CPU芯(xin)片基礎知識 CPU芯(xin)片工作原理 CPU芯(xin)片參數介(jie)紹

CPU是(shi)(shi)“Central Processing Unit”的(de)(de)英語縮寫，中文(wen)意思是(shi)(shi)“中央處(chu)理器(qi)”，有時我(wo)們也(ye)(ye)簡稱(cheng)它為“處(chu)理器(qi)”或是(shi)(shi)“微處(chu)理器(qi)”。它是(shi)(shi)整個計算機系(xi)統的(de)(de)運算、控(kong)制中心，也(ye)(ye)就是(shi)(shi)計算機的(de)(de)“大腦”。首(shou)先就讓買購網(wang)小編來帶大家看看什么是(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看(kan)上(shang)去非常簡單：它(ta)(ta)是(shi)一(yi)個(ge)矩形(xing)片(pian)狀(zhuang)物(wu)體(ti)，中間凸起的(de)一(yi)片(pian)指甲大(da)小(xiao)的(de)、薄薄的(de)硅(gui)晶片(pian)部分是(shi)CPU核心，英文稱之(zhi)(zhi)為“die”。在這(zhe)塊小(xiao)小(xiao)的(de)硅(gui)片(pian)上(shang)，密布著(zhu)數(shu)以千萬(wan)計的(de)晶體(ti)管，它(ta)(ta)們(men)相互配(pei)合協調(diao)，完成著(zhu)各(ge)種(zhong)復雜的(de)運算和操作（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(qi)細細講述(shu)它(ta)(ta)們(men)之(zhi)(zhi)間的(de)區別(bie)。

圖(tu)1 CPU正面俯(fu)視圖(tu)

CPU的(de)(de)(de)核(he)心(xin)工作強度很大(da)，發(fa)熱(re)量也大(da)。而且CPU的(de)(de)(de)核(he)心(xin)非(fei)常脆弱，為(wei)了(le)核(he)心(xin)的(de)(de)(de)安全，同時為(wei)了(le)幫(bang)助核(he)心(xin)散熱(re)，于是現在的(de)(de)(de)CPU一般在其核(he)心(xin)上(shang)加裝一個金(jin)屬蓋，此(ci)金(jin)屬蓋不僅可以避免核(he)心(xin)受到意外傷(shang)害，同時也增加了(le)核(he)心(xin)的(de)(de)(de)散熱(re)面(mian)積（圖2）。

圖(tu)2 加裝了金(jin)屬蓋的(de)CPU

金屬封裝殼周圍是(shi)CPU基板，它將CPU內(nei)部的(de)信號引到CPU引腳上(shang)。基板的(de)背面有(you)許 多密(mi)密(mi)麻(ma)麻(ma)的(de)鍍金的(de)引腳，它是(shi)CPU與外部電路連接的(de)通(tong)道(dao)，同時也起著固定(ding)CPU的(de)作用（圖3）。

圖3 CPU背面的金屬針角

由(you)于CPU的核心(xin)發熱(re)量(liang)比(bi)較大(da)(da)，為(wei)了保(bao)護核心(xin)的安全(quan)，如今(jin)的CPU都(dou)得加裝(zhuang)一個CPU散(san)熱(re)器。散(san)熱(re)器通常由(you)一個大(da)(da)大(da)(da)的合(he)金(jin)散(san)熱(re)片和一個散(san)熱(re)風扇組成，用來將CPU核心(xin)產生的熱(re)量(liang)快速(su)散(san)發掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散(san)熱器(qi)

CPU的(de)(de)工(gong)(gong)作原理：CPU的(de)(de)內(nei)部結構可(ke)(ke)分(fen)為控制、邏(luo)輯、存儲(chu)三大(da)(da)部分(fen)。如(ru)果將(jiang)CPU比作一臺機器的(de)(de)話(hua)，其工(gong)(gong)作原理大(da)(da)致(zhi)是(shi)這樣的(de)(de)：首先是(shi)CPU將(jiang)“原料”（程序發出的(de)(de)指令）經過“物質(zhi)分(fen)配單(dan)(dan)位”（控制單(dan)(dan)元）進行(xing)初步調節，然后(hou)送(song)到(dao)“加工(gong)(gong)車床”（邏(luo)輯運算單(dan)(dan)元）進行(xing)加工(gong)(gong)，最后(hou)將(jiang)加工(gong)(gong)出來的(de)(de)“產(chan)品”（處(chu)理后(hou)的(de)(de)數據(ju)）存儲(chu)到(dao)“倉庫”（存儲(chu)器）中，以后(hou)“銷售部門”（應用程序）就可(ke)(ke)到(dao)“倉庫”中按(an)需提(ti)貨了。

二、透透徹徹看參數

見識了(le)CPU的(de)(de)廬山真面目之后(hou)，我們(men)也該跟它好好交流一番才(cai)行了(le)，因(yin)為要真正透徹地了(le)解CPU，就必須知道CPU的(de)(de)一些基礎參數的(de)(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)就(jiu)(jiu)(jiu)是(shi)(shi)CPU的時鐘(zhong)頻(pin)率(lv)，也就(jiu)(jiu)(jiu)是(shi)(shi)CPU運算時的工(gong)作頻(pin)率(lv)。我(wo)們平(ping)常經常掛(gua)在嘴邊的“奔騰4 XXX MHz”講(jiang)的就(jiu)(jiu)(jiu)是(shi)(shi)CPU的主頻(pin)。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與主(zhu)(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相關的(de)還有(you)“外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)”與“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)”這兩個概念，“外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)”是系統總線(xian)的(de)工(gong)作頻(pin)(pin)(pin)率，而(er)“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)”則是外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)與主(zhu)(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相差(cha)的(de)倍(bei)數(shu)(shu)，主(zhu)(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)=外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)×倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)。我們可以把外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)看做CPU這臺“機(ji)器”內部的(de)一(yi)條(tiao)生產(chan)(chan)線(xian)，而(er)倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)則是生產(chan)(chan)線(xian)的(de)條(tiao)數(shu)(shu)，一(yi)臺機(ji)器生產(chan)(chan)速度的(de)快慢（主(zhu)(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)）自(zi)然就是生產(chan)(chan)線(xian)的(de)速度（外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)）乘以生產(chan)(chan)線(xian)的(de)條(tiao)數(shu)(shu)（倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前端(duan)總(zong)線(xian)是(shi)CPU與主板北橋芯片(pian)之間連接的(de)(de)通(tong)道(dao)，而“前端(duan)總(zong)線(xian)頻率”（FSB）就(jiu)是(shi)該通(tong)道(dao)“運輸數據的(de)(de)速度”。如(ru)果(guo)將CPU看做(zuo)一臺(tai)安裝在房間中的(de)(de)大型機(ji)器的(de)(de)話(hua)，“前端(duan)總(zong)線(xian)”就(jiu)是(shi)這個房間的(de)(de)“大門”。機(ji)器的(de)(de)生產能力再(zai)強(qiang)，如(ru)果(guo)“大門”很窄或者物體流(liu)通(tong)速度比(bi)較慢的(de)(de) 話(hua)，CPU就(jiu)不(bu)得不(bu)處于一種“吃不(bu)飽”的(de)(de)狀態（圖5）。

圖(tu)5 “前(qian)端總線(xian)”圖(tu)釋

早(zao)期CPU的(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)頻(pin)率(lv)是(shi)與CPU的(de)(de)外頻(pin)同步的(de)(de)。隨(sui)著(zhu)CPU工(gong)作能力(li)的(de)(de)加(jia)強（主頻(pin)越(yue)來越(yue)高），原來的(de)(de)那種低頻(pin)率(lv)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)已經滿(man)足不(bu)(bu)了(le)CPU的(de)(de)需要，于(yu)是(shi)人們開始在“前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)頻(pin)率(lv)”上做起(qi)了(le)文章——在不(bu)(bu)提高系統總(zong)(zong)線(xian)(xian)基準頻(pin)率(lv)的(de)(de)前(qian)體下，將前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)單個(ge)(ge)時(shi)鐘周期能夠傳輸的(de)(de)數據個(ge)(ge)數以“倍(bei)數”增加(jia)。以當前(qian)的(de)(de)Pentium 4系列(lie)CPU為例(li)，Intel為它(ta)設(she)計了(le)一個(ge)(ge)名為“Quad-pumped”的(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)，其實質就是(shi)該前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)在一個(ge)(ge)時(shi)鐘周期內(nei)，可(ke)以傳輸4倍(bei)的(de)(de)數據。早(zao)期的(de)(de)Pentium 4的(de)(de)外頻(pin)都是(shi)100MHz，而由于(yu)采用了(le)“Quad-pumped”技(ji)術，這類CPU的(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)頻(pin)率(lv)便成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)(xian)已經達到了(le)800MHz，但其實際的(de)(de)外頻(pin)是(shi)200MHz。

在(zai)認識了這幾個(ge)參數之(zhi)后，你應該明(ming)白“外(wai)頻(pin)(pin)≠前端總線頻(pin)(pin)率（FSB）”了吧。 3.CPU對電(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)要求(qiu)——工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)是指(zhi)CPU核(he)心正常工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)所需(xu)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)。早期CPU的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)一般為5V，目前Pentium 4 CPU的(de)核(he)心工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)僅為1.5V左(zuo)右。提(ti)高(gao)(gao)CPU的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)可以提(ti)高(gao)(gao)CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)(pin)率，但(dan)是過(guo)高(gao)(gao)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)會(hui)帶來CPU發(fa)熱、甚至(zhi)CPU燒壞(huai)的(de)問題(ti)。而降低(di)CPU電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)不會(hui)對CPU造成(cheng)物理損(sun)壞(huai)，但(dan)是會(hui)影響CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)的(de)穩定性。因為降低(di)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)會(hui)使CPU信(xin)號變弱，造成(cheng)運算混亂(luan)。為了降低(di)CPU電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)、減小CPU發(fa)熱，適應更高(gao)(gao)的(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)(pin)率，CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)有逐步(bu)下降的(de)趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主頻的不(bu)斷提(ti)高，它的處(chu)理(li)速(su)度也越來越快，其它設備(bei)根本趕(gan)不(bu)上CPU的速(su)度，沒辦(ban)法(fa)及時(shi)將(jiang)(jiang)需要處(chu)理(li)的數據交給CPU。于是，高速(su)緩(huan)存便出現在CPU上，當CPU在處(chu)理(li)數據時(shi)，高速(su)緩(huan)存就(jiu)用(yong)(yong)來存儲一些常用(yong)(yong)或即將(jiang)(jiang)用(yong)(yong)到(dao)的數據或指令(ling)，當CPU需要這些數據或指令(ling)的時(shi)候(hou)直接從高速(su)緩(huan)存中讀取(qu)，而不(bu)用(yong)(yong)再到(dao)內存甚至(zhi)硬盤中去讀取(qu)，如此一來可以大幅(fu)度提(ti)升CPU的處(chu)理(li)速(su)度。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩(huan)存）：

它采用與CPU相同的半導體工藝，制(zhi)作(zuo)在CPU內部，容量不是很大，與CPU同頻運行，無需通(tong)過外部總線來交換數據，所(suo)以大大節省了存取時間。

L2 Cache（二級緩(huan)存(cun)）：CPU在讀(du)取(qu)數據時，尋找(zhao)順序依次(ci)是L1→L2→內存(cun)→外存(cun)儲器。L2 Cache的容(rong)量(liang)十分靈活，容(rong)量(liang)越大，CPU檔(dang)次(ci)越高。

L3 Cache（三級緩存(cun)）：還可以(yi)在主板上或者CPU上再外置的大(da)容量緩存(cun)，被稱(cheng)為三級緩存(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造(zao)工藝，也稱(cheng)為“制(zhi)程寬(kuan)度(du)”。是在制(zhi)作(zuo)CPU核心時，核心上最基本(ben)的(de)功(gong)能單元CMOS電路的(de)寬(kuan)度(du)。在CPU的(de)制(zhi)造(zao)工藝中，一般都是用(yong)微米來衡量加工精度(du)。從上世紀70年代(dai)早(zao)期的(de)10微米線寬(kuan)一直(zhi)到目前采用(yong)的(de)0.13微米線寬(kuan)，CPU的(de)制(zhi)造(zao)工藝都在不斷(duan)地(di)進步。制(zhi)作(zuo)工藝的(de)提(ti)高，意(yi)味著(zhu)CPU的(de)體積將更(geng)小，集成(cheng)度(du)更(geng)高，耗電更(geng)少。

圖6 CPU封裝技術的變(bian)遷

封(feng)(feng)裝(zhuang)是指(zhi)安(an)裝(zhuang)CPU集成電(dian)(dian)路芯(xin)(xin)(xin)片用的(de)外殼。封(feng)(feng)裝(zhuang)不僅起(qi)著安(an)放、固定、密封(feng)(feng)、保護芯(xin)(xin)(xin)片和增(zeng)強散熱(re)功能(neng)的(de)作用，而且還是溝通(tong)芯(xin)(xin)(xin)片內部(bu)與外部(bu)電(dian)(dian)路的(de)橋梁(liang)。芯(xin)(xin)(xin)片的(de)封(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)已經歷了好(hao)幾代(dai)的(de)變(bian)遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)(ji)術(shu)(shu)指(zhi)標一代(dai)比一代(dai)先進(jin)（圖6、7）。目前封(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)適(shi)用的(de)芯(xin)(xin)(xin)片頻率越(yue)來越(yue)高，散熱(re)性能(neng)越(yue)來越(yue)好(hao)，引腳(jiao)數增(zeng)多，引腳(jiao)間距減小，重量減小，可靠性也越(yue)來越(yue)高。

圖7 FC-PGA（反轉針柵陣列(lie)）封裝形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能(neng)可以用工作頻(pin)率來(lai)(lai)表現(xian)，而CPU的強(qiang)大功(gong)能(neng)則依賴于指(zhi)令(ling)(ling)(ling)系統。新一(yi)代CPU產品中，或(huo)(huo)多或(huo)(huo)少都需要增(zeng)加新指(zhi)令(ling)(ling)(ling)，以增(zeng)強(qiang)CPU系統功(gong)能(neng)。指(zhi)令(ling)(ling)(ling)系統決定了一(yi)個(ge)CPU能(neng)夠運行什(shen)么(me)樣(yang)的程序，因(yin)此，一(yi)般來(lai)(lai)說，指(zhi)令(ling)(ling)(ling)越多，CPU功(gong)能(neng)越強(qiang)大。目前主流的CPU指(zhi)令(ling)(ling)(ling)集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展指(zhi)令(ling)(ling)(ling)集。