CPU芯(xin)片(pian)基礎知識 CPU芯(xin)片(pian)工作原理 CPU芯(xin)片(pian)參數介(jie)紹

CPU是“Central Processing Unit”的(de)英語縮寫，中文意思是“中央處理器(qi)”，有(you)時我們也(ye)簡稱(cheng)它(ta)為(wei)“處理器(qi)”或是“微處理器(qi)”。它(ta)是整個(ge)計算機系統的(de)運算、控制(zhi)中心，也(ye)就是計算機的(de)“大腦”。首先就讓買(mai)購網小(xiao)編來(lai)帶(dai)大家看(kan)看(kan)什么是CPU。

一、打望CPU

CPU外(wai)形看上去非常簡單：它(ta)是(shi)(shi)一個矩(ju)形片狀(zhuang)物體，中間凸起的(de)一片指甲大小(xiao)的(de)、薄薄的(de)硅(gui)晶片部(bu)分是(shi)(shi)CPU核心，英文稱(cheng)之(zhi)為“die”。在這(zhe)塊(kuai)小(xiao)小(xiao)的(de)硅(gui)片上，密布著(zhu)(zhu)數以(yi)千萬計(ji)的(de)晶體管，它(ta)們相(xiang)互配合(he)協調(diao)，完(wan)成著(zhu)(zhu)各種(zhong)復雜的(de)運算(suan)和操作(zuo)（圖1）。CPU主要(yao)分為Intel和AMD兩類(lei)，圖1是(shi)(shi)AMD生產的(de)CPU，我們將(jiang)在下(xia)期細細講(jiang)述(shu)它(ta)們之(zhi)間的(de)區(qu)別。

圖(tu)1 CPU正面俯視圖(tu)

CPU的(de)核(he)(he)心(xin)(xin)工作強(qiang)度很大，發熱(re)量也(ye)大。而且CPU的(de)核(he)(he)心(xin)(xin)非常脆弱，為了(le)核(he)(he)心(xin)(xin)的(de)安全，同(tong)時(shi)(shi)為了(le)幫(bang)助核(he)(he)心(xin)(xin)散熱(re)，于是現(xian)在的(de)CPU一般在其核(he)(he)心(xin)(xin)上(shang)加裝一個金(jin)屬(shu)蓋(gai)，此(ci)金(jin)屬(shu)蓋(gai)不僅可以避免核(he)(he)心(xin)(xin)受到意外傷害，同(tong)時(shi)(shi)也(ye)增加了(le)核(he)(he)心(xin)(xin)的(de)散熱(re)面積（圖2）。

圖(tu)2 加(jia)裝(zhuang)了金屬(shu)蓋的CPU

金屬封裝(zhuang)殼周圍是CPU基板(ban)，它(ta)將CPU內(nei)部的(de)(de)信號引到(dao)CPU引腳上(shang)。基板(ban)的(de)(de)背面(mian)有許 多(duo)密(mi)密(mi)麻麻的(de)(de)鍍金的(de)(de)引腳，它(ta)是CPU與(yu)外(wai)部電路連接的(de)(de)通道(dao)，同時也起著固定CPU的(de)(de)作用(yong)（圖3）。

圖(tu)3 CPU背面(mian)的金屬針(zhen)角

由(you)于CPU的(de)核(he)心(xin)發熱(re)量(liang)比較大(da)，為了保護核(he)心(xin)的(de)安全(quan)，如今的(de)CPU都得加(jia)裝一個CPU散熱(re)器。散熱(re)器通常由(you)一個大(da)大(da)的(de)合金散熱(re)片和一個散熱(re)風(feng)扇組(zu)成，用來將(jiang)CPU核(he)心(xin)產生的(de)熱(re)量(liang)快速(su)散發掉（圖(tu)4）。

圖4 P4 CPU散熱(re)器

CPU的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)原(yuan)理：CPU的(de)內部(bu)結(jie)構(gou)可分(fen)(fen)為控制、邏輯、存(cun)儲三大部(bu)分(fen)(fen)。如果將CPU比作(zuo)(zuo)一臺機器(qi)(qi)的(de)話，其工(gong)作(zuo)(zuo)原(yuan)理大致是(shi)這樣的(de)：首先是(shi)CPU將“原(yuan)料”（程序(xu)發出的(de)指令）經過(guo)“物質分(fen)(fen)配單位”（控制單元(yuan)）進行(xing)初步調(diao)節，然后送(song)到“加工(gong)車床”（邏輯運(yun)算(suan)單元(yuan)）進行(xing)加工(gong)，最后將加工(gong)出來(lai)的(de)“產品”（處理后的(de)數據）存(cun)儲到“倉(cang)庫”（存(cun)儲器(qi)(qi)）中，以后“銷售部(bu)門(men)”（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(le)CPU的廬山真面目之后，我們也該跟它好好交(jiao)流(liu)一番才行了(le)，因為要真正透徹地了(le)解CPU，就必(bi)須知道CPU的一些(xie)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

主頻(pin)就是(shi)CPU的(de)時鐘頻(pin)率(lv)，也就是(shi)CPU運算時的(de)工作頻(pin)率(lv)。我們平常(chang)經常(chang)掛在(zai)嘴邊(bian)的(de)“奔騰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(yu)主(zhu)頻(pin)(pin)相關的(de)(de)還(huan)有(you)“外頻(pin)(pin)”與(yu)“倍頻(pin)(pin)”這兩個(ge)概念，“外頻(pin)(pin)”是(shi)系統總線(xian)的(de)(de)工作頻(pin)(pin)率(lv)，而“倍頻(pin)(pin)”則(ze)是(shi)外頻(pin)(pin)與(yu)主(zhu)頻(pin)(pin)相差的(de)(de)倍數，主(zhu)頻(pin)(pin)=外頻(pin)(pin)×倍頻(pin)(pin)。我們可以把外頻(pin)(pin)看做CPU這臺“機(ji)(ji)器(qi)”內部(bu)的(de)(de)一條(tiao)生產(chan)線(xian)，而倍頻(pin)(pin)則(ze)是(shi)生產(chan)線(xian)的(de)(de)條(tiao)數，一臺機(ji)(ji)器(qi)生產(chan)速度的(de)(de)快慢（主(zhu)頻(pin)(pin)）自然就是(shi)生產(chan)線(xian)的(de)(de)速度（外頻(pin)(pin)）乘(cheng)以生產(chan)線(xian)的(de)(de)條(tiao)數（倍頻(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線是(shi)CPU與主(zhu)板北橋芯片之間連接的(de)(de)通(tong)道，而(er)“前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線頻率”（FSB）就(jiu)是(shi)該通(tong)道“運輸數據(ju)的(de)(de)速度”。如(ru)果將CPU看做一臺(tai)安裝在(zai)房(fang)間中的(de)(de)大型機(ji)器的(de)(de)話(hua)，“前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線”就(jiu)是(shi)這個(ge)房(fang)間的(de)(de)“大門”。機(ji)器的(de)(de)生產能力再強，如(ru)果“大門”很窄或者(zhe)物體(ti)流通(tong)速度比較慢的(de)(de) 話(hua)，CPU就(jiu)不得不處于一種(zhong)“吃(chi)不飽”的(de)(de)狀態（圖5）。

圖(tu)5 “前端總線”圖(tu)釋

早期CPU的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總線(xian)頻(pin)(pin)率(lv)是與CPU的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)同步的(de)(de)(de)(de)(de)。隨(sui)著CPU工作(zuo)能力的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)強(qiang)（主頻(pin)(pin)越來越高(gao)），原來的(de)(de)(de)(de)(de)那種低頻(pin)(pin)率(lv)前(qian)端(duan)總線(xian)已(yi)經(jing)滿足不了(le)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)需要，于(yu)是人們(men)開(kai)始在“前(qian)端(duan)總線(xian)頻(pin)(pin)率(lv)”上做起(qi)了(le)文章——在不提高(gao)系(xi)統(tong)總線(xian)基準(zhun)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)體下(xia)，將前(qian)端(duan)總線(xian)單個時鐘周(zhou)期能夠傳輸(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)數據個數以“倍數”增(zeng)加(jia)。以當前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)Pentium 4系(xi)列CPU為例，Intel為它設計了(le)一(yi)個名為“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總線(xian)，其(qi)實(shi)(shi)質就是該前(qian)端(duan)總線(xian)在一(yi)個時鐘周(zhou)期內，可以傳輸(shu)4倍的(de)(de)(de)(de)(de)數據。早期的(de)(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)都是100MHz，而由于(yu)采用了(le)“Quad-pumped”技術(shu)，這(zhe)類CPU的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總線(xian)頻(pin)(pin)率(lv)便成(cheng)了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今(jin)，Pentium 4的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總線(xian)已(yi)經(jing)達(da)到(dao)了(le)800MHz，但(dan)其(qi)實(shi)(shi)際的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)是200MHz。

在(zai)認識了這(zhe)幾個(ge)參數之后，你應該明白(bai)“外頻(pin)≠前端(duan)總(zong)線頻(pin)率（FSB）”了吧。 3.CPU對(dui)電(dian)源的要求——工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya) 工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)是(shi)指CPU核(he)心正常工作(zuo)(zuo)所需(xu)的電(dian)壓(ya)。早期CPU的工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)一般為(wei)5V，目(mu)前Pentium 4 CPU的核(he)心工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)僅為(wei)1.5V左右。提高CPU的工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)可以(yi)提高CPU工作(zuo)(zuo)頻(pin)率，但(dan)是(shi)過(guo)高的工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)會(hui)(hui)帶來(lai)CPU發熱、甚至CPU燒壞(huai)的問(wen)題。而降(jiang)(jiang)低CPU電(dian)壓(ya)不會(hui)(hui)對(dui)CPU造成物理(li)損壞(huai)，但(dan)是(shi)會(hui)(hui)影(ying)響CPU工作(zuo)(zuo)的穩定(ding)性。因為(wei)降(jiang)(jiang)低工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)會(hui)(hui)使(shi)CPU信號變弱(ruo)，造成運算混(hun)亂。為(wei)了降(jiang)(jiang)低CPU電(dian)壓(ya)、減小CPU發熱，適應更高的工作(zuo)(zuo)頻(pin)率，CPU工作(zuo)(zuo)電(dian)壓(ya)有逐步下降(jiang)(jiang)的趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著(zhu)CPU主頻的(de)(de)不(bu)斷提(ti)高(gao)，它(ta)的(de)(de)處(chu)理(li)速(su)(su)度(du)(du)也越來(lai)越快(kuai)，其它(ta)設備根本(ben)趕不(bu)上CPU的(de)(de)速(su)(su)度(du)(du)，沒辦法及時將需要處(chu)理(li)的(de)(de)數(shu)據(ju)交給CPU。于是，高(gao)速(su)(su)緩存便出現在CPU上，當CPU在處(chu)理(li)數(shu)據(ju)時，高(gao)速(su)(su)緩存就用來(lai)存儲一些(xie)常(chang)用或即將用到的(de)(de)數(shu)據(ju)或指令，當CPU需要這些(xie)數(shu)據(ju)或指令的(de)(de)時候直接從(cong)高(gao)速(su)(su)緩存中(zhong)讀取，而不(bu)用再(zai)到內存甚(shen)至硬盤中(zhong)去讀取，如此一來(lai)可以大幅度(du)(du)提(ti)升CPU的(de)(de)處(chu)理(li)速(su)(su)度(du)(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一(yi)級(ji)緩存(cun)）：

它(ta)采(cai)用(yong)與(yu)CPU相同(tong)的半導體工藝，制作在(zai)CPU內部，容(rong)量不是很大(da)，與(yu)CPU同(tong)頻運行，無需(xu)通過外部總線來交(jiao)換數據(ju)，所(suo)以大(da)大(da)節省了存取時(shi)間(jian)。

L2 Cache（二級緩存）：CPU在讀取數據時，尋(xun)找順(shun)序依次(ci)是L1→L2→內存→外存儲器。L2 Cache的容量十分靈(ling)活，容量越大，CPU檔(dang)次(ci)越高。

L3 Cache（三級(ji)緩(huan)存(cun)(cun)）：還可以(yi)在(zai)主(zhu)板上或者(zhe)CPU上再(zai)外置的大(da)容量緩(huan)存(cun)(cun)，被稱為三級(ji)緩(huan)存(cun)(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制造工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)，也稱(cheng)為“制程寬度”。是(shi)在(zai)制作(zuo)CPU核(he)心時，核(he)心上最(zui)基本的功能單元CMOS電(dian)路(lu)的寬度。在(zai)CPU的制造工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)中，一般都是(shi)用微米來衡量加工(gong)(gong)(gong)(gong)精(jing)度。從上世紀(ji)70年(nian)代早(zao)期的10微米線(xian)寬一直到目(mu)前采用的0.13微米線(xian)寬，CPU的制造工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)都在(zai)不斷地進步。制作(zuo)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)(yi)的提(ti)高，意味著CPU的體(ti)積(ji)將更小，集成(cheng)度更高，耗電(dian)更少。

圖6 CPU封裝技(ji)術的變遷

封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)是(shi)指安裝(zhuang)CPU集成(cheng)電路芯(xin)(xin)(xin)片用(yong)的外(wai)殼。封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)不僅起著安放、固定(ding)、密封(feng)(feng)(feng)、保護芯(xin)(xin)(xin)片和增強(qiang)散熱功能(neng)的作用(yong)，而且還(huan)是(shi)溝通芯(xin)(xin)(xin)片內部與(yu)外(wai)部電路的橋梁。芯(xin)(xin)(xin)片的封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)術已經歷了好幾代的變遷(qian)，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)術指標一代比一代先(xian)進（圖6、7）。目前(qian)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)術適用(yong)的芯(xin)(xin)(xin)片頻率(lv)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高，散熱性能(neng)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)好，引腳數增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性也越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高。

圖7 FC-PGA（反轉針柵陣列）封(feng)裝(zhuang)形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能(neng)可以用(yong)工作頻率來(lai)表現，而CPU的強大(da)功能(neng)則(ze)依賴于指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)系統。新一(yi)代CPU產品(pin)中，或(huo)多或(huo)少(shao)都需要增(zeng)(zeng)加新指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)，以增(zeng)(zeng)強CPU系統功能(neng)。指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)系統決(jue)定了一(yi)個CPU能(neng)夠運(yun)行(xing)什(shen)么樣的程(cheng)序，因此，一(yi)般(ban)來(lai)說，指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)越多，CPU功能(neng)越強大(da)。目前主(zhu)流的CPU指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)集。