CPU芯(xin)片基礎知識(shi) CPU芯(xin)片工作原理 CPU芯(xin)片參數(shu)介紹(shao)

CPU是(shi)(shi)“Central Processing Unit”的(de)英語縮寫(xie)，中(zhong)文意思是(shi)(shi)“中(zhong)央(yang)處理器”，有時我們也簡(jian)稱(cheng)它為(wei)“處理器”或是(shi)(shi)“微處理器”。它是(shi)(shi)整(zheng)個(ge)計算機系統的(de)運算、控制中(zhong)心，也就是(shi)(shi)計算機的(de)“大(da)腦”。首先就讓買購網小編來帶(dai)大(da)家看看什(shen)么是(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看(kan)上(shang)去非常簡單：它是一(yi)個矩形(xing)片(pian)狀(zhuang)物體，中間凸起的一(yi)片(pian)指甲大小(xiao)的、薄薄的硅晶片(pian)部分是CPU核(he)心(xin)，英文稱之為(wei)“die”。在這塊小(xiao)小(xiao)的硅片(pian)上(shang)，密布著數以千萬計(ji)的晶體管，它們(men)相互配合(he)協(xie)調，完成著各種復(fu)雜的運算和操(cao)作(zuo)（圖1）。CPU主(zhu)要分為(wei)Intel和AMD兩類，圖1是AMD生產的CPU，我(wo)們(men)將在下期細細講述它們(men)之間的區別。

圖1 CPU正面俯視圖

CPU的核(he)心(xin)工作強度很大(da)，發熱(re)量(liang)也大(da)。而(er)且CPU的核(he)心(xin)非常脆弱，為了(le)核(he)心(xin)的安全(quan)，同時為了(le)幫助核(he)心(xin)散熱(re)，于是(shi)現在的CPU一般在其核(he)心(xin)上加裝一個金(jin)屬蓋，此(ci)金(jin)屬蓋不僅可以避(bi)免核(he)心(xin)受(shou)到意外傷(shang)害，同時也增加了(le)核(he)心(xin)的散熱(re)面積（圖2）。

圖2 加(jia)裝了(le)金(jin)屬蓋(gai)的(de)CPU

金屬封裝殼周圍是CPU基板，它(ta)(ta)將CPU內(nei)部的(de)信號引(yin)到CPU引(yin)腳上。基板的(de)背面有(you)許 多密密麻(ma)麻(ma)的(de)鍍金的(de)引(yin)腳，它(ta)(ta)是CPU與外部電路連(lian)接(jie)的(de)通道，同時也起著固(gu)定CPU的(de)作用（圖3）。

圖3 CPU背面的(de)金屬針角

由(you)于CPU的(de)核心發熱量(liang)比(bi)較大(da)，為了保護核心的(de)安全(quan)，如今的(de)CPU都得加(jia)裝一(yi)個(ge)CPU散熱器。散熱器通常由(you)一(yi)個(ge)大(da)大(da)的(de)合金散熱片和一(yi)個(ge)散熱風扇(shan)組成，用來將CPU核心產生的(de)熱量(liang)快速(su)散發掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散(san)熱器

CPU的(de)(de)(de)工(gong)作原(yuan)理：CPU的(de)(de)(de)內部(bu)結構(gou)可分為控制、邏輯(ji)、存(cun)(cun)儲三大(da)部(bu)分。如果將CPU比作一臺機器(qi)的(de)(de)(de)話(hua)，其工(gong)作原(yuan)理大(da)致是這(zhe)樣的(de)(de)(de)：首(shou)先是CPU將“原(yuan)料”（程(cheng)序發出的(de)(de)(de)指令）經過“物質分配單位”（控制單元）進行初步調節，然后(hou)送(song)到“加工(gong)車床”（邏輯(ji)運(yun)算單元）進行加工(gong)，最(zui)后(hou)將加工(gong)出來(lai)的(de)(de)(de)“產品(pin)”（處理后(hou)的(de)(de)(de)數(shu)據）存(cun)(cun)儲到“倉庫”（存(cun)(cun)儲器(qi)）中，以后(hou)“銷售部(bu)門”（應用(yong)程(cheng)序）就可到“倉庫”中按需提貨了(le)。

二、透透徹徹看參數

見(jian)識了(le)CPU的(de)廬山真(zhen)面目之(zhi)后，我們也該跟它好(hao)好(hao)交流(liu)一番才(cai)行了(le)，因為(wei)要真(zhen)正透(tou)徹(che)地了(le)解CPU，就必(bi)須知道CPU的(de)一些基(ji)礎參數的(de)含義。

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(de)時鐘頻(pin)率，也就是(shi)CPU運算時的(de)工(gong)作頻(pin)率。我們平常經常掛(gua)在(zai)嘴(zui)邊的(de)“奔(ben)騰(teng)4 XXX MHz”講的(de)就是(shi)CPU的(de)主頻(pin)。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與主(zhu)頻相關的(de)(de)(de)還有(you)“外(wai)(wai)頻”與“倍(bei)頻”這(zhe)兩個概念，“外(wai)(wai)頻”是(shi)系統總(zong)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)工作頻率(lv)，而“倍(bei)頻”則是(shi)外(wai)(wai)頻與主(zhu)頻相差(cha)的(de)(de)(de)倍(bei)數(shu)，主(zhu)頻=外(wai)(wai)頻×倍(bei)頻。我們可以把(ba)外(wai)(wai)頻看做CPU這(zhe)臺“機器(qi)”內部的(de)(de)(de)一條(tiao)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)，而倍(bei)頻則是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)條(tiao)數(shu)，一臺機器(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)速度的(de)(de)(de)快慢（主(zhu)頻）自然(ran)就(jiu)是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)速度（外(wai)(wai)頻）乘以生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)(xian)的(de)(de)(de)條(tiao)數(shu)（倍(bei)頻）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端(duan)總(zong)線是CPU與主(zhu)板北橋(qiao)芯片之(zhi)間(jian)(jian)連接的(de)(de)通道(dao)，而“前端(duan)總(zong)線頻率”（FSB）就是該通道(dao)“運輸數據的(de)(de)速(su)度”。如果將CPU看做(zuo)一臺安(an)裝在房間(jian)(jian)中的(de)(de)大型機器的(de)(de)話，“前端(duan)總(zong)線”就是這個(ge)房間(jian)(jian)的(de)(de)“大門”。機器的(de)(de)生產能力(li)再(zai)強，如果“大門”很窄或者物體流通速(su)度比較慢的(de)(de) 話，CPU就不得不處(chu)于一種“吃不飽”的(de)(de)狀(zhuang)態（圖5）。

圖(tu)5 “前(qian)端(duan)總線”圖(tu)釋

早期(qi)CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)頻(pin)率(lv)是(shi)與CPU的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)同步的(de)(de)(de)(de)。隨著CPU工作(zuo)能(neng)力(li)的(de)(de)(de)(de)加強(qiang)（主頻(pin)越來(lai)越高），原來(lai)的(de)(de)(de)(de)那種低頻(pin)率(lv)前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)已經滿足不了(le)CPU的(de)(de)(de)(de)需要，于(yu)是(shi)人們開始在(zai)“前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)頻(pin)率(lv)”上做起(qi)了(le)文(wen)章——在(zai)不提高系(xi)(xi)統總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)基準頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)前(qian)體下，將前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)單個時鐘周(zhou)期(qi)能(neng)夠傳輸(shu)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)個數(shu)以(yi)“倍數(shu)”增加。以(yi)當前(qian)的(de)(de)(de)(de)Pentium 4系(xi)(xi)列(lie)CPU為例，Intel為它設計了(le)一個名(ming)為“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)，其實(shi)質就是(shi)該前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)在(zai)一個時鐘周(zhou)期(qi)內，可以(yi)傳輸(shu)4倍的(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)。早期(qi)的(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)都是(shi)100MHz，而由于(yu)采用了(le)“Quad-pumped”技術(shu)，這類CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)頻(pin)率(lv)便(bian)成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如(ru)今，Pentium 4的(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)已經達到了(le)800MHz，但其實(shi)際的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)是(shi)200MHz。

在認識了(le)這幾個(ge)參(can)數之后，你應(ying)該明白(bai)“外頻(pin)≠前端(duan)總線頻(pin)率(lv)(lv)（FSB）”了(le)吧。 3.CPU對電(dian)(dian)(dian)源的(de)要求——工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)是指CPU核(he)心正常(chang)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)所(suo)需的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。早期CPU的(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)一(yi)般為5V，目前Pentium 4 CPU的(de)核(he)心工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)僅為1.5V左(zuo)右。提高CPU的(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)可以提高CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)(lv)，但是過高的(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)帶來CPU發熱(re)、甚至CPU燒(shao)壞(huai)的(de)問題。而降(jiang)(jiang)低CPU電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)不會(hui)(hui)對CPU造成物理(li)損(sun)壞(huai)，但是會(hui)(hui)影響CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)的(de)穩定性。因為降(jiang)(jiang)低工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)使CPU信號變(bian)弱，造成運算混亂(luan)。為了(le)降(jiang)(jiang)低CPU電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)、減小CPU發熱(re)，適(shi)應(ying)更高的(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)(lv)，CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)有逐步下降(jiang)(jiang)的(de)趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨(sui)著CPU主頻的(de)(de)不斷提高，它的(de)(de)處理速(su)度(du)(du)也越(yue)來越(yue)快，其(qi)它設備根本趕不上CPU的(de)(de)速(su)度(du)(du)，沒辦法及時將(jiang)需要(yao)處理的(de)(de)數據(ju)(ju)交給CPU。于是，高速(su)緩存便出現在(zai)CPU上，當(dang)CPU在(zai)處理數據(ju)(ju)時，高速(su)緩存就用(yong)來存儲(chu)一些(xie)常用(yong)或即將(jiang)用(yong)到的(de)(de)數據(ju)(ju)或指令(ling)，當(dang)CPU需要(yao)這(zhe)些(xie)數據(ju)(ju)或指令(ling)的(de)(de)時候直接從(cong)高速(su)緩存中讀取，而(er)不用(yong)再到內存甚至(zhi)硬盤中去(qu)讀取，如此一來可以大幅度(du)(du)提升CPU的(de)(de)處理速(su)度(du)(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存）：

它采用與CPU相(xiang)同(tong)的半導體工藝，制作在CPU內(nei)部，容(rong)量不是(shi)很大(da)，與CPU同(tong)頻運行，無需通過外部總線來交換數據，所以大(da)大(da)節省(sheng)了(le)存取時間。

L2 Cache（二(er)級緩存）：CPU在讀取數據(ju)時，尋找順序依次是L1→L2→內存→外(wai)存儲(chu)器。L2 Cache的(de)容量(liang)十分靈(ling)活，容量(liang)越大(da)，CPU檔次越高。

L3 Cache（三級緩存(cun)）：還可以在主(zhu)板上或者CPU上再外置的大容量(liang)緩存(cun)，被(bei)稱為三級緩存(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)，也稱為“制(zhi)程寬(kuan)度(du)”。是(shi)在制(zhi)作(zuo)CPU核(he)心(xin)時，核(he)心(xin)上(shang)最基本的(de)(de)功能單元CMOS電(dian)路的(de)(de)寬(kuan)度(du)。在CPU的(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)中，一般都是(shi)用微米來(lai)衡量加工(gong)精度(du)。從上(shang)世紀70年(nian)代早期的(de)(de)10微米線寬(kuan)一直到目前采用的(de)(de)0.13微米線寬(kuan)，CPU的(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)都在不(bu)斷(duan)地(di)進步(bu)。制(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)的(de)(de)提高，意味(wei)著CPU的(de)(de)體(ti)積將更小(xiao)，集(ji)成度(du)更高，耗電(dian)更少。

圖6 CPU封裝(zhuang)技術的(de)變遷

封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)是(shi)指(zhi)安(an)裝(zhuang)CPU集成電路芯(xin)片(pian)用(yong)的(de)外殼。封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)不(bu)僅起著安(an)放、固定(ding)、密封(feng)(feng)(feng)、保護芯(xin)片(pian)和增強散熱(re)功能(neng)(neng)的(de)作用(yong)，而且還(huan)是(shi)溝(gou)通芯(xin)片(pian)內(nei)部與(yu)外部電路的(de)橋(qiao)梁。芯(xin)片(pian)的(de)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)術已經歷了好幾代的(de)變遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)術指(zhi)標一(yi)代比一(yi)代先(xian)進（圖(tu)6、7）。目前封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)術適用(yong)的(de)芯(xin)片(pian)頻率(lv)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，散熱(re)性(xing)能(neng)(neng)越(yue)來(lai)越(yue)好，引(yin)腳數(shu)增多，引(yin)腳間距減小，重量減小，可靠(kao)性(xing)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。

圖7 FC-PGA（反(fan)轉(zhuan)針柵陣(zhen)列(lie)）封(feng)裝形(xing)式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能(neng)(neng)可以用(yong)工作頻率來表現，而CPU的強大功(gong)能(neng)(neng)則依賴于指(zhi)(zhi)令(ling)系統(tong)(tong)。新一(yi)代CPU產品中，或(huo)多或(huo)少都需要增加新指(zhi)(zhi)令(ling)，以增強CPU系統(tong)(tong)功(gong)能(neng)(neng)。指(zhi)(zhi)令(ling)系統(tong)(tong)決定了(le)一(yi)個(ge)CPU能(neng)(neng)夠運行什(shen)么樣的程序(xu)，因此，一(yi)般(ban)來說，指(zhi)(zhi)令(ling)越多，CPU功(gong)能(neng)(neng)越強大。目前(qian)主流(liu)的CPU指(zhi)(zhi)令(ling)集(ji)有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展(zhan)指(zhi)(zhi)令(ling)集(ji)。