CPU芯(xin)(xin)片基礎知識 CPU芯(xin)(xin)片工作原(yuan)理 CPU芯(xin)(xin)片參數介(jie)紹

CPU是(shi)“Central Processing Unit”的英語縮寫，中(zhong)文意(yi)思是(shi)“中(zhong)央(yang)處理器(qi)(qi)”，有時(shi)我們也(ye)簡稱它(ta)為“處理器(qi)(qi)”或是(shi)“微處理器(qi)(qi)”。它(ta)是(shi)整個計(ji)算機系統的運算、控制中(zhong)心，也(ye)就是(shi)計(ji)算機的“大(da)(da)腦”。首先就讓買購網小編(bian)來帶(dai)大(da)(da)家看(kan)看(kan)什么是(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看(kan)上去非常簡單：它(ta)是(shi)一(yi)個(ge)矩形(xing)片(pian)狀(zhuang)物體(ti)(ti)，中間凸起(qi)的(de)一(yi)片(pian)指甲大(da)小的(de)、薄(bo)(bo)薄(bo)(bo)的(de)硅(gui)(gui)晶(jing)片(pian)部(bu)分是(shi)CPU核心，英文稱之(zhi)為(wei)“die”。在這塊(kuai)小小的(de)硅(gui)(gui)片(pian)上，密(mi)布著數(shu)以千萬計的(de)晶(jing)體(ti)(ti)管，它(ta)們相(xiang)互(hu)配合協調，完成著各種(zhong)復雜的(de)運算和(he)操(cao)作（圖(tu)1）。CPU主(zhu)要分為(wei)Intel和(he)AMD兩類(lei)，圖(tu)1是(shi)AMD生(sheng)產的(de)CPU，我們將(jiang)在下期細細講述它(ta)們之(zhi)間的(de)區別。

圖1 CPU正面(mian)俯視圖

CPU的(de)核(he)(he)心(xin)工作(zuo)強度很大，發熱量也大。而且CPU的(de)核(he)(he)心(xin)非常脆弱(ruo)，為了核(he)(he)心(xin)的(de)安全(quan)，同時(shi)為了幫助核(he)(he)心(xin)散(san)熱，于是現在的(de)CPU一(yi)般(ban)在其核(he)(he)心(xin)上加(jia)裝一(yi)個金(jin)屬(shu)蓋，此金(jin)屬(shu)蓋不僅可以(yi)避免核(he)(he)心(xin)受到意外傷(shang)害，同時(shi)也增加(jia)了核(he)(he)心(xin)的(de)散(san)熱面積（圖2）。

圖2 加(jia)裝了(le)金屬蓋的CPU

金屬封裝殼周(zhou)圍是CPU基板(ban)，它將CPU內部的信號引(yin)到CPU引(yin)腳上(shang)。基板(ban)的背面有許(xu) 多密(mi)密(mi)麻(ma)麻(ma)的鍍(du)金的引(yin)腳，它是CPU與外部電路連接的通道(dao)，同(tong)時(shi)也起著固定CPU的作用（圖3）。

圖3 CPU背面的金屬(shu)針角

由(you)于CPU的(de)(de)(de)核(he)心發(fa)熱(re)(re)量(liang)比較(jiao)大(da)，為了保護(hu)核(he)心的(de)(de)(de)安全，如今的(de)(de)(de)CPU都得(de)加裝一個CPU散(san)熱(re)(re)器。散(san)熱(re)(re)器通常由(you)一個大(da)大(da)的(de)(de)(de)合金散(san)熱(re)(re)片和一個散(san)熱(re)(re)風扇組成(cheng)，用來將(jiang)CPU核(he)心產生的(de)(de)(de)熱(re)(re)量(liang)快速散(san)發(fa)掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散熱器

CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作原(yuan)理：CPU的(de)(de)內部結構可分為控制(zhi)、邏(luo)(luo)輯(ji)、存儲(chu)三大部分。如果將(jiang)(jiang)CPU比作一臺機器(qi)(qi)的(de)(de)話，其工(gong)(gong)(gong)作原(yuan)理大致是這(zhe)樣的(de)(de)：首(shou)先(xian)是CPU將(jiang)(jiang)“原(yuan)料(liao)”（程序發出(chu)的(de)(de)指令）經過“物質分配單位”（控制(zhi)單元(yuan)）進行初步調節，然后送到(dao)“加(jia)工(gong)(gong)(gong)車(che)床”（邏(luo)(luo)輯(ji)運算單元(yuan)）進行加(jia)工(gong)(gong)(gong)，最后將(jiang)(jiang)加(jia)工(gong)(gong)(gong)出(chu)來的(de)(de)“產品”（處理后的(de)(de)數(shu)據）存儲(chu)到(dao)“倉庫”（存儲(chu)器(qi)(qi)）中，以后“銷售部門”（應(ying)用程序）就可到(dao)“倉庫”中按需提貨(huo)了。

二、透透徹徹看參數

見識了CPU的(de)廬山真面目之(zhi)后，我們也該跟它好(hao)好(hao)交流一番才行了，因為(wei)要真正透徹(che)地了解CPU，就(jiu)必(bi)須(xu)知道(dao)CPU的(de)一些基(ji)礎參(can)數的(de)含義(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(pin)就是(shi)CPU的時鐘頻(pin)率，也(ye)就是(shi)CPU運算時的工(gong)作頻(pin)率。我們平常(chang)經(jing)常(chang)掛(gua)在嘴(zui)邊(bian)的“奔騰(teng)4 XXX MHz”講的就是(shi)CPU的主頻(pin)。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與(yu)主頻(pin)(pin)(pin)(pin)相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)還有“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”與(yu)“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”這(zhe)兩(liang)個(ge)概念，“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”是(shi)(shi)系統總線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率，而“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”則是(shi)(shi)外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)與(yu)主頻(pin)(pin)(pin)(pin)相(xiang)差(cha)的(de)(de)(de)(de)倍(bei)數(shu)(shu)，主頻(pin)(pin)(pin)(pin)=外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)×倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)。我們可以把外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)看做(zuo)CPU這(zhe)臺“機器”內(nei)部的(de)(de)(de)(de)一(yi)條生(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)(xian)，而倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)則是(shi)(shi)生(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)條數(shu)(shu)，一(yi)臺機器生(sheng)(sheng)產(chan)速度的(de)(de)(de)(de)快慢（主頻(pin)(pin)(pin)(pin)）自然就(jiu)是(shi)(shi)生(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)速度（外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)）乘(cheng)以生(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)條數(shu)(shu)（倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端總線(xian)是CPU與主板北橋芯片(pian)之間(jian)(jian)(jian)連接的(de)通(tong)道(dao)，而“前端總線(xian)頻率”（FSB）就(jiu)是該通(tong)道(dao)“運輸數據的(de)速(su)度”。如(ru)果將(jiang)CPU看做一臺安裝在房間(jian)(jian)(jian)中的(de)大型機(ji)器(qi)的(de)話(hua)(hua)，“前端總線(xian)”就(jiu)是這個房間(jian)(jian)(jian)的(de)“大門”。機(ji)器(qi)的(de)生(sheng)產能力再強(qiang)，如(ru)果“大門”很(hen)窄(zhai)或者物體流通(tong)速(su)度比較慢的(de) 話(hua)(hua)，CPU就(jiu)不(bu)得不(bu)處于一種(zhong)“吃不(bu)飽”的(de)狀態（圖5）。

圖5 “前端總線”圖釋

早(zao)期CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)頻(pin)(pin)率(lv)是(shi)(shi)與CPU的(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)同步的(de)(de)(de)(de)。隨著CPU工(gong)作能力(li)的(de)(de)(de)(de)加強（主頻(pin)(pin)越來越高(gao)），原來的(de)(de)(de)(de)那種低頻(pin)(pin)率(lv)前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)已經滿足不了(le)CPU的(de)(de)(de)(de)需要，于是(shi)(shi)人們開(kai)始在“前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)頻(pin)(pin)率(lv)”上做(zuo)起(qi)了(le)文章——在不提(ti)高(gao)系統總(zong)(zong)線(xian)(xian)基準頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)前(qian)體下，將前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)單個(ge)(ge)(ge)時(shi)鐘(zhong)周(zhou)期能夠(gou)傳輸的(de)(de)(de)(de)數據(ju)個(ge)(ge)(ge)數以(yi)“倍數”增加。以(yi)當(dang)前(qian)的(de)(de)(de)(de)Pentium 4系列CPU為(wei)例，Intel為(wei)它設計(ji)了(le)一個(ge)(ge)(ge)名為(wei)“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)，其(qi)實質就(jiu)是(shi)(shi)該前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)在一個(ge)(ge)(ge)時(shi)鐘(zhong)周(zhou)期內，可以(yi)傳輸4倍的(de)(de)(de)(de)數據(ju)。早(zao)期的(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)都是(shi)(shi)100MHz，而由于采用了(le)“Quad-pumped”技術(shu)，這類CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)頻(pin)(pin)率(lv)便成(cheng)了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)(de)(de)前(qian)端總(zong)(zong)線(xian)(xian)已經達到了(le)800MHz，但(dan)其(qi)實際的(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)是(shi)(shi)200MHz。

在認識了(le)這(zhe)幾個參數之后，你應(ying)該明白“外頻≠前端總線頻率(lv)（FSB）”了(le)吧。 3.CPU對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)要求——工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya) 工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)是指CPU核心(xin)正常工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)所需(xu)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。早期(qi)CPU的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)一(yi)般為(wei)(wei)5V，目前Pentium 4 CPU的(de)核心(xin)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)僅為(wei)(wei)1.5V左(zuo)右。提高(gao)CPU的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)可(ke)以提高(gao)CPU工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻率(lv)，但是過(guo)高(gao)的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)會(hui)帶來CPU發熱、甚至CPU燒壞的(de)問題。而降(jiang)低CPU電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)不會(hui)對(dui)CPU造(zao)成物理損壞，但是會(hui)影響CPU工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)的(de)穩定性。因為(wei)(wei)降(jiang)低工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)會(hui)使CPU信號變弱，造(zao)成運(yun)算混亂。為(wei)(wei)了(le)降(jiang)低CPU電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)、減小CPU發熱，適應(ying)更(geng)高(gao)的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻率(lv)，CPU工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)有逐步下(xia)降(jiang)的(de)趨勢(shi)。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主頻(pin)的(de)不(bu)斷提高(gao)(gao)，它的(de)處理(li)速(su)(su)度也越(yue)來(lai)越(yue)快，其(qi)它設(she)備根(gen)本趕不(bu)上CPU的(de)速(su)(su)度，沒辦法及時將(jiang)需要處理(li)的(de)數(shu)據交給CPU。于是，高(gao)(gao)速(su)(su)緩(huan)(huan)存(cun)便(bian)出現在CPU上，當CPU在處理(li)數(shu)據時，高(gao)(gao)速(su)(su)緩(huan)(huan)存(cun)就(jiu)用(yong)來(lai)存(cun)儲一(yi)些常用(yong)或即將(jiang)用(yong)到的(de)數(shu)據或指令，當CPU需要這些數(shu)據或指令的(de)時候直接從高(gao)(gao)速(su)(su)緩(huan)(huan)存(cun)中讀取，而不(bu)用(yong)再到內存(cun)甚(shen)至硬(ying)盤中去讀取，如此一(yi)來(lai)可以大幅度提升CPU的(de)處理(li)速(su)(su)度。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一(yi)級(ji)緩存(cun)）：

它(ta)采用與(yu)(yu)CPU相同(tong)的半導體工藝，制(zhi)作在CPU內部，容量不是很(hen)大，與(yu)(yu)CPU同(tong)頻運行(xing)，無需通過外(wai)部總(zong)線來交換數據，所以大大節省了(le)存取時(shi)間。

L2 Cache（二級緩存）：CPU在讀取數據時，尋找順序依(yi)次是L1→L2→內存→外存儲器。L2 Cache的容(rong)量十(shi)分靈活，容(rong)量越大，CPU檔(dang)次越高。

L3 Cache（三級(ji)緩(huan)存）：還(huan)可以在主板上(shang)或者(zhe)CPU上(shang)再外置的大容量緩(huan)存，被稱(cheng)為三級(ji)緩(huan)存。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)，也(ye)稱為“制(zhi)(zhi)(zhi)程寬度”。是(shi)在制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)CPU核心時(shi)，核心上最基(ji)本的(de)(de)功能(neng)單元(yuan)CMOS電路的(de)(de)寬度。在CPU的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)中，一般都是(shi)用微(wei)米(mi)來(lai)衡量加工(gong)(gong)精度。從上世紀70年代早期(qi)的(de)(de)10微(wei)米(mi)線寬一直到目(mu)前采用的(de)(de)0.13微(wei)米(mi)線寬，CPU的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)都在不斷地進(jin)步。制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)(zuo)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)的(de)(de)提高，意味著CPU的(de)(de)體積將更(geng)小，集成度更(geng)高，耗電更(geng)少(shao)。

圖6 CPU封裝(zhuang)技術的變遷

封(feng)(feng)裝是指安裝CPU集成電路芯(xin)(xin)片(pian)用(yong)的(de)(de)外(wai)殼。封(feng)(feng)裝不僅起(qi)著安放、固定、密封(feng)(feng)、保護芯(xin)(xin)片(pian)和(he)增強散熱功能的(de)(de)作用(yong)，而且(qie)還是溝通芯(xin)(xin)片(pian)內部與(yu)外(wai)部電路的(de)(de)橋梁。芯(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)封(feng)(feng)裝技(ji)術(shu)已經歷了好幾代(dai)的(de)(de)變遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到(dao)FC-PGA，技(ji)術(shu)指標一代(dai)比一代(dai)先進（圖6、7）。目前(qian)封(feng)(feng)裝技(ji)術(shu)適用(yong)的(de)(de)芯(xin)(xin)片(pian)頻率越來(lai)越高(gao)，散熱性(xing)能越來(lai)越好，引(yin)腳(jiao)數(shu)增多(duo)，引(yin)腳(jiao)間(jian)距(ju)減小，重量(liang)減小，可靠性(xing)也(ye)越來(lai)越高(gao)。

圖7 FC-PGA（反(fan)轉針(zhen)柵陣列(lie)）封裝形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)性(xing)能(neng)(neng)可(ke)以用(yong)工(gong)作頻率來表(biao)現，而CPU的(de)強大(da)(da)功能(neng)(neng)則依賴于指(zhi)令(ling)系(xi)統(tong)。新(xin)一代(dai)CPU產品中，或(huo)多或(huo)少都需要增加新(xin)指(zhi)令(ling)，以增強CPU系(xi)統(tong)功能(neng)(neng)。指(zhi)令(ling)系(xi)統(tong)決定了一個CPU能(neng)(neng)夠運行什么樣的(de)程序，因此，一般(ban)來說，指(zhi)令(ling)越多，CPU功能(neng)(neng)越強大(da)(da)。目前主流的(de)CPU指(zhi)令(ling)集(ji)有Intel的(de)MMX、SSE、SSE2及AMD的(de)3D Now擴展指(zhi)令(ling)集(ji)。