CPU芯(xin)(xin)片基(ji)礎知識 CPU芯(xin)(xin)片工作原(yuan)理 CPU芯(xin)(xin)片參數介紹

CPU是“Central Processing Unit”的英語縮寫(xie)，中(zhong)文意思是“中(zhong)央處理器”，有(you)時我們也(ye)簡稱它為“處理器”或是“微處理器”。它是整個計算機系(xi)統的運算、控(kong)制中(zhong)心，也(ye)就是計算機的“大(da)腦(nao)”。首(shou)先就讓買(mai)購網小編(bian)來(lai)帶(dai)大(da)家看看什么(me)是CPU。

一、打望CPU

CPU外(wai)形看上(shang)去非常(chang)簡單：它是(shi)一(yi)個矩(ju)形片(pian)狀物體(ti)，中間(jian)凸(tu)起的(de)一(yi)片(pian)指甲大小的(de)、薄薄的(de)硅晶(jing)片(pian)部分是(shi)CPU核心，英文稱(cheng)之(zhi)為“die”。在這塊(kuai)小小的(de)硅片(pian)上(shang)，密布著數以千萬計的(de)晶(jing)體(ti)管，它們(men)相互配合協調，完成著各種復雜的(de)運算(suan)和操作（圖1）。CPU主要分為Intel和AMD兩類，圖1是(shi)AMD生產的(de)CPU，我們(men)將在下期細細講述它們(men)之(zhi)間(jian)的(de)區別。

圖1 CPU正(zheng)面俯視(shi)圖

CPU的(de)(de)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)工(gong)作強度很大，發熱量(liang)也(ye)大。而且(qie)CPU的(de)(de)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)非常脆弱，為(wei)了(le)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)的(de)(de)安全，同時(shi)為(wei)了(le)幫(bang)助核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)散(san)熱，于是現在(zai)的(de)(de)CPU一(yi)般在(zai)其(qi)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)上加裝一(yi)個金屬蓋，此金屬蓋不僅可以避(bi)免核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)受到意外傷害，同時(shi)也(ye)增加了(le)核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)的(de)(de)散(san)熱面積（圖2）。

圖2 加裝(zhuang)了金(jin)屬蓋的CPU

金屬(shu)封(feng)裝殼周圍是CPU基(ji)板，它將CPU內部(bu)的(de)(de)(de)信號(hao)引(yin)到CPU引(yin)腳(jiao)上。基(ji)板的(de)(de)(de)背(bei)面有許 多(duo)密密麻(ma)麻(ma)的(de)(de)(de)鍍金的(de)(de)(de)引(yin)腳(jiao)，它是CPU與(yu)外(wai)部(bu)電(dian)路連接的(de)(de)(de)通(tong)道，同時(shi)也起(qi)著(zhu)固定CPU的(de)(de)(de)作用（圖3）。

圖3 CPU背(bei)面的金(jin)屬針角

由于(yu)CPU的(de)(de)核心發熱(re)(re)量(liang)比較大(da)，為(wei)了保(bao)護(hu)核心的(de)(de)安全，如今的(de)(de)CPU都(dou)得加裝(zhuang)一(yi)個CPU散熱(re)(re)器(qi)(qi)。散熱(re)(re)器(qi)(qi)通常由一(yi)個大(da)大(da)的(de)(de)合金散熱(re)(re)片和一(yi)個散熱(re)(re)風扇(shan)組成，用來將CPU核心產生的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)快速散發掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散(san)熱(re)器

CPU的(de)(de)工(gong)作原(yuan)理(li)：CPU的(de)(de)內部(bu)(bu)結構可分(fen)(fen)為控制、邏(luo)輯(ji)、存儲三大(da)部(bu)(bu)分(fen)(fen)。如果將(jiang)(jiang)CPU比(bi)作一(yi)臺機(ji)器的(de)(de)話(hua)，其工(gong)作原(yuan)理(li)大(da)致是這(zhe)樣的(de)(de)：首先是CPU將(jiang)(jiang)“原(yuan)料”（程序(xu)發出的(de)(de)指(zhi)令）經過(guo)“物質分(fen)(fen)配(pei)單(dan)位”（控制單(dan)元(yuan)）進(jin)行初步調節，然后(hou)送到“加(jia)工(gong)車床”（邏(luo)輯(ji)運算單(dan)元(yuan)）進(jin)行加(jia)工(gong)，最后(hou)將(jiang)(jiang)加(jia)工(gong)出來的(de)(de)“產品(pin)”（處理(li)后(hou)的(de)(de)數據）存儲到“倉庫”（存儲器）中(zhong)，以(yi)后(hou)“銷(xiao)售部(bu)(bu)門”（應(ying)用程序(xu)）就可到“倉庫”中(zhong)按需提貨了。

二、透透徹徹看參數

見(jian)識了(le)CPU的廬(lu)山真面目(mu)之后，我們也該跟它好好交流(liu)一番才行了(le)，因(yin)為(wei)要真正透徹地了(le)解(jie)CPU，就必(bi)須知道(dao)CPU的一些基礎(chu)參(can)數(shu)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

主頻(pin)就(jiu)是CPU的(de)(de)(de)時鐘頻(pin)率，也(ye)就(jiu)是CPU運算(suan)時的(de)(de)(de)工作頻(pin)率。我們平常經常掛在(zai)嘴邊(bian)的(de)(de)(de)“奔騰4 XXX MHz”講的(de)(de)(de)就(jiu)是CPU的(de)(de)(de)主頻(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(de)(de)還有“外頻(pin)(pin)(pin)”與(yu)“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)”這兩(liang)個概念，“外頻(pin)(pin)(pin)”是(shi)(shi)系統總線(xian)的(de)(de)工作頻(pin)(pin)(pin)率(lv)，而(er)“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)”則(ze)是(shi)(shi)外頻(pin)(pin)(pin)與(yu)主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)差的(de)(de)倍(bei)數，主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)=外頻(pin)(pin)(pin)×倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)。我們可以把外頻(pin)(pin)(pin)看做CPU這臺(tai)“機器”內部(bu)的(de)(de)一條生(sheng)產(chan)線(xian)，而(er)倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)則(ze)是(shi)(shi)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)(de)條數，一臺(tai)機器生(sheng)產(chan)速度的(de)(de)快慢（主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)）自然就是(shi)(shi)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)(de)速度（外頻(pin)(pin)(pin)）乘(cheng)以生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)(de)條數（倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端總(zong)線是CPU與主板北橋芯片之間連(lian)接的(de)通(tong)道，而(er)“前端總(zong)線頻率”（FSB）就是該通(tong)道“運輸數據的(de)速度”。如(ru)果(guo)(guo)將CPU看做一臺安裝在房間中的(de)大型機器的(de)話，“前端總(zong)線”就是這個(ge)房間的(de)“大門”。機器的(de)生產能力(li)再(zai)強，如(ru)果(guo)(guo)“大門”很窄或者物體流(liu)通(tong)速度比較(jiao)慢的(de) 話，CPU就不得不處(chu)于一種“吃不飽”的(de)狀態(tai)（圖(tu)5）。

圖5 “前端總線”圖釋(shi)

早期(qi)(qi)CPU的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)頻(pin)率(lv)(lv)是與CPU的(de)(de)外(wai)頻(pin)同步的(de)(de)。隨著CPU工(gong)作能(neng)力(li)的(de)(de)加強（主頻(pin)越來越高），原來的(de)(de)那種(zhong)低頻(pin)率(lv)(lv)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)已(yi)經滿足(zu)不了(le)CPU的(de)(de)需要，于是人們開始在“前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)頻(pin)率(lv)(lv)”上做(zuo)起(qi)了(le)文章——在不提(ti)高系(xi)統總(zong)(zong)線(xian)基準頻(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)體下，將(jiang)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)單個時鐘(zhong)周期(qi)(qi)能(neng)夠傳輸(shu)的(de)(de)數據個數以(yi)“倍(bei)數”增加。以(yi)當(dang)前(qian)(qian)(qian)的(de)(de)Pentium 4系(xi)列CPU為例，Intel為它設(she)計了(le)一個名為“Quad-pumped”的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)，其實(shi)質就是該前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)在一個時鐘(zhong)周期(qi)(qi)內，可以(yi)傳輸(shu)4倍(bei)的(de)(de)數據。早期(qi)(qi)的(de)(de)Pentium 4的(de)(de)外(wai)頻(pin)都是100MHz，而由于采用了(le)“Quad-pumped”技(ji)術，這類CPU的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)頻(pin)率(lv)(lv)便成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)(duan)總(zong)(zong)線(xian)已(yi)經達到了(le)800MHz，但其實(shi)際的(de)(de)外(wai)頻(pin)是200MHz。

在認(ren)識了這幾個參數之后，你應該明白(bai)“外頻≠前(qian)端總(zong)線(xian)頻率（FSB）”了吧。 3.CPU對(dui)電(dian)(dian)源的(de)(de)要求——工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya) 工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)是(shi)指CPU核(he)心正常工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)所需的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)。早(zao)期CPU的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)一般為(wei)(wei)5V，目前(qian)Pentium 4 CPU的(de)(de)核(he)心工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)僅(jin)為(wei)(wei)1.5V左右。提(ti)高CPU的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)可以提(ti)高CPU工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻率，但是(shi)過(guo)高的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)會帶來(lai)CPU發(fa)熱、甚至CPU燒壞的(de)(de)問題。而降低CPU電(dian)(dian)壓(ya)不(bu)會對(dui)CPU造成物理(li)損壞，但是(shi)會影(ying)響CPU工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)的(de)(de)穩定(ding)性(xing)。因為(wei)(wei)降低工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)會使CPU信號變弱(ruo)，造成運算混亂。為(wei)(wei)了降低CPU電(dian)(dian)壓(ya)、減小CPU發(fa)熱，適應更高的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻率，CPU工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)有逐步下降的(de)(de)趨(qu)勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著(zhu)CPU主頻(pin)的(de)(de)不(bu)斷提高(gao)(gao)，它(ta)(ta)的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)速(su)(su)度(du)(du)也越來(lai)越快(kuai)，其它(ta)(ta)設(she)備根(gen)本趕不(bu)上(shang)CPU的(de)(de)速(su)(su)度(du)(du)，沒辦法及時(shi)(shi)將(jiang)需要處(chu)(chu)理(li)的(de)(de)數據交給CPU。于是，高(gao)(gao)速(su)(su)緩(huan)存便(bian)出現在(zai)CPU上(shang)，當(dang)CPU在(zai)處(chu)(chu)理(li)數據時(shi)(shi)，高(gao)(gao)速(su)(su)緩(huan)存就(jiu)用來(lai)存儲一些常用或即將(jiang)用到的(de)(de)數據或指令，當(dang)CPU需要這些數據或指令的(de)(de)時(shi)(shi)候(hou)直接(jie)從高(gao)(gao)速(su)(su)緩(huan)存中讀取(qu)，而(er)不(bu)用再到內(nei)存甚至(zhi)硬盤中去讀取(qu)，如此(ci)一來(lai)可以大幅度(du)(du)提升CPU的(de)(de)處(chu)(chu)理(li)速(su)(su)度(du)(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存(cun)）：

它采(cai)用與CPU相同的半導體(ti)工(gong)藝，制作在(zai)CPU內部(bu)，容量不(bu)是很大，與CPU同頻運行(xing)，無(wu)需通過外部(bu)總線來交換(huan)數據，所以大大節(jie)省了存取(qu)時間(jian)。

L2 Cache（二(er)級緩存(cun)）：CPU在(zai)讀取數據時，尋找(zhao)順序依次是L1→L2→內存(cun)→外存(cun)儲器(qi)。L2 Cache的容量十(shi)分靈活，容量越(yue)大，CPU檔次越(yue)高。

L3 Cache（三級緩(huan)存(cun)）：還可以在主板(ban)上或者CPU上再外置(zhi)的(de)大容量緩(huan)存(cun)，被稱為(wei)三級緩(huan)存(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造(zao)工(gong)藝，也稱為“制(zhi)程(cheng)寬(kuan)度”。是(shi)在制(zhi)作CPU核心(xin)時，核心(xin)上最(zui)基本的(de)(de)功(gong)能(neng)單元CMOS電路的(de)(de)寬(kuan)度。在CPU的(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝中，一般(ban)都是(shi)用微(wei)米來衡(heng)量加工(gong)精度。從上世紀70年代早期的(de)(de)10微(wei)米線寬(kuan)一直到目(mu)前(qian)采用的(de)(de)0.13微(wei)米線寬(kuan)，CPU的(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝都在不斷地進(jin)步。制(zhi)作工(gong)藝的(de)(de)提高(gao)，意味著CPU的(de)(de)體積將更小，集成(cheng)度更高(gao)，耗電更少。

圖6 CPU封裝技術的變遷(qian)

封裝是(shi)指安裝CPU集成電(dian)路(lu)芯片(pian)(pian)用(yong)的(de)(de)(de)外(wai)殼。封裝不(bu)僅(jin)起著安放、固定(ding)、密(mi)封、保護芯片(pian)(pian)和(he)增強(qiang)散(san)熱功能的(de)(de)(de)作用(yong)，而且(qie)還是(shi)溝通芯片(pian)(pian)內部與外(wai)部電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)橋梁(liang)。芯片(pian)(pian)的(de)(de)(de)封裝技術已經(jing)歷了好(hao)幾(ji)代的(de)(de)(de)變(bian)遷(qian)，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技術指標一代比一代先進（圖6、7）。目前(qian)封裝技術適(shi)用(yong)的(de)(de)(de)芯片(pian)(pian)頻率越來(lai)越高，散(san)熱性(xing)(xing)能越來(lai)越好(hao)，引腳(jiao)數(shu)增多，引腳(jiao)間(jian)距減小(xiao)，重量減小(xiao)，可(ke)靠性(xing)(xing)也越來(lai)越高。

圖7 FC-PGA（反(fan)轉針(zhen)柵陣列）封裝(zhuang)形式(shi)）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能(neng)可以用工作頻率(lv)來表現，而(er)CPU的強(qiang)(qiang)大功能(neng)則(ze)依賴于指令系(xi)統。新(xin)一代CPU產品中，或多或少(shao)都需要增(zeng)加(jia)新(xin)指令，以增(zeng)強(qiang)(qiang)CPU系(xi)統功能(neng)。指令系(xi)統決定了一個CPU能(neng)夠運行什(shen)么樣的程序(xu)，因(yin)此，一般來說，指令越(yue)多，CPU功能(neng)越(yue)強(qiang)(qiang)大。目前(qian)主(zhu)流(liu)的CPU指令集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展指令集。