CPU芯片(pian)基礎知(zhi)識(shi) CPU芯片(pian)工作原理(li) CPU芯片(pian)參數介紹(shao)

CPU是(shi)(shi)(shi)“Central Processing Unit”的英語縮寫，中(zhong)(zhong)文意思(si)是(shi)(shi)(shi)“中(zhong)(zhong)央處理器(qi)”，有時(shi)我們也簡稱(cheng)它為“處理器(qi)”或是(shi)(shi)(shi)“微處理器(qi)”。它是(shi)(shi)(shi)整(zheng)個計(ji)算(suan)機系統的運算(suan)、控(kong)制中(zhong)(zhong)心，也就是(shi)(shi)(shi)計(ji)算(suan)機的“大腦”。首(shou)先就讓(rang)買(mai)購網(wang)小編(bian)來帶大家看看什么(me)是(shi)(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看上去非常簡單：它(ta)是一個矩形(xing)片(pian)狀(zhuang)物體，中間(jian)凸起的一片(pian)指甲大小的、薄(bo)薄(bo)的硅晶(jing)片(pian)部分(fen)是CPU核心，英(ying)文稱之為“die”。在(zai)這(zhe)塊(kuai)小小的硅片(pian)上，密布著數以(yi)千萬(wan)計的晶(jing)體管(guan)，它(ta)們相互配合協調，完成著各種復雜的運算和(he)操作（圖(tu)1）。CPU主要分(fen)為Intel和(he)AMD兩類，圖(tu)1是AMD生產的CPU，我們將在(zai)下期(qi)細細講述它(ta)們之間(jian)的區別(bie)。

圖(tu)1 CPU正面俯視圖(tu)

CPU的核(he)心(xin)工作強(qiang)度很大，發熱量也(ye)大。而且CPU的核(he)心(xin)非常脆弱，為(wei)了核(he)心(xin)的安全(quan)，同(tong)時為(wei)了幫助核(he)心(xin)散(san)熱，于是(shi)現在的CPU一般在其核(he)心(xin)上加裝一個金屬(shu)蓋，此(ci)金屬(shu)蓋不僅(jin)可以避免核(he)心(xin)受到意外傷害(hai)，同(tong)時也(ye)增加了核(he)心(xin)的散(san)熱面積(ji)（圖(tu)2）。

圖2 加裝(zhuang)了金(jin)屬蓋的CPU

金屬封裝殼周圍是(shi)CPU基板，它將CPU內部的(de)信號引到(dao)CPU引腳(jiao)上。基板的(de)背(bei)面有許(xu) 多密密麻(ma)麻(ma)的(de)鍍金的(de)引腳(jiao)，它是(shi)CPU與(yu)外部電路連接的(de)通道，同(tong)時也起著固定CPU的(de)作(zuo)用（圖(tu)3）。

圖3 CPU背面的金屬針角

由(you)(you)于CPU的核(he)心(xin)發(fa)熱(re)量比(bi)較大，為了保護核(he)心(xin)的安全，如今的CPU都(dou)得(de)加裝一個(ge)(ge)CPU散(san)熱(re)器(qi)。散(san)熱(re)器(qi)通常(chang)由(you)(you)一個(ge)(ge)大大的合金散(san)熱(re)片和一個(ge)(ge)散(san)熱(re)風扇(shan)組成，用來(lai)將CPU核(he)心(xin)產生(sheng)的熱(re)量快速(su)散(san)發(fa)掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散熱器

CPU的工(gong)作(zuo)原理(li)：CPU的內部結構可分為控制(zhi)、邏(luo)(luo)輯、存(cun)儲三大部分。如(ru)果將CPU比作(zuo)一臺機器的話，其工(gong)作(zuo)原理(li)大致是(shi)這樣的：首先是(shi)CPU將“原料”（程(cheng)序發出(chu)的指令）經過“物質分配單位”（控制(zhi)單元）進行初步調節，然后(hou)(hou)送到(dao)“加(jia)工(gong)車(che)床(chuang)”（邏(luo)(luo)輯運算單元）進行加(jia)工(gong)，最(zui)后(hou)(hou)將加(jia)工(gong)出(chu)來的“產品”（處(chu)理(li)后(hou)(hou)的數據）存(cun)儲到(dao)“倉(cang)(cang)庫”（存(cun)儲器）中，以后(hou)(hou)“銷售(shou)部門(men)”（應(ying)用程(cheng)序）就可到(dao)“倉(cang)(cang)庫”中按需提貨了。

二、透透徹徹看參數

見識了(le)CPU的廬(lu)山真(zhen)面目之(zhi)后，我(wo)們也該跟(gen)它好(hao)好(hao)交流(liu)一番才(cai)行(xing)了(le)，因(yin)為要真(zhen)正透徹地了(le)解CPU，就必須知道CPU的一些基礎參數的含義。

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(zhu)頻(pin)就(jiu)是(shi)CPU的時鐘頻(pin)率(lv)，也就(jiu)是(shi)CPU運算時的工作頻(pin)率(lv)。我們平(ping)常經(jing)常掛在嘴邊的“奔(ben)騰4 XXX MHz”講的就(jiu)是(shi)CPU的主(zhu)頻(pin)。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與(yu)主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)關的還有(you)“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)”與(yu)“倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)”這(zhe)兩個概(gai)念，“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)”是系統總線(xian)的工作頻(pin)(pin)(pin)率(lv)，而“倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)”則是外(wai)頻(pin)(pin)(pin)與(yu)主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)差(cha)的倍(bei)(bei)數，主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)=外(wai)頻(pin)(pin)(pin)×倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)(yi)把外(wai)頻(pin)(pin)(pin)看做CPU這(zhe)臺“機(ji)器”內部的一(yi)條生(sheng)產(chan)線(xian)，而倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)則是生(sheng)產(chan)線(xian)的條數，一(yi)臺機(ji)器生(sheng)產(chan)速(su)度的快慢（主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)）自然就是生(sheng)產(chan)線(xian)的速(su)度（外(wai)頻(pin)(pin)(pin)）乘以(yi)(yi)生(sheng)產(chan)線(xian)的條數（倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前(qian)端(duan)總線是(shi)CPU與(yu)主板北橋芯片之間(jian)(jian)連接的(de)(de)通(tong)(tong)道，而“前(qian)端(duan)總線頻(pin)率”（FSB）就是(shi)該通(tong)(tong)道“運輸數據的(de)(de)速度”。如果將CPU看做一(yi)臺安裝在房(fang)間(jian)(jian)中的(de)(de)大(da)型機(ji)(ji)器的(de)(de)話，“前(qian)端(duan)總線”就是(shi)這個(ge)房(fang)間(jian)(jian)的(de)(de)“大(da)門”。機(ji)(ji)器的(de)(de)生(sheng)產能力(li)再強，如果“大(da)門”很(hen)窄或(huo)者物(wu)體流通(tong)(tong)速度比較慢的(de)(de) 話，CPU就不得不處于一(yi)種(zhong)“吃不飽”的(de)(de)狀(zhuang)態（圖5）。

圖5 “前(qian)端總(zong)線(xian)”圖釋

早(zao)期(qi)(qi)CPU的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)頻(pin)率(lv)是(shi)與CPU的(de)(de)外頻(pin)同(tong)步的(de)(de)。隨著CPU工作能力的(de)(de)加強（主頻(pin)越來(lai)越高），原來(lai)的(de)(de)那種低頻(pin)率(lv)前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)已經滿足不(bu)了(le)CPU的(de)(de)需要，于是(shi)人們(men)開始在(zai)“前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)頻(pin)率(lv)”上做(zuo)起了(le)文章——在(zai)不(bu)提高系統總線(xian)基準頻(pin)率(lv)的(de)(de)前(qian)(qian)體(ti)下，將前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)單個(ge)時(shi)鐘周期(qi)(qi)能夠傳輸的(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)個(ge)數(shu)以“倍(bei)數(shu)”增加。以當前(qian)(qian)的(de)(de)Pentium 4系列CPU為例，Intel為它設計了(le)一(yi)個(ge)名為“Quad-pumped”的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)，其實(shi)質就是(shi)該前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)在(zai)一(yi)個(ge)時(shi)鐘周期(qi)(qi)內，可以傳輸4倍(bei)的(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)。早(zao)期(qi)(qi)的(de)(de)Pentium 4的(de)(de)外頻(pin)都是(shi)100MHz，而由于采用了(le)“Quad-pumped”技術(shu)，這類CPU的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)頻(pin)率(lv)便成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)總線(xian)已經達到了(le)800MHz，但(dan)其實(shi)際的(de)(de)外頻(pin)是(shi)200MHz。

在認識了(le)這(zhe)幾個(ge)參數(shu)之后，你應(ying)該(gai)明白“外頻(pin)≠前(qian)端總線頻(pin)率（FSB）”了(le)吧(ba)。 3.CPU對(dui)電(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)要求——工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)是指CPU核(he)心正常工(gong)(gong)(gong)作(zuo)所(suo)需的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)。早期CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)一般為(wei)(wei)5V，目前(qian)Pentium 4 CPU的(de)(de)核(he)心工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)僅(jin)為(wei)(wei)1.5V左右。提高(gao)(gao)CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)可以提高(gao)(gao)CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)率，但是過高(gao)(gao)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)會(hui)(hui)帶來CPU發(fa)熱、甚至CPU燒(shao)壞的(de)(de)問題。而降(jiang)低CPU電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)不會(hui)(hui)對(dui)CPU造(zao)成物理損(sun)壞，但是會(hui)(hui)影響CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)的(de)(de)穩定性。因為(wei)(wei)降(jiang)低工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)會(hui)(hui)使CPU信號變弱，造(zao)成運算(suan)混亂。為(wei)(wei)了(le)降(jiang)低CPU電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)、減小CPU發(fa)熱，適應(ying)更高(gao)(gao)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)率，CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)有逐步下降(jiang)的(de)(de)趨勢(shi)。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨(sui)著CPU主頻(pin)的(de)(de)不(bu)(bu)斷提高(gao)，它(ta)的(de)(de)處理(li)速(su)度(du)也越(yue)來(lai)(lai)越(yue)快(kuai)，其(qi)它(ta)設備根(gen)本趕不(bu)(bu)上CPU的(de)(de)速(su)度(du)，沒辦法(fa)及(ji)時將(jiang)需要處理(li)的(de)(de)數(shu)(shu)據交給CPU。于是，高(gao)速(su)緩存(cun)便(bian)出現在(zai)CPU上，當(dang)CPU在(zai)處理(li)數(shu)(shu)據時，高(gao)速(su)緩存(cun)就用(yong)(yong)來(lai)(lai)存(cun)儲(chu)一些常用(yong)(yong)或(huo)即將(jiang)用(yong)(yong)到的(de)(de)數(shu)(shu)據或(huo)指令(ling)，當(dang)CPU需要這(zhe)些數(shu)(shu)據或(huo)指令(ling)的(de)(de)時候直接從高(gao)速(su)緩存(cun)中讀取，而不(bu)(bu)用(yong)(yong)再到內(nei)存(cun)甚至硬(ying)盤(pan)中去讀取，如此一來(lai)(lai)可以大幅(fu)度(du)提升CPU的(de)(de)處理(li)速(su)度(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存）：

它(ta)采(cai)用與CPU相同(tong)的半導體工(gong)藝(yi)，制(zhi)作在CPU內部(bu)，容量不是很(hen)大(da)，與CPU同(tong)頻運行(xing)，無需(xu)通過外部(bu)總線(xian)來交換數據，所以大(da)大(da)節省了存取(qu)時間(jian)。

L2 Cache（二級緩存）：CPU在(zai)讀(du)取數據時，尋找順序依次(ci)(ci)是L1→L2→內存→外存儲(chu)器。L2 Cache的容量(liang)十(shi)分靈活，容量(liang)越(yue)大，CPU檔(dang)次(ci)(ci)越(yue)高。

L3 Cache（三(san)級(ji)緩(huan)存(cun)(cun)）：還可以在主板上(shang)或(huo)者(zhe)CPU上(shang)再(zai)外置的大容量緩(huan)存(cun)(cun)，被稱(cheng)為三(san)級(ji)緩(huan)存(cun)(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造(zao)(zao)工(gong)藝，也稱(cheng)為(wei)“制(zhi)程(cheng)寬度(du)(du)”。是在(zai)(zai)制(zhi)作CPU核(he)心(xin)時，核(he)心(xin)上(shang)最基本的(de)(de)功能單元(yuan)CMOS電路(lu)的(de)(de)寬度(du)(du)。在(zai)(zai)CPU的(de)(de)制(zhi)造(zao)(zao)工(gong)藝中，一般都是用微米來衡量(liang)加工(gong)精度(du)(du)。從上(shang)世紀70年代早期(qi)的(de)(de)10微米線寬一直到目前采用的(de)(de)0.13微米線寬，CPU的(de)(de)制(zhi)造(zao)(zao)工(gong)藝都在(zai)(zai)不斷地進步。制(zhi)作工(gong)藝的(de)(de)提高，意味著CPU的(de)(de)體積將更(geng)小，集成度(du)(du)更(geng)高，耗電更(geng)少。

圖6 CPU封(feng)裝技術(shu)的變遷

封(feng)裝(zhuang)是(shi)指安裝(zhuang)CPU集成(cheng)電路芯(xin)片(pian)用(yong)(yong)的(de)(de)外殼。封(feng)裝(zhuang)不僅起著安放、固定、密封(feng)、保護芯(xin)片(pian)和增強散(san)熱功能的(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)，而且還是(shi)溝通芯(xin)片(pian)內部與外部電路的(de)(de)橋(qiao)梁(liang)。芯(xin)片(pian)的(de)(de)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術已經歷了好(hao)幾(ji)代(dai)的(de)(de)變遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)術指標(biao)一(yi)代(dai)比一(yi)代(dai)先進（圖6、7）。目(mu)前封(feng)裝(zhuang)技(ji)術適用(yong)(yong)的(de)(de)芯(xin)片(pian)頻率越來(lai)越高(gao)，散(san)熱性(xing)能越來(lai)越好(hao)，引(yin)腳數(shu)增多，引(yin)腳間(jian)距(ju)減小(xiao)，重量減小(xiao)，可(ke)靠性(xing)也越來(lai)越高(gao)。

圖(tu)7 FC-PGA（反轉針柵(zha)陣列）封裝形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)(de)(de)性能(neng)可以用工作頻率(lv)來表現，而CPU的(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)大功(gong)能(neng)則依(yi)賴于(yu)指(zhi)令系統。新一代CPU產品中，或多或少都需(xu)要增加新指(zhi)令，以增強(qiang)(qiang)CPU系統功(gong)能(neng)。指(zhi)令系統決定了一個(ge)CPU能(neng)夠運行什么樣的(de)(de)(de)程序，因此，一般來說，指(zhi)令越多，CPU功(gong)能(neng)越強(qiang)(qiang)大。目前(qian)主(zhu)流的(de)(de)(de)CPU指(zhi)令集(ji)有Intel的(de)(de)(de)MMX、SSE、SSE2及AMD的(de)(de)(de)3D Now擴(kuo)展指(zhi)令集(ji)。