CPU芯(xin)片基礎知識 CPU芯(xin)片工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li) CPU芯(xin)片參數介紹

CPU是(shi)(shi)(shi)“Central Processing Unit”的(de)英語縮(suo)寫(xie)，中(zhong)文(wen)意(yi)思(si)是(shi)(shi)(shi)“中(zhong)央(yang)處理器(qi)”，有時(shi)我們也簡(jian)稱它為“處理器(qi)”或是(shi)(shi)(shi)“微處理器(qi)”。它是(shi)(shi)(shi)整個計(ji)算機(ji)系(xi)統的(de)運算、控制中(zhong)心，也就(jiu)是(shi)(shi)(shi)計(ji)算機(ji)的(de)“大腦”。首(shou)先就(jiu)讓(rang)買購網(wang)小編來(lai)帶大家看看什么是(shi)(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看上去非常(chang)簡(jian)單：它(ta)是(shi)一個矩形(xing)片(pian)狀物體(ti)，中間凸起(qi)的(de)(de)一片(pian)指甲大(da)小(xiao)的(de)(de)、薄薄的(de)(de)硅晶(jing)片(pian)部分是(shi)CPU核心(xin)，英(ying)文稱之為(wei)“die”。在(zai)這塊小(xiao)小(xiao)的(de)(de)硅片(pian)上，密(mi)布著(zhu)(zhu)數以千(qian)萬計的(de)(de)晶(jing)體(ti)管，它(ta)們相互配(pei)合(he)協調(diao)，完成著(zhu)(zhu)各(ge)種復雜的(de)(de)運算和(he)操作（圖(tu)1）。CPU主要分為(wei)Intel和(he)AMD兩類，圖(tu)1是(shi)AMD生產的(de)(de)CPU，我們將在(zai)下期細(xi)細(xi)講(jiang)述它(ta)們之間的(de)(de)區別。

圖(tu)1 CPU正面俯視(shi)圖(tu)

CPU的核心(xin)工(gong)作強(qiang)度很大(da)(da)，發熱(re)量也大(da)(da)。而且CPU的核心(xin)非(fei)常脆(cui)弱，為(wei)(wei)了(le)核心(xin)的安全，同時(shi)為(wei)(wei)了(le)幫助(zhu)核心(xin)散熱(re)，于是現(xian)在的CPU一(yi)般在其核心(xin)上加裝一(yi)個金(jin)屬(shu)蓋(gai)，此金(jin)屬(shu)蓋(gai)不僅(jin)可(ke)以(yi)避(bi)免核心(xin)受到意外傷(shang)害，同時(shi)也增加了(le)核心(xin)的散熱(re)面積（圖2）。

圖2 加裝了金屬蓋的CPU

金屬封裝殼(ke)周圍是(shi)CPU基(ji)板，它將CPU內部(bu)的(de)(de)信號引到CPU引腳(jiao)上。基(ji)板的(de)(de)背面有(you)許 多(duo)密密麻(ma)(ma)麻(ma)(ma)的(de)(de)鍍(du)金的(de)(de)引腳(jiao)，它是(shi)CPU與外部(bu)電路(lu)連接(jie)的(de)(de)通道(dao)，同時也起著固定CPU的(de)(de)作用（圖3）。

圖3 CPU背面的金屬(shu)針(zhen)角

由(you)于CPU的核心(xin)發(fa)熱量比(bi)較(jiao)大(da)，為了保護核心(xin)的安全，如今的CPU都得加裝一(yi)個CPU散(san)(san)熱器。散(san)(san)熱器通(tong)常由(you)一(yi)個大(da)大(da)的合金(jin)散(san)(san)熱片和一(yi)個散(san)(san)熱風扇組成，用來將(jiang)CPU核心(xin)產生(sheng)的熱量快速散(san)(san)發(fa)掉(diao)（圖(tu)4）。

圖4 P4 CPU散(san)熱器

CPU的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)：CPU的(de)(de)內部(bu)結(jie)構可分為控制(zhi)、邏輯(ji)、存(cun)(cun)儲(chu)三大(da)部(bu)分。如果將CPU比作(zuo)一臺機器(qi)的(de)(de)話，其工(gong)(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)大(da)致是(shi)這樣(yang)的(de)(de)：首(shou)先是(shi)CPU將“原(yuan)料”（程序發出的(de)(de)指令(ling)）經過“物質分配單位”（控制(zhi)單元(yuan)）進行初步調節，然(ran)后(hou)(hou)送到“加工(gong)(gong)車床”（邏輯(ji)運算單元(yuan)）進行加工(gong)(gong)，最后(hou)(hou)將加工(gong)(gong)出來的(de)(de)“產品”（處理(li)后(hou)(hou)的(de)(de)數(shu)據）存(cun)(cun)儲(chu)到“倉庫(ku)”（存(cun)(cun)儲(chu)器(qi)）中，以后(hou)(hou)“銷售部(bu)門”（應用(yong)程序）就可到“倉庫(ku)”中按需(xu)提貨了(le)。

二、透透徹徹看參數

見識了CPU的(de)(de)廬山真面目之后，我們(men)也該跟它好好交流(liu)一(yi)番(fan)才行了，因為要真正透徹(che)地了解(jie)CPU，就必須知道CPU的(de)(de)一(yi)些基礎(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(zhu)(zhu)頻(pin)就(jiu)(jiu)是CPU的(de)時鐘(zhong)頻(pin)率，也就(jiu)(jiu)是CPU運算時的(de)工作頻(pin)率。我們平常經常掛(gua)在(zai)嘴邊的(de)“奔騰4 XXX MHz”講的(de)就(jiu)(jiu)是CPU的(de)主(zhu)(zhu)頻(pin)。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與(yu)主頻(pin)(pin)相關的(de)(de)(de)還有“外(wai)(wai)頻(pin)(pin)”與(yu)“倍(bei)頻(pin)(pin)”這兩(liang)個(ge)概念，“外(wai)(wai)頻(pin)(pin)”是系統(tong)總(zong)線的(de)(de)(de)工作頻(pin)(pin)率，而“倍(bei)頻(pin)(pin)”則(ze)是外(wai)(wai)頻(pin)(pin)與(yu)主頻(pin)(pin)相差的(de)(de)(de)倍(bei)數(shu)，主頻(pin)(pin)=外(wai)(wai)頻(pin)(pin)×倍(bei)頻(pin)(pin)。我們可以(yi)把外(wai)(wai)頻(pin)(pin)看做CPU這臺“機器(qi)”內(nei)部(bu)的(de)(de)(de)一(yi)條(tiao)生(sheng)產線，而倍(bei)頻(pin)(pin)則(ze)是生(sheng)產線的(de)(de)(de)條(tiao)數(shu)，一(yi)臺機器(qi)生(sheng)產速(su)度(du)的(de)(de)(de)快慢（主頻(pin)(pin)）自然就是生(sheng)產線的(de)(de)(de)速(su)度(du)（外(wai)(wai)頻(pin)(pin)）乘以(yi)生(sheng)產線的(de)(de)(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)總線(xian)是CPU與主(zhu)板(ban)北(bei)橋芯片之間(jian)連接的(de)通(tong)道，而(er)“前端(duan)總線(xian)頻率(lv)”（FSB）就(jiu)(jiu)是該通(tong)道“運輸數據的(de)速(su)度”。如(ru)果將CPU看做(zuo)一臺(tai)安(an)裝在房間(jian)中的(de)大(da)(da)型(xing)機器(qi)的(de)話，“前端(duan)總線(xian)”就(jiu)(jiu)是這(zhe)個房間(jian)的(de)“大(da)(da)門(men)”。機器(qi)的(de)生(sheng)產能力再強，如(ru)果“大(da)(da)門(men)”很窄或者物體流通(tong)速(su)度比較(jiao)慢的(de) 話，CPU就(jiu)(jiu)不(bu)(bu)得不(bu)(bu)處于(yu)一種“吃不(bu)(bu)飽”的(de)狀(zhuang)態(tai)（圖5）。

圖(tu)5 “前(qian)端總線”圖(tu)釋(shi)

早期(qi)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)頻(pin)率(lv)(lv)是與(yu)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)外頻(pin)同步的(de)(de)(de)(de)(de)。隨(sui)著CPU工作(zuo)能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)(de)(de)加強（主頻(pin)越來(lai)越高(gao)），原來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)那種低頻(pin)率(lv)(lv)前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)已(yi)經滿足不了(le)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)需要，于是人們(men)開(kai)始在(zai)“前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)頻(pin)率(lv)(lv)”上做(zuo)起了(le)文(wen)章——在(zai)不提高(gao)系統(tong)總(zong)線(xian)(xian)基準頻(pin)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)體下，將(jiang)前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)單個(ge)時(shi)鐘周期(qi)能(neng)(neng)夠傳輸(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據個(ge)數(shu)(shu)以(yi)“倍數(shu)(shu)”增加。以(yi)當前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)Pentium 4系列CPU為(wei)(wei)例，Intel為(wei)(wei)它設(she)計(ji)了(le)一(yi)個(ge)名為(wei)(wei)“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)，其(qi)實(shi)質就(jiu)是該前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)在(zai)一(yi)個(ge)時(shi)鐘周期(qi)內，可以(yi)傳輸(shu)4倍的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據。早期(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)(de)外頻(pin)都是100MHz，而由于采(cai)用了(le)“Quad-pumped”技術，這類(lei)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)頻(pin)率(lv)(lv)便成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)已(yi)經達到(dao)了(le)800MHz，但其(qi)實(shi)際的(de)(de)(de)(de)(de)外頻(pin)是200MHz。

在認識(shi)了這(zhe)幾個參數之后，你(ni)應(ying)該明白“外頻≠前端總(zong)線頻率（FSB）”了吧(ba)。 3.CPU對電源的(de)(de)要(yao)求——工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)是(shi)指(zhi)CPU核心(xin)正常工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)所需的(de)(de)電壓(ya)(ya)(ya)。早期CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)一(yi)般為5V，目前Pentium 4 CPU的(de)(de)核心(xin)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)僅(jin)為1.5V左右。提高(gao)CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)可以提高(gao)CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻率，但是(shi)過高(gao)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)會(hui)帶來CPU發(fa)熱、甚至(zhi)CPU燒壞的(de)(de)問(wen)題。而降(jiang)低(di)CPU電壓(ya)(ya)(ya)不會(hui)對CPU造(zao)成(cheng)物理(li)損(sun)壞，但是(shi)會(hui)影響CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)的(de)(de)穩定性。因為降(jiang)低(di)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)會(hui)使CPU信號變弱，造(zao)成(cheng)運算混(hun)亂。為了降(jiang)低(di)CPU電壓(ya)(ya)(ya)、減小(xiao)CPU發(fa)熱，適應(ying)更高(gao)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻率，CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電壓(ya)(ya)(ya)有逐步(bu)下降(jiang)的(de)(de)趨(qu)勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主(zhu)頻的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高，它(ta)的(de)(de)(de)處(chu)(chu)理速(su)(su)(su)(su)度也越來(lai)越快，其(qi)它(ta)設備根本趕不(bu)上CPU的(de)(de)(de)速(su)(su)(su)(su)度，沒辦法及時將需要處(chu)(chu)理的(de)(de)(de)數據交給CPU。于是，高速(su)(su)(su)(su)緩存(cun)便出現在CPU上，當CPU在處(chu)(chu)理數據時，高速(su)(su)(su)(su)緩存(cun)就用(yong)來(lai)存(cun)儲一些(xie)(xie)常(chang)用(yong)或(huo)即將用(yong)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)數據或(huo)指(zhi)令，當CPU需要這些(xie)(xie)數據或(huo)指(zhi)令的(de)(de)(de)時候直(zhi)接從高速(su)(su)(su)(su)緩存(cun)中(zhong)讀取，而不(bu)用(yong)再到(dao)(dao)內存(cun)甚至(zhi)硬盤中(zhong)去讀取，如此一來(lai)可以(yi)大幅度提(ti)升(sheng)CPU的(de)(de)(de)處(chu)(chu)理速(su)(su)(su)(su)度。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存）：

它采用與CPU相同的半導體工藝，制作(zuo)在CPU內(nei)部(bu)，容量不是(shi)很大(da)，與CPU同頻運行，無需通過(guo)外部(bu)總線來(lai)交換數據(ju)，所以大(da)大(da)節省了存(cun)取(qu)時間(jian)。

L2 Cache（二級緩存）：CPU在讀取數據時，尋找順(shun)序依(yi)次是L1→L2→內存→外存儲(chu)器(qi)。L2 Cache的容量十分靈(ling)活，容量越(yue)大，CPU檔次越(yue)高(gao)。

L3 Cache（三級緩(huan)存(cun)）：還(huan)可以在主板上或者CPU上再(zai)外置(zhi)的大容量緩(huan)存(cun)，被稱為三級緩(huan)存(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝，也稱為“制(zhi)程寬(kuan)度”。是(shi)在制(zhi)作CPU核心(xin)時，核心(xin)上最(zui)基本的(de)(de)(de)功(gong)能單元CMOS電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)寬(kuan)度。在CPU的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝中，一(yi)般都(dou)是(shi)用微(wei)米(mi)來衡量(liang)加工(gong)(gong)精(jing)度。從上世(shi)紀(ji)70年(nian)代早期的(de)(de)(de)10微(wei)米(mi)線(xian)寬(kuan)一(yi)直到目前采(cai)用的(de)(de)(de)0.13微(wei)米(mi)線(xian)寬(kuan)，CPU的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝都(dou)在不斷地進步。制(zhi)作工(gong)(gong)藝的(de)(de)(de)提高，意味著(zhu)CPU的(de)(de)(de)體積(ji)將更(geng)小，集成度更(geng)高，耗電(dian)更(geng)少。

圖6 CPU封裝技術的(de)變遷

封(feng)裝是指安(an)裝CPU集成電路(lu)(lu)芯片(pian)(pian)用(yong)的外殼。封(feng)裝不僅起著安(an)放、固定、密封(feng)、保(bao)護芯片(pian)(pian)和(he)增強散熱功能的作用(yong)，而且還是溝(gou)通芯片(pian)(pian)內部(bu)與外部(bu)電路(lu)(lu)的橋(qiao)梁。芯片(pian)(pian)的封(feng)裝技術已(yi)經歷了好幾代的變遷，從(cong)DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技術指標(biao)一(yi)代比一(yi)代先進（圖6、7）。目前封(feng)裝技術適用(yong)的芯片(pian)(pian)頻率越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)高，散熱性能越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)好，引腳數增多，引腳間距(ju)減(jian)小(xiao)，重量(liang)減(jian)小(xiao)，可靠性也越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)高。

圖7 FC-PGA（反(fan)轉針(zhen)柵(zha)陣(zhen)列）封裝形(xing)式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能(neng)可以用(yong)工作(zuo)頻率(lv)來(lai)表現，而CPU的強(qiang)大功(gong)能(neng)則(ze)依(yi)賴于(yu)指(zhi)令(ling)(ling)系統。新一代CPU產品中，或多或少(shao)都需要增加(jia)新指(zhi)令(ling)(ling)，以增強(qiang)CPU系統功(gong)能(neng)。指(zhi)令(ling)(ling)系統決定了(le)一個(ge)CPU能(neng)夠運行什么(me)樣的程序(xu)，因(yin)此，一般來(lai)說，指(zhi)令(ling)(ling)越(yue)多，CPU功(gong)能(neng)越(yue)強(qiang)大。目前主流的CPU指(zhi)令(ling)(ling)集(ji)有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展指(zhi)令(ling)(ling)集(ji)。