(li)器”或是(shi)“微(wei)處理(li)器”。它是(shi)整個計(ji)算機系統(tong)的(de)運算、控(kong)制中(zhong)心(xin)，也就是(shi)計(ji)算機的(de)“大(da)腦”。首先(xian)就讓(rang)買購網小編來帶大(da)家(jia)看(kan)看(kan)什(shen)么(me)是(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外(wai)形看上去(qu)非常簡單：它(ta)是(shi)一個(ge)矩形片(pian)狀物體，中間(jian)凸起的(de)(de)一片(pian)指甲大小的(de)(de)、薄(bo)薄(bo)的(de)(de)硅(gui)晶(jing)片(pian)部分(fen)是(shi)CPU核心(xin)，英(ying)文稱之為(wei)“die”。在(zai)這(zhe)塊小小的(de)(de)硅(gui)片(pian)上，密布(bu)著(zhu)數(shu)以千(qian)萬(wan)計的(de)(de)晶(jing)體管，它(ta)們(men)相互配合協調，完成著(zhu)各種復雜的(de)(de)運算和(he)操作（圖1）。CPU主要(yao)分(fen)為(wei)Intel和(he)AMD兩類(lei)，圖1是(shi)AMD生產(chan)的(de)(de)CPU，我們(men)將在(zai)下期細(xi)(xi)細(xi)(xi)講(jiang)述它(ta)們(men)之間(jian)的(de)(de)區(qu)別。

圖1 CPU正面俯視圖

CPU的(de)(de)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)工作(zuo)強度(du)很(hen)大，發(fa)熱量也大。而且CPU的(de)(de)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)非常脆弱，為了核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)的(de)(de)安全，同時為了幫助(zhu)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)散(san)(san)熱，于是現在的(de)(de)CPU一般在其核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)上(shang)加裝一個金(jin)屬蓋，此金(jin)屬蓋不僅可(ke)以避(bi)免核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)受到意外傷害，同時也增(zeng)加了核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)的(de)(de)散(san)(san)熱面積(ji)（圖(tu)2）。

圖(tu)2 加(jia)裝了(le)金屬蓋的CPU

金屬封裝殼周圍是CPU基板(ban)，它將CPU內部的(de)(de)信號引(yin)到(dao)CPU引(yin)腳上。基板(ban)的(de)(de)背(bei)面有許(xu) 多密密麻麻的(de)(de)鍍金的(de)(de)引(yin)腳，它是CPU與外部電路連接的(de)(de)通道(dao)，同(tong)時也起著固定CPU的(de)(de)作用（圖3）。

圖3 CPU背(bei)面的金屬(shu)針角

由于CPU的(de)核心(xin)發熱(re)量比較(jiao)大，為了(le)保(bao)護核心(xin)的(de)安全，如今(jin)的(de)CPU都得(de)加裝(zhuang)一(yi)個(ge)CPU散熱(re)器。散熱(re)器通常由一(yi)個(ge)大大的(de)合金散熱(re)片和一(yi)個(ge)散熱(re)風扇組成，用來將(jiang)CPU核心(xin)產生的(de)熱(re)量快速散發掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散熱(re)器(qi)

CPU的工作(zuo)(zuo)原(yuan)理(li)：CPU的內部(bu)結(jie)構可分為控制(zhi)(zhi)、邏(luo)輯(ji)、存(cun)儲(chu)(chu)三大部(bu)分。如果將CPU比作(zuo)(zuo)一(yi)臺(tai)機器的話，其工作(zuo)(zuo)原(yuan)理(li)大致是(shi)這(zhe)樣的：首先是(shi)CPU將“原(yuan)料”（程序(xu)發出(chu)的指令）經(jing)過“物(wu)質分配單位”（控制(zhi)(zhi)單元）進(jin)行初步調節，然(ran)后(hou)送到“加(jia)工車(che)床”（邏(luo)輯(ji)運算單元）進(jin)行加(jia)工，最后(hou)將加(jia)工出(chu)來(lai)的“產品(pin)”（處理(li)后(hou)的數據(ju)）存(cun)儲(chu)(chu)到“倉(cang)庫”（存(cun)儲(chu)(chu)器）中，以(yi)后(hou)“銷售部(bu)門”（應用程序(xu)）就可到“倉(cang)庫”中按(an)需提(ti)貨了。

二、透透徹徹看參數

見識了CPU的(de)廬山真面目之后(hou)，我們也該(gai)跟它好好交(jiao)流一番(fan)才行了，因為要真正透(tou)徹地了解CPU，就必須知(zhi)道CPU的(de)一些基礎參數的(de)含(han)義(yi)。

1.體現CPU工作能力的主頻、外頻、倍頻

（1）CPU的整體工作速度——主頻

主頻就是CPU的(de)(de)(de)時鐘(zhong)頻率(lv)，也就是CPU運算時的(de)(de)(de)工作頻率(lv)。我們平(ping)常(chang)經常(chang)掛在嘴邊的(de)(de)(de)“奔(ben)騰(teng)4 XXX MHz”講的(de)(de)(de)就是CPU的(de)(de)(de)主頻。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與主頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)關(guan)的(de)還(huan)有“外頻(pin)(pin)(pin)”與“倍(bei)(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)”這(zhe)兩個概念，“外頻(pin)(pin)(pin)”是(shi)系統總線(xian)的(de)工作頻(pin)(pin)(pin)率，而(er)“倍(bei)(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)”則(ze)是(shi)外頻(pin)(pin)(pin)與主頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)差的(de)倍(bei)(bei)(bei)數(shu)，主頻(pin)(pin)(pin)=外頻(pin)(pin)(pin)×倍(bei)(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)。我們(men)可以把外頻(pin)(pin)(pin)看做CPU這(zhe)臺“機器”內部的(de)一(yi)條生(sheng)(sheng)(sheng)產線(xian)，而(er)倍(bei)(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)則(ze)是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產線(xian)的(de)條數(shu)，一(yi)臺機器生(sheng)(sheng)(sheng)產速度的(de)快(kuai)慢（主頻(pin)(pin)(pin)）自然就是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產線(xian)的(de)速度（外頻(pin)(pin)(pin)）乘以生(sheng)(sheng)(sheng)產線(xian)的(de)條數(shu)（倍(bei)(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端總線是(shi)CPU與(yu)主(zhu)板北(bei)橋芯(xin)片之間連接的(de)通道，而“前端總線頻率”（FSB）就是(shi)該(gai)通道“運輸數(shu)據(ju)的(de)速(su)度”。如(ru)果將CPU看做一(yi)臺安裝在房(fang)間中的(de)大型機器的(de)話(hua)，“前端總線”就是(shi)這個房(fang)間的(de)“大門”。機器的(de)生產能力再強，如(ru)果“大門”很(hen)窄或(huo)者物體流通速(su)度比較慢(man)的(de) 話(hua)，CPU就不(bu)(bu)得不(bu)(bu)處于一(yi)種“吃不(bu)(bu)飽”的(de)狀(zhuang)態（圖5）。

圖5 “前(qian)端(duan)總線”圖釋

早期CPU的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)頻率是與(yu)CPU的(de)(de)外頻同步的(de)(de)。隨著CPU工(gong)作能力的(de)(de)加強(qiang)（主(zhu)頻越來越高），原(yuan)來的(de)(de)那種低頻率前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)已經滿足不了CPU的(de)(de)需要，于是人們(men)開始在(zai)“前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)頻率”上做起了文章——在(zai)不提高系統總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)基準頻率的(de)(de)前(qian)(qian)體下，將(jiang)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)單(dan)個(ge)時鐘周期能夠傳輸的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)個(ge)數(shu)(shu)以(yi)“倍數(shu)(shu)”增加。以(yi)當前(qian)(qian)的(de)(de)Pentium 4系列CPU為(wei)(wei)例，Intel為(wei)(wei)它設計了一個(ge)名為(wei)(wei)“Quad-pumped”的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)，其(qi)實質就是該前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)在(zai)一個(ge)時鐘周期內，可以(yi)傳輸4倍的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)。早期的(de)(de)Pentium 4的(de)(de)外頻都是100MHz，而由于采(cai)用了“Quad-pumped”技(ji)術，這類CPU的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)頻率便成了“100MHz×4=400MHz”。如今(jin)，Pentium 4的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)(zong)(zong)線(xian)(xian)已經達到了800MHz，但其(qi)實際的(de)(de)外頻是200MHz。

在認識了(le)這幾個參數之后，你(ni)應該明白(bai)“外頻≠前端總線頻率(lv)（FSB）”了(le)吧(ba)。 3.CPU對(dui)(dui)電(dian)源(yuan)的(de)(de)要求——工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya) 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)是指(zhi)CPU核心正(zheng)常工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)所(suo)需的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)。早期CPU的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)一般(ban)為5V，目(mu)前Pentium 4 CPU的(de)(de)核心工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)僅為1.5V左右(you)。提(ti)高(gao)CPU的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)可以提(ti)高(gao)CPU工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻率(lv)，但是過(guo)高(gao)的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)會帶來CPU發(fa)熱、甚至CPU燒壞的(de)(de)問題。而降(jiang)低CPU電(dian)壓(ya)(ya)不會對(dui)(dui)CPU造成物理損壞，但是會影響(xiang)CPU工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)的(de)(de)穩定性(xing)。因為降(jiang)低工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)會使CPU信號變弱，造成運算混亂。為了(le)降(jiang)低CPU電(dian)壓(ya)(ya)、減小CPU發(fa)熱，適(shi)應更高(gao)的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻率(lv)，CPU工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)(ya)有逐步(bu)下(xia)降(jiang)的(de)(de)趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主頻(pin)的(de)(de)不斷提(ti)高(gao)(gao)(gao)，它(ta)的(de)(de)處理速度(du)也越來越快，其它(ta)設備(bei)根本(ben)趕不上CPU的(de)(de)速度(du)，沒(mei)辦法及時(shi)將需要(yao)處理的(de)(de)數(shu)(shu)據交給CPU。于是，高(gao)(gao)(gao)速緩存(cun)(cun)(cun)便(bian)出現在(zai)CPU上，當CPU在(zai)處理數(shu)(shu)據時(shi)，高(gao)(gao)(gao)速緩存(cun)(cun)(cun)就用(yong)(yong)(yong)來存(cun)(cun)(cun)儲一些常用(yong)(yong)(yong)或即將用(yong)(yong)(yong)到的(de)(de)數(shu)(shu)據或指(zhi)令，當CPU需要(yao)這些數(shu)(shu)據或指(zhi)令的(de)(de)時(shi)候直接從(cong)高(gao)(gao)(gao)速緩存(cun)(cun)(cun)中(zhong)(zhong)讀取，而(er)不用(yong)(yong)(yong)再到內存(cun)(cun)(cun)甚至硬盤中(zhong)(zhong)去讀取，如此一來可(ke)以大幅度(du)提(ti)升CPU的(de)(de)處理速度(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存）：

它采用與CPU相(xiang)同的(de)半導體工藝，制(zhi)作在CPU內部(bu)，容量不是很(hen)大(da)，與CPU同頻運行，無需通過外部(bu)總線(xian)來交換數據(ju)，所以(yi)大(da)大(da)節省了存取時間。

L2 Cache（二級(ji)緩存）：CPU在讀取數據時，尋找(zhao)順序(xu)依次(ci)是L1→L2→內(nei)存→外存儲器。L2 Cache的容(rong)量(liang)十分(fen)靈活(huo)，容(rong)量(liang)越大(da)，CPU檔次(ci)越高。

L3 Cache（三(san)級緩(huan)存）：還可以在(zai)主板上(shang)或者CPU上(shang)再(zai)外置(zhi)的(de)大容量緩(huan)存，被稱(cheng)為三(san)級緩(huan)存。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)(zhi)造工(gong)藝(yi)(yi)，也(ye)稱為“制(zhi)(zhi)程寬(kuan)度(du)(du)”。是在(zai)制(zhi)(zhi)作CPU核(he)心時，核(he)心上(shang)最基本的(de)(de)(de)功能單元CMOS電(dian)路的(de)(de)(de)寬(kuan)度(du)(du)。在(zai)CPU的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)造工(gong)藝(yi)(yi)中，一般都是用微(wei)米(mi)來衡量加工(gong)精度(du)(du)。從上(shang)世(shi)紀(ji)70年代早期的(de)(de)(de)10微(wei)米(mi)線寬(kuan)一直到目前(qian)采用的(de)(de)(de)0.13微(wei)米(mi)線寬(kuan)，CPU的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)造工(gong)藝(yi)(yi)都在(zai)不斷地(di)進步。制(zhi)(zhi)作工(gong)藝(yi)(yi)的(de)(de)(de)提高，意(yi)味著(zhu)CPU的(de)(de)(de)體積將更小，集成度(du)(du)更高，耗電(dian)更少。

圖6 CPU封(feng)裝技(ji)術的變(bian)遷(qian)

封(feng)裝是指安(an)裝CPU集成電路(lu)芯(xin)片用的(de)外殼。封(feng)裝不僅起著安(an)放、固定、密(mi)封(feng)、保護芯(xin)片和增(zeng)強散(san)(san)熱功(gong)能(neng)(neng)的(de)作用，而且還是溝通芯(xin)片內部與外部電路(lu)的(de)橋梁。芯(xin)片的(de)封(feng)裝技(ji)術已經(jing)歷了好幾(ji)代(dai)的(de)變遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)術指標一(yi)代(dai)比一(yi)代(dai)先進（圖6、7）。目前封(feng)裝技(ji)術適用的(de)芯(xin)片頻率越(yue)來(lai)越(yue)高，散(san)(san)熱性(xing)能(neng)(neng)越(yue)來(lai)越(yue)好，引(yin)腳數(shu)增(zeng)多，引(yin)腳間距減小(xiao)，重量減小(xiao)，可靠性(xing)也越(yue)來(lai)越(yue)高。

圖7 FC-PGA（反轉(zhuan)針柵陣列）封裝形式(shi)）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)(de)性能(neng)可以(yi)用工作頻(pin)率來表(biao)現(xian)，而CPU的(de)(de)強(qiang)(qiang)大功能(neng)則依賴于指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)系統(tong)。新(xin)一代(dai)CPU產品中(zhong)，或多或少都需要增(zeng)加新(xin)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)，以(yi)增(zeng)強(qiang)(qiang)CPU系統(tong)功能(neng)。指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)系統(tong)決定了(le)一個CPU能(neng)夠運(yun)行(xing)什(shen)么(me)樣的(de)(de)程(cheng)序，因此，一般來說，指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)越多，CPU功能(neng)越強(qiang)(qiang)大。目(mu)前主(zhu)流(liu)的(de)(de)CPU指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)集(ji)有Intel的(de)(de)MMX、SSE、SSE2及AMD的(de)(de)3D Now擴展指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)集(ji)。