CPU芯片(pian)基礎知識 CPU芯片(pian)工作原理 CPU芯片(pian)參數介紹

CPU是“Central Processing Unit”的英語縮寫，中(zhong)文意思是“中(zhong)央處(chu)理器(qi)”，有時我們也簡稱它為“處(chu)理器(qi)”或(huo)是“微處(chu)理器(qi)”。它是整個計算機(ji)系統(tong)的運算、控制中(zhong)心，也就是計算機(ji)的“大(da)腦”。首先就讓買購網小編來(lai)帶大(da)家看(kan)看(kan)什么是CPU。

一、打望CPU

CPU外形看(kan)上去非常簡單：它(ta)是一個矩(ju)形片狀物(wu)體，中(zhong)間凸(tu)起的(de)(de)(de)一片指甲大小的(de)(de)(de)、薄(bo)薄(bo)的(de)(de)(de)硅晶片部(bu)分是CPU核心(xin)，英文(wen)稱之為(wei)“die”。在(zai)(zai)這(zhe)塊小小的(de)(de)(de)硅片上，密布著(zhu)數以千(qian)萬計(ji)的(de)(de)(de)晶體管，它(ta)們(men)相互配合協調，完成著(zhu)各種(zhong)復(fu)雜的(de)(de)(de)運算和操作（圖1）。CPU主要分為(wei)Intel和AMD兩類，圖1是AMD生產的(de)(de)(de)CPU，我們(men)將在(zai)(zai)下期細(xi)細(xi)講(jiang)述它(ta)們(men)之間的(de)(de)(de)區(qu)別。

圖1 CPU正面俯視圖

CPU的(de)核(he)心(xin)工作(zuo)強度很大，發熱(re)(re)量也大。而且CPU的(de)核(he)心(xin)非(fei)常脆(cui)弱，為了核(he)心(xin)的(de)安全，同時為了幫助核(he)心(xin)散(san)熱(re)(re)，于是現在的(de)CPU一(yi)(yi)般在其核(he)心(xin)上加裝一(yi)(yi)個金屬蓋，此金屬蓋不(bu)僅可以避免核(he)心(xin)受到意外傷害，同時也增(zeng)加了核(he)心(xin)的(de)散(san)熱(re)(re)面積（圖2）。

圖(tu)2 加裝了金屬蓋的CPU

金(jin)屬封裝殼周圍是CPU基板，它將CPU內部的(de)(de)信號引(yin)(yin)到CPU引(yin)(yin)腳上(shang)。基板的(de)(de)背面有許 多密密麻麻的(de)(de)鍍金(jin)的(de)(de)引(yin)(yin)腳，它是CPU與(yu)外部電路連接的(de)(de)通道，同時也起著固定CPU的(de)(de)作用（圖3）。

圖3 CPU背面的(de)金(jin)屬(shu)針角(jiao)

由于CPU的核心(xin)發熱(re)(re)量(liang)(liang)比較大(da)，為了保護核心(xin)的安全，如今的CPU都(dou)得加裝一(yi)個(ge)CPU散熱(re)(re)器。散熱(re)(re)器通常由一(yi)個(ge)大(da)大(da)的合金散熱(re)(re)片和一(yi)個(ge)散熱(re)(re)風(feng)扇組(zu)成(cheng)，用來(lai)將CPU核心(xin)產(chan)生的熱(re)(re)量(liang)(liang)快速散發掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散熱器

CPU的(de)工作原(yuan)理：CPU的(de)內部結(jie)構可分為控制、邏輯(ji)、存儲三大部分。如果將(jiang)CPU比作一臺機器(qi)的(de)話，其工作原(yuan)理大致是(shi)這樣(yang)的(de)：首先是(shi)CPU將(jiang)“原(yuan)料”（程(cheng)序(xu)(xu)發出的(de)指令）經(jing)過(guo)“物質分配(pei)單(dan)(dan)位(wei)”（控制單(dan)(dan)元）進行初步調節，然后送到(dao)(dao)“加工車床”（邏輯(ji)運算單(dan)(dan)元）進行加工，最后將(jiang)加工出來的(de)“產(chan)品”（處理后的(de)數據）存儲到(dao)(dao)“倉庫(ku)”（存儲器(qi)）中，以后“銷售部門(men)”（應用程(cheng)序(xu)(xu)）就可到(dao)(dao)“倉庫(ku)”中按需提(ti)貨了。

二、透透徹徹看參數

見識了CPU的(de)廬(lu)山真面(mian)目之后，我們也該跟它(ta)好好交流一番才行(xing)了，因為(wei)要(yao)真正(zheng)透(tou)徹地(di)了解CPU，就必須(xu)知道CPU的(de)一些基礎參數的(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)(pin)就是(shi)CPU的時鐘(zhong)頻(pin)(pin)率，也(ye)就是(shi)CPU運(yun)算(suan)時的工作頻(pin)(pin)率。我們平(ping)常(chang)經(jing)常(chang)掛(gua)在嘴(zui)邊的“奔騰4 XXX MHz”講的就是(shi)CPU的主頻(pin)(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)(pin)相(xiang)關(guan)的(de)(de)還有“外頻(pin)(pin)(pin)(pin)”與(yu)“倍頻(pin)(pin)(pin)(pin)”這(zhe)兩個概念，“外頻(pin)(pin)(pin)(pin)”是(shi)(shi)系統總線(xian)的(de)(de)工作頻(pin)(pin)(pin)(pin)率，而“倍頻(pin)(pin)(pin)(pin)”則(ze)是(shi)(shi)外頻(pin)(pin)(pin)(pin)與(yu)主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)相(xiang)差(cha)的(de)(de)倍數，主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)=外頻(pin)(pin)(pin)(pin)×倍頻(pin)(pin)(pin)(pin)。我們可以把外頻(pin)(pin)(pin)(pin)看做CPU這(zhe)臺(tai)“機器”內部的(de)(de)一條(tiao)生(sheng)產(chan)(chan)線(xian)，而倍頻(pin)(pin)(pin)(pin)則(ze)是(shi)(shi)生(sheng)產(chan)(chan)線(xian)的(de)(de)條(tiao)數，一臺(tai)機器生(sheng)產(chan)(chan)速度的(de)(de)快(kuai)慢（主(zhu)頻(pin)(pin)(pin)(pin)）自然就(jiu)是(shi)(shi)生(sheng)產(chan)(chan)線(xian)的(de)(de)速度（外頻(pin)(pin)(pin)(pin)）乘以生(sheng)產(chan)(chan)線(xian)的(de)(de)條(tiao)數（倍頻(pin)(pin)(pin)(pin)）了(le)。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端總線是(shi)CPU與主板北(bei)橋芯(xin)片之間連接的(de)通道(dao)，而“前端總線頻(pin)率”（FSB）就是(shi)該通道(dao)“運輸數據(ju)的(de)速度”。如(ru)果將CPU看做一臺安裝在房間中的(de)大型(xing)機(ji)器的(de)話，“前端總線”就是(shi)這個房間的(de)“大門(men)(men)”。機(ji)器的(de)生(sheng)產能(neng)力再強，如(ru)果“大門(men)(men)”很窄或者物體流通速度比較(jiao)慢的(de) 話，CPU就不(bu)得不(bu)處(chu)于一種“吃(chi)不(bu)飽”的(de)狀態（圖5）。

圖5 “前(qian)端總線”圖釋(shi)

早期CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線頻(pin)(pin)率是(shi)(shi)與CPU的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)(pin)同步的(de)(de)(de)(de)。隨著(zhu)CPU工(gong)作能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)(de)加強（主頻(pin)(pin)越來越高(gao)），原來的(de)(de)(de)(de)那種低(di)頻(pin)(pin)率前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線已經(jing)滿足不了CPU的(de)(de)(de)(de)需要，于是(shi)(shi)人們開(kai)始在“前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線頻(pin)(pin)率”上做(zuo)起(qi)了文章——在不提高(gao)系(xi)統(tong)總(zong)線基準頻(pin)(pin)率的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)體下，將(jiang)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線單(dan)個(ge)(ge)時(shi)鐘周期能(neng)(neng)夠傳輸(shu)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據個(ge)(ge)數(shu)以“倍數(shu)”增加。以當前(qian)(qian)(qian)的(de)(de)(de)(de)Pentium 4系(xi)列CPU為(wei)例，Intel為(wei)它設計(ji)了一(yi)個(ge)(ge)名為(wei)“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線，其實(shi)質(zhi)就是(shi)(shi)該前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線在一(yi)個(ge)(ge)時(shi)鐘周期內，可以傳輸(shu)4倍的(de)(de)(de)(de)數(shu)據。早期的(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)(pin)都是(shi)(shi)100MHz，而由于采(cai)用了“Quad-pumped”技術，這類CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線頻(pin)(pin)率便成了“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)總(zong)線已經(jing)達到了800MHz，但其實(shi)際的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)(pin)是(shi)(shi)200MHz。

在認識了(le)這幾個參數(shu)之(zhi)后，你應該明白“外頻(pin)≠前(qian)端總線頻(pin)率（FSB）”了(le)吧。 3.CPU對電(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)要求(qiu)——工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)是指CPU核(he)心正常(chang)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)所需的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。早期(qi)CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)一般為5V，目前(qian)Pentium 4 CPU的(de)(de)核(he)心工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)僅為1.5V左右(you)。提(ti)高CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)可以提(ti)高CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)率，但是過高的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)帶來CPU發熱、甚至CPU燒(shao)壞的(de)(de)問(wen)題(ti)。而降(jiang)低(di)CPU電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)不會(hui)(hui)對CPU造成物理損壞，但是會(hui)(hui)影響(xiang)CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)的(de)(de)穩(wen)定性。因為降(jiang)低(di)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)使CPU信號變弱，造成運算(suan)混亂(luan)。為了(le)降(jiang)低(di)CPU電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)、減小CPU發熱，適應更高的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)頻(pin)率，CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)有逐步(bu)下降(jiang)的(de)(de)趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著(zhu)CPU主頻(pin)的不斷提(ti)高(gao)，它的處理(li)(li)速度(du)也(ye)越(yue)來越(yue)快，其(qi)它設備根本趕不上CPU的速度(du)，沒(mei)辦法(fa)及時將(jiang)需要處理(li)(li)的數據(ju)交(jiao)給CPU。于是，高(gao)速緩(huan)存(cun)便出現在CPU上，當CPU在處理(li)(li)數據(ju)時，高(gao)速緩(huan)存(cun)就用(yong)(yong)來存(cun)儲一些常用(yong)(yong)或(huo)即(ji)將(jiang)用(yong)(yong)到(dao)的數據(ju)或(huo)指令，當CPU需要這(zhe)些數據(ju)或(huo)指令的時候直接從高(gao)速緩(huan)存(cun)中讀取(qu)，而不用(yong)(yong)再到(dao)內存(cun)甚至硬盤中去讀取(qu)，如(ru)此(ci)一來可以大幅度(du)提(ti)升CPU的處理(li)(li)速度(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存(cun)）：

它采用與(yu)CPU相同的半導(dao)體工藝，制作在CPU內部，容量不是很大，與(yu)CPU同頻運行，無需通(tong)過外部總線來交(jiao)換數據，所以大大節省了存取時間(jian)。

L2 Cache（二(er)級緩存(cun)(cun)(cun)）：CPU在讀取數據時(shi)，尋找順序依次(ci)是L1→L2→內(nei)存(cun)(cun)(cun)→外存(cun)(cun)(cun)儲器。L2 Cache的容(rong)(rong)量(liang)十分(fen)靈活，容(rong)(rong)量(liang)越大，CPU檔次(ci)越高。

L3 Cache（三(san)級緩(huan)(huan)存(cun)）：還可以在主板上或者CPU上再外置的(de)大容(rong)量(liang)緩(huan)(huan)存(cun)，被稱為三(san)級緩(huan)(huan)存(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造工(gong)藝，也稱為“制(zhi)程(cheng)寬(kuan)度(du)”。是在(zai)制(zhi)作(zuo)CPU核心時，核心上最基本的(de)(de)(de)功能單元CMOS電路的(de)(de)(de)寬(kuan)度(du)。在(zai)CPU的(de)(de)(de)制(zhi)造工(gong)藝中(zhong)，一般都是用微(wei)(wei)米來(lai)衡量加工(gong)精度(du)。從(cong)上世紀70年代早期的(de)(de)(de)10微(wei)(wei)米線(xian)寬(kuan)一直(zhi)到目前(qian)采用的(de)(de)(de)0.13微(wei)(wei)米線(xian)寬(kuan)，CPU的(de)(de)(de)制(zhi)造工(gong)藝都在(zai)不斷地進步。制(zhi)作(zuo)工(gong)藝的(de)(de)(de)提高，意(yi)味著CPU的(de)(de)(de)體(ti)積將更小，集成度(du)更高，耗(hao)電更少。

圖6 CPU封裝(zhuang)技術的變遷

封(feng)裝(zhuang)是指安裝(zhuang)CPU集成(cheng)電(dian)路芯片(pian)用的外(wai)殼。封(feng)裝(zhuang)不僅起著安放(fang)、固定、密(mi)封(feng)、保護芯片(pian)和增強散熱(re)功能(neng)的作用，而且還是溝通芯片(pian)內(nei)部(bu)與外(wai)部(bu)電(dian)路的橋梁。芯片(pian)的封(feng)裝(zhuang)技術(shu)已經歷(li)了(le)好(hao)幾代(dai)的變遷(qian)，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技術(shu)指標一代(dai)比一代(dai)先進(jin)（圖6、7）。目(mu)前(qian)封(feng)裝(zhuang)技術(shu)適用的芯片(pian)頻(pin)率越來(lai)越高，散熱(re)性能(neng)越來(lai)越好(hao)，引腳數增多，引腳間距減(jian)小(xiao)(xiao)，重(zhong)量減(jian)小(xiao)(xiao)，可靠性也越來(lai)越高。

圖(tu)7 FC-PGA（反轉針柵陣列）封裝形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)性能(neng)(neng)可以(yi)用工作頻率來(lai)表現，而CPU的(de)強(qiang)(qiang)大功能(neng)(neng)則依賴于指(zhi)令(ling)(ling)系(xi)統。新一(yi)(yi)代CPU產品中(zhong)，或多或少都需要增(zeng)加新指(zhi)令(ling)(ling)，以(yi)增(zeng)強(qiang)(qiang)CPU系(xi)統功能(neng)(neng)。指(zhi)令(ling)(ling)系(xi)統決定了一(yi)(yi)個CPU能(neng)(neng)夠運行什(shen)么樣的(de)程序，因此，一(yi)(yi)般(ban)來(lai)說，指(zhi)令(ling)(ling)越多，CPU功能(neng)(neng)越強(qiang)(qiang)大。目(mu)前主流的(de)CPU指(zhi)令(ling)(ling)集有Intel的(de)MMX、SSE、SSE2及AMD的(de)3D Now擴展(zhan)指(zhi)令(ling)(ling)集。