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

CPU是“Central Processing Unit”的(de)英語縮寫，中(zhong)文意思是“中(zhong)央處(chu)理器”，有時(shi)我們(men)也(ye)簡稱它(ta)為“處(chu)理器”或是“微處(chu)理器”。它(ta)是整(zheng)個計(ji)算(suan)機系統的(de)運(yun)算(suan)、控制中(zhong)心(xin)，也(ye)就(jiu)是計(ji)算(suan)機的(de)“大腦(nao)”。首先就(jiu)讓買購(gou)網小(xiao)編來帶大家看看什么(me)是CPU。

一、打望CPU

CPU外(wai)形看(kan)上去(qu)非常簡(jian)單：它是(shi)一個矩(ju)形片狀物體(ti)，中間凸起的(de)一片指甲大小的(de)、薄(bo)薄(bo)的(de)硅(gui)晶(jing)(jing)片部(bu)分是(shi)CPU核心，英(ying)文稱之為(wei)(wei)“die”。在這塊(kuai)小小的(de)硅(gui)片上，密(mi)布著數(shu)以(yi)千(qian)萬計的(de)晶(jing)(jing)體(ti)管，它們(men)相互配合(he)協調，完成著各(ge)種復雜(za)的(de)運算和(he)(he)操作（圖1）。CPU主要分為(wei)(wei)Intel和(he)(he)AMD兩(liang)類(lei)，圖1是(shi)AMD生產的(de)CPU，我們(men)將在下期(qi)細細講述它們(men)之間的(de)區別(bie)。

圖1 CPU正(zheng)面俯視圖

CPU的(de)核(he)(he)(he)心(xin)(xin)工作強度很大，發熱量(liang)也大。而且CPU的(de)核(he)(he)(he)心(xin)(xin)非(fei)常脆弱，為了(le)核(he)(he)(he)心(xin)(xin)的(de)安全，同(tong)時為了(le)幫助核(he)(he)(he)心(xin)(xin)散熱，于是現在的(de)CPU一般(ban)在其核(he)(he)(he)心(xin)(xin)上加裝一個金屬蓋(gai)，此金屬蓋(gai)不(bu)僅可以避免核(he)(he)(he)心(xin)(xin)受到意外傷害，同(tong)時也增加了(le)核(he)(he)(he)心(xin)(xin)的(de)散熱面積（圖2）。

圖2 加裝了金屬蓋的(de)CPU

金屬封裝殼周(zhou)圍是(shi)CPU基(ji)板(ban)，它(ta)將CPU內部的(de)(de)信號引到CPU引腳(jiao)上。基(ji)板(ban)的(de)(de)背面有(you)許 多密密麻麻的(de)(de)鍍金的(de)(de)引腳(jiao)，它(ta)是(shi)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（圖3）。

圖(tu)3 CPU背面的金屬針角

由(you)于CPU的(de)核(he)心發熱量比較大，為了保護核(he)心的(de)安全，如今的(de)CPU都得加裝(zhuang)一(yi)個(ge)CPU散熱器。散熱器通常(chang)由(you)一(yi)個(ge)大大的(de)合金散熱片和一(yi)個(ge)散熱風扇(shan)組成，用來將CPU核(he)心產生的(de)熱量快速散發掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散熱器

CPU的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理：CPU的(de)(de)(de)內(nei)部結構可(ke)分(fen)為控制(zhi)、邏(luo)輯、存儲(chu)(chu)三(san)大部分(fen)。如果將(jiang)CPU比(bi)作(zuo)一臺機(ji)器(qi)的(de)(de)(de)話(hua)，其工(gong)作(zuo)原(yuan)理大致是(shi)這樣的(de)(de)(de)：首先是(shi)CPU將(jiang)“原(yuan)料”（程序(xu)發出的(de)(de)(de)指令）經(jing)過“物質分(fen)配單位”（控制(zhi)單元(yuan)）進(jin)行初步調節，然(ran)后(hou)送到“加(jia)工(gong)車床”（邏(luo)輯運算單元(yuan)）進(jin)行加(jia)工(gong)，最后(hou)將(jiang)加(jia)工(gong)出來的(de)(de)(de)“產(chan)品”（處理后(hou)的(de)(de)(de)數(shu)據）存儲(chu)(chu)到“倉(cang)庫”（存儲(chu)(chu)器(qi)）中，以后(hou)“銷售部門”（應用程序(xu)）就(jiu)可(ke)到“倉(cang)庫”中按需(xu)提貨了。

二、透透徹徹看參數

見(jian)識了(le)CPU的(de)(de)廬山(shan)真面目之(zhi)后(hou)，我們也該(gai)跟它好好交流一(yi)(yi)番才(cai)行了(le)，因(yin)為要真正透徹(che)地了(le)解CPU，就必須(xu)知道CPU的(de)(de)一(yi)(yi)些(xie)基礎(chu)參數的(de)(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

主頻就是CPU的(de)時鐘(zhong)頻率，也就是CPU運算時的(de)工作頻率。我們(men)平常經常掛在嘴邊的(de)“奔騰4 XXX MHz”講的(de)就是CPU的(de)主頻。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與主頻(pin)(pin)相關的(de)還有“外頻(pin)(pin)”與“倍(bei)頻(pin)(pin)”這(zhe)(zhe)兩(liang)個概念，“外頻(pin)(pin)”是(shi)(shi)系統總線(xian)的(de)工(gong)作頻(pin)(pin)率，而“倍(bei)頻(pin)(pin)”則(ze)(ze)是(shi)(shi)外頻(pin)(pin)與主頻(pin)(pin)相差(cha)的(de)倍(bei)數(shu)，主頻(pin)(pin)=外頻(pin)(pin)×倍(bei)頻(pin)(pin)。我們可以(yi)把外頻(pin)(pin)看做(zuo)CPU這(zhe)(zhe)臺(tai)“機器”內部(bu)的(de)一條(tiao)生(sheng)產(chan)線(xian)，而倍(bei)頻(pin)(pin)則(ze)(ze)是(shi)(shi)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)條(tiao)數(shu)，一臺(tai)機器生(sheng)產(chan)速(su)度的(de)快(kuai)慢（主頻(pin)(pin)）自然就是(shi)(shi)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)速(su)度（外頻(pin)(pin)）乘以(yi)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)條(tiao)數(shu)（倍(bei)頻(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端(duan)總(zong)線是(shi)(shi)CPU與主板北(bei)橋芯片之間連(lian)接(jie)的(de)(de)通(tong)道(dao)(dao)，而“前端(duan)總(zong)線頻率”（FSB）就是(shi)(shi)該通(tong)道(dao)(dao)“運輸數據的(de)(de)速(su)度”。如(ru)果將CPU看做一臺安裝在房(fang)間中(zhong)的(de)(de)大(da)型(xing)機器的(de)(de)話，“前端(duan)總(zong)線”就是(shi)(shi)這個(ge)房(fang)間的(de)(de)“大(da)門”。機器的(de)(de)生產能力再強，如(ru)果“大(da)門”很窄(zhai)或者物體流通(tong)速(su)度比較慢的(de)(de) 話，CPU就不得不處于一種(zhong)“吃不飽”的(de)(de)狀態（圖(tu)5）。

圖5 “前端總(zong)線(xian)”圖釋

早(zao)期CPU的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線頻(pin)(pin)(pin)率是(shi)與(yu)CPU的(de)(de)外頻(pin)(pin)(pin)同步的(de)(de)。隨著CPU工作能力的(de)(de)加強(qiang)（主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)高(gao)），原來(lai)(lai)的(de)(de)那(nei)種低頻(pin)(pin)(pin)率前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線已(yi)經(jing)滿(man)足不了(le)(le)CPU的(de)(de)需要，于(yu)是(shi)人們開始在(zai)“前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線頻(pin)(pin)(pin)率”上做(zuo)起了(le)(le)文章(zhang)——在(zai)不提高(gao)系統總(zong)線基(ji)準(zhun)頻(pin)(pin)(pin)率的(de)(de)前(qian)(qian)體下，將前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線單個(ge)(ge)時鐘周期能夠傳輸的(de)(de)數據個(ge)(ge)數以(yi)“倍(bei)數”增(zeng)加。以(yi)當前(qian)(qian)的(de)(de)Pentium 4系列CPU為例，Intel為它設(she)計了(le)(le)一個(ge)(ge)名為“Quad-pumped”的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線，其(qi)實質就是(shi)該前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線在(zai)一個(ge)(ge)時鐘周期內，可(ke)以(yi)傳輸4倍(bei)的(de)(de)數據。早(zao)期的(de)(de)Pentium 4的(de)(de)外頻(pin)(pin)(pin)都是(shi)100MHz，而由于(yu)采用了(le)(le)“Quad-pumped”技術，這類CPU的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線頻(pin)(pin)(pin)率便成了(le)(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)前(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線已(yi)經(jing)達(da)到了(le)(le)800MHz，但其(qi)實際的(de)(de)外頻(pin)(pin)(pin)是(shi)200MHz。

在認識了(le)這幾個參數之(zhi)后，你應該(gai)明白“外(wai)頻≠前端總線(xian)頻率（FSB）”了(le)吧。 3.CPU對(dui)電(dian)(dian)源的(de)(de)(de)要求——工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya) 工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)是指CPU核心(xin)正常工作(zuo)所需的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。早期CPU的(de)(de)(de)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)一般為(wei)(wei)(wei)5V，目(mu)前Pentium 4 CPU的(de)(de)(de)核心(xin)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)僅為(wei)(wei)(wei)1.5V左右。提(ti)高(gao)CPU的(de)(de)(de)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可以(yi)提(ti)高(gao)CPU工作(zuo)頻率，但(dan)是過高(gao)的(de)(de)(de)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)帶來(lai)CPU發(fa)熱、甚至CPU燒壞的(de)(de)(de)問題。而(er)降低(di)CPU電(dian)(dian)壓(ya)(ya)不會(hui)對(dui)CPU造成物(wu)理損(sun)壞，但(dan)是會(hui)影響CPU工作(zuo)的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性。因為(wei)(wei)(wei)降低(di)工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)使CPU信號變弱，造成運算混亂。為(wei)(wei)(wei)了(le)降低(di)CPU電(dian)(dian)壓(ya)(ya)、減小(xiao)CPU發(fa)熱，適(shi)應更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)工作(zuo)頻率，CPU工作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)有逐步下降的(de)(de)(de)趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著(zhu)CPU主(zhu)頻(pin)的(de)不斷提高(gao)(gao)，它的(de)處理(li)(li)速(su)度(du)也越來越快，其它設(she)備根(gen)本趕(gan)不上CPU的(de)速(su)度(du)，沒辦法及時將需要處理(li)(li)的(de)數(shu)據(ju)交(jiao)給CPU。于是，高(gao)(gao)速(su)緩(huan)(huan)存(cun)(cun)(cun)便出現(xian)在(zai)CPU上，當(dang)CPU在(zai)處理(li)(li)數(shu)據(ju)時，高(gao)(gao)速(su)緩(huan)(huan)存(cun)(cun)(cun)就用來存(cun)(cun)(cun)儲(chu)一(yi)些(xie)常(chang)用或即將用到的(de)數(shu)據(ju)或指令，當(dang)CPU需要這些(xie)數(shu)據(ju)或指令的(de)時候直接(jie)從高(gao)(gao)速(su)緩(huan)(huan)存(cun)(cun)(cun)中讀取(qu)，而不用再到內存(cun)(cun)(cun)甚至硬盤中去(qu)讀取(qu)，如此一(yi)來可以大幅(fu)度(du)提升CPU的(de)處理(li)(li)速(su)度(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存）：

它采用與CPU相同的半導體工(gong)藝，制作在CPU內部，容量不是很大，與CPU同頻運行，無需通過外部總線來(lai)交(jiao)換數據(ju)，所以大大節省了(le)存(cun)取時(shi)間(jian)。

L2 Cache（二級緩存）：CPU在(zai)讀取數據時，尋找(zhao)順序依(yi)次是L1→L2→內存→外(wai)存儲器。L2 Cache的容量(liang)十分靈活，容量(liang)越(yue)大，CPU檔次越(yue)高(gao)。

L3 Cache（三級緩(huan)存(cun)）：還可以在主(zhu)板上(shang)或者CPU上(shang)再外置的大(da)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

制造工藝，也稱(cheng)為“制程寬(kuan)度(du)”。是在(zai)(zai)制作CPU核心時，核心上(shang)最基(ji)本(ben)的(de)功(gong)能單元CMOS電路的(de)寬(kuan)度(du)。在(zai)(zai)CPU的(de)制造工藝中，一般都是用微(wei)米(mi)(mi)來衡(heng)量加工精度(du)。從上(shang)世紀(ji)70年代早期的(de)10微(wei)米(mi)(mi)線寬(kuan)一直(zhi)到(dao)目(mu)前采(cai)用的(de)0.13微(wei)米(mi)(mi)線寬(kuan)，CPU的(de)制造工藝都在(zai)(zai)不斷地進步。制作工藝的(de)提高，意(yi)味著CPU的(de)體積(ji)將更(geng)小，集(ji)成度(du)更(geng)高，耗電更(geng)少。

圖6 CPU封裝技(ji)術的變(bian)遷

封(feng)裝(zhuang)(zhuang)是指安裝(zhuang)(zhuang)CPU集成電路芯片用(yong)的(de)外(wai)殼。封(feng)裝(zhuang)(zhuang)不僅起著安放、固定、密封(feng)、保護(hu)芯片和增(zeng)強散熱(re)功能的(de)作用(yong)，而且還是溝(gou)通(tong)芯片內部與外(wai)部電路的(de)橋梁。芯片的(de)封(feng)裝(zhuang)(zhuang)技(ji)(ji)(ji)術已(yi)經歷了好幾代的(de)變(bian)遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)(ji)(ji)術指標一(yi)代比一(yi)代先進（圖(tu)6、7）。目前封(feng)裝(zhuang)(zhuang)技(ji)(ji)(ji)術適用(yong)的(de)芯片頻率越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高，散熱(re)性能越(yue)(yue)來越(yue)(yue)好，引(yin)腳數增(zeng)多(duo)，引(yin)腳間(jian)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(zhuan)針(zhen)柵陣列）封(feng)裝形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)可以(yi)用工作頻率來(lai)表現，而CPU的(de)(de)強大功能(neng)(neng)則依(yi)賴于指令系(xi)統。新一(yi)代CPU產品中，或多或少都需要增加新指令，以(yi)增強CPU系(xi)統功能(neng)(neng)。指令系(xi)統決定了一(yi)個CPU能(neng)(neng)夠(gou)運行什么(me)樣的(de)(de)程序，因(yin)此，一(yi)般來(lai)說，指令越(yue)多，CPU功能(neng)(neng)越(yue)強大。目前主流(liu)的(de)(de)CPU指令集有Intel的(de)(de)MMX、SSE、SSE2及AMD的(de)(de)3D Now擴(kuo)展指令集。