CPU芯(xin)片(pian)基礎知(zhi)識 CPU芯(xin)片(pian)工作(zuo)原理 CPU芯(xin)片(pian)參數(shu)介紹

CPU是(shi)(shi)“Central Processing Unit”的英(ying)語縮寫，中(zhong)(zhong)文意思(si)是(shi)(shi)“中(zhong)(zhong)央處(chu)(chu)理(li)器”，有(you)時我們(men)也簡稱它為“處(chu)(chu)理(li)器”或是(shi)(shi)“微處(chu)(chu)理(li)器”。它是(shi)(shi)整(zheng)個(ge)計(ji)算機(ji)(ji)系統的運(yun)算、控制中(zhong)(zhong)心，也就是(shi)(shi)計(ji)算機(ji)(ji)的“大腦”。首先就讓買購網(wang)小編來帶(dai)大家(jia)看看什么(me)是(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外(wai)形看上去非常(chang)簡單：它(ta)(ta)(ta)是一個矩形片(pian)(pian)狀(zhuang)物體，中間(jian)凸(tu)起(qi)的一片(pian)(pian)指(zhi)甲(jia)大小(xiao)的、薄(bo)薄(bo)的硅晶片(pian)(pian)部分是CPU核心，英文(wen)稱之(zhi)為“die”。在這塊小(xiao)小(xiao)的硅片(pian)(pian)上，密布著數以千萬計(ji)的晶體管(guan)，它(ta)(ta)(ta)們(men)相互配(pei)合協(xie)調，完(wan)成(cheng)著各種復雜的運(yun)算和操作(zuo)（圖1）。CPU主(zhu)要分為Intel和AMD兩類，圖1是AMD生產的CPU，我們(men)將在下期細(xi)(xi)細(xi)(xi)講述它(ta)(ta)(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的區別。

圖(tu)1 CPU正面俯視圖(tu)

CPU的(de)核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)工作強度(du)很大，發熱(re)量(liang)也大。而且CPU的(de)核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)非常脆弱，為(wei)了核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)的(de)安全，同(tong)時(shi)為(wei)了幫助核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)散熱(re)，于是現在的(de)CPU一般在其核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)上(shang)加(jia)裝一個金屬蓋，此金屬蓋不僅可以(yi)避免核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)受到意外傷(shang)害，同(tong)時(shi)也增加(jia)了核(he)心(xin)(xin)(xin)(xin)的(de)散熱(re)面(mian)積(ji)（圖(tu)2）。

圖2 加裝了金屬蓋的CPU

金(jin)屬封裝殼周圍是(shi)CPU基(ji)板，它將CPU內部的信號引(yin)到CPU引(yin)腳(jiao)上。基(ji)板的背面有許 多密密麻麻的鍍金(jin)的引(yin)腳(jiao)，它是(shi)CPU與外部電路連接的通道，同(tong)時也起著固定CPU的作用（圖3）。

圖3 CPU背(bei)面的金(jin)屬針角

由(you)于(yu)CPU的(de)核(he)心(xin)(xin)發(fa)熱(re)(re)量比較(jiao)大(da)(da)，為(wei)了(le)保護核(he)心(xin)(xin)的(de)安全(quan)，如今的(de)CPU都(dou)得加裝一個CPU散(san)熱(re)(re)器。散(san)熱(re)(re)器通常由(you)一個大(da)(da)大(da)(da)的(de)合金(jin)散(san)熱(re)(re)片(pian)和(he)一個散(san)熱(re)(re)風扇組成，用(yong)來將CPU核(he)心(xin)(xin)產生的(de)熱(re)(re)量快(kuai)速散(san)發(fa)掉（圖(tu)4）。

圖4 P4 CPU散(san)熱器

CPU的(de)(de)(de)工(gong)(gong)作原理：CPU的(de)(de)(de)內部結(jie)構可分(fen)為控制(zhi)、邏(luo)輯(ji)、存(cun)儲(chu)三大部分(fen)。如果將(jiang)CPU比作一臺機器的(de)(de)(de)話，其工(gong)(gong)作原理大致是(shi)這樣的(de)(de)(de)：首先(xian)是(shi)CPU將(jiang)“原料”（程序發出(chu)的(de)(de)(de)指令）經過(guo)“物(wu)質(zhi)分(fen)配(pei)單位”（控制(zhi)單元）進行初步調節，然(ran)后(hou)送到“加(jia)(jia)工(gong)(gong)車床”（邏(luo)輯(ji)運算單元）進行加(jia)(jia)工(gong)(gong)，最后(hou)將(jiang)加(jia)(jia)工(gong)(gong)出(chu)來的(de)(de)(de)“產品(pin)”（處理后(hou)的(de)(de)(de)數據）存(cun)儲(chu)到“倉庫(ku)”（存(cun)儲(chu)器）中(zhong)，以后(hou)“銷售部門”（應用程序）就(jiu)可到“倉庫(ku)”中(zhong)按(an)需提貨(huo)了。

二、透透徹徹看參數

見識(shi)了(le)CPU的(de)廬山真面目之后，我們也該跟它好(hao)好(hao)交(jiao)流一番(fan)才行了(le)，因為要真正(zheng)透徹地了(le)解(jie)CPU，就必須知道CPU的(de)一些基礎(chu)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(zhu)頻(pin)就(jiu)是CPU的時鐘頻(pin)率，也(ye)就(jiu)是CPU運算時的工作(zuo)頻(pin)率。我們平常經常掛(gua)在嘴邊的“奔騰(teng)4 XXX MHz”講(jiang)的就(jiu)是CPU的主(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)(pin)相(xiang)關(guan)的(de)還有(you)“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)”與(yu)“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)”這兩(liang)個(ge)概念，“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)”是(shi)系統(tong)總(zong)線(xian)的(de)工作頻(pin)(pin)(pin)率，而“倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)”則是(shi)外(wai)頻(pin)(pin)(pin)與(yu)主頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)差的(de)倍(bei)數，主頻(pin)(pin)(pin)=外(wai)頻(pin)(pin)(pin)×倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)。我(wo)們可以把外(wai)頻(pin)(pin)(pin)看做CPU這臺“機(ji)器”內部的(de)一條生(sheng)(sheng)產線(xian)，而倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)則是(shi)生(sheng)(sheng)產線(xian)的(de)條數，一臺機(ji)器生(sheng)(sheng)產速度(du)的(de)快慢(man)（主頻(pin)(pin)(pin)）自然就是(shi)生(sheng)(sheng)產線(xian)的(de)速度(du)（外(wai)頻(pin)(pin)(pin)）乘以生(sheng)(sheng)產線(xian)的(de)條數（倍(bei)頻(pin)(pin)(pin)）了。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)(xian)是(shi)CPU與主(zhu)板(ban)北橋(qiao)芯片(pian)之間連接(jie)的(de)(de)(de)通(tong)道，而“前(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)(xian)頻率”（FSB）就(jiu)是(shi)該(gai)通(tong)道“運輸數(shu)據的(de)(de)(de)速度”。如果(guo)將CPU看(kan)做(zuo)一臺安(an)裝(zhuang)在房間中的(de)(de)(de)大型(xing)機器的(de)(de)(de)話，“前(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)(xian)”就(jiu)是(shi)這(zhe)個房間的(de)(de)(de)“大門”。機器的(de)(de)(de)生產(chan)能(neng)力再強(qiang)，如果(guo)“大門”很窄或者(zhe)物體流通(tong)速度比(bi)較慢(man)的(de)(de)(de) 話，CPU就(jiu)不得不處于一種“吃(chi)不飽(bao)”的(de)(de)(de)狀態（圖5）。

圖(tu)5 “前端總線(xian)”圖(tu)釋

早期(qi)CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)頻(pin)率(lv)是與CPU的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)同步(bu)的(de)(de)(de)(de)。隨(sui)著CPU工作能力的(de)(de)(de)(de)加(jia)強（主頻(pin)越來(lai)越高），原來(lai)的(de)(de)(de)(de)那種(zhong)低頻(pin)率(lv)前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)已經滿(man)足(zu)不(bu)了(le)(le)CPU的(de)(de)(de)(de)需要，于是人(ren)們開始在“前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)頻(pin)率(lv)”上做(zuo)起(qi)了(le)(le)文章——在不(bu)提高系(xi)統總(zong)線(xian)基準頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)體(ti)下，將前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)單(dan)個(ge)時鐘(zhong)周期(qi)能夠(gou)傳(chuan)輸的(de)(de)(de)(de)數(shu)據個(ge)數(shu)以“倍數(shu)”增(zeng)加(jia)。以當前(qian)(qian)(qian)的(de)(de)(de)(de)Pentium 4系(xi)列(lie)CPU為(wei)例，Intel為(wei)它設計(ji)了(le)(le)一(yi)個(ge)名(ming)為(wei)“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)，其實質就是該(gai)前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)在一(yi)個(ge)時鐘(zhong)周期(qi)內，可以傳(chuan)輸4倍的(de)(de)(de)(de)數(shu)據。早期(qi)的(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)都是100MHz，而由于采(cai)用了(le)(le)“Quad-pumped”技(ji)術(shu)，這類CPU的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)頻(pin)率(lv)便成了(le)(le)“100MHz×4=400MHz”。如(ru)今，Pentium 4的(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)總(zong)線(xian)已經達到了(le)(le)800MHz，但其實際的(de)(de)(de)(de)外頻(pin)是200MHz。

在認識了這幾個參數之(zhi)后，你應該明白“外(wai)頻(pin)≠前端總線頻(pin)率(lv)（FSB）”了吧。 3.CPU對電(dian)(dian)源的要求——工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)是(shi)指CPU核心正(zheng)常工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)所(suo)需的電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。早期(qi)CPU的工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)一(yi)般為5V，目前Pentium 4 CPU的核心工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)僅為1.5V左右。提高CPU的工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可(ke)以提高CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)，但是(shi)過(guo)高的工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)(hui)帶來CPU發熱、甚至CPU燒壞(huai)的問(wen)題(ti)。而降(jiang)低CPU電(dian)(dian)壓(ya)(ya)不會(hui)(hui)(hui)對CPU造成物理損(sun)壞(huai)，但是(shi)會(hui)(hui)(hui)影響CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)的穩(wen)定性。因為降(jiang)低工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)(hui)使CPU信號變(bian)弱，造成運算混亂。為了降(jiang)低CPU電(dian)(dian)壓(ya)(ya)、減小CPU發熱，適應更高的工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)，CPU工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)有逐(zhu)步下(xia)降(jiang)的趨(qu)勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主頻的(de)不斷(duan)提(ti)高，它的(de)處理速度也越來(lai)越快，其它設備(bei)根本趕不上CPU的(de)速度，沒(mei)辦法及時將需(xu)要處理的(de)數據交給CPU。于是，高速緩存便出現在(zai)CPU上，當CPU在(zai)處理數據時，高速緩存就用(yong)(yong)來(lai)存儲一些(xie)(xie)常用(yong)(yong)或(huo)即將用(yong)(yong)到(dao)的(de)數據或(huo)指令，當CPU需(xu)要這些(xie)(xie)數據或(huo)指令的(de)時候直(zhi)接從高速緩存中讀取，而(er)不用(yong)(yong)再到(dao)內存甚至硬盤(pan)中去(qu)讀取，如此一來(lai)可以大幅度提(ti)升CPU的(de)處理速度。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存(cun)）：

它(ta)采用與CPU相同的(de)半導體工(gong)藝，制作在CPU內部，容量不是很大(da)(da)，與CPU同頻運行，無需通過(guo)外部總線來交換(huan)數(shu)據，所以大(da)(da)大(da)(da)節省了存取時間。

L2 Cache（二級緩存(cun)）：CPU在讀取數據時(shi)，尋找(zhao)順序依次是L1→L2→內(nei)存(cun)→外存(cun)儲器。L2 Cache的(de)容(rong)(rong)量十分(fen)靈活，容(rong)(rong)量越大，CPU檔次越高。

L3 Cache（三(san)級(ji)緩存）：還可以(yi)在主板(ban)上或者(zhe)CPU上再(zai)外(wai)置的(de)大容量緩存，被稱(cheng)為三(san)級(ji)緩存。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)(yi)，也稱(cheng)為(wei)“制(zhi)程寬(kuan)(kuan)度(du)”。是在制(zhi)作CPU核(he)心時(shi)，核(he)心上最基本(ben)的(de)(de)(de)功(gong)能單元CMOS電路的(de)(de)(de)寬(kuan)(kuan)度(du)。在CPU的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)(yi)中，一般都是用(yong)微米來(lai)衡(heng)量加工(gong)精(jing)度(du)。從上世紀70年代早期的(de)(de)(de)10微米線寬(kuan)(kuan)一直到目前(qian)采用(yong)的(de)(de)(de)0.13微米線寬(kuan)(kuan)，CPU的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)(yi)都在不(bu)斷地進步(bu)。制(zhi)作工(gong)藝(yi)(yi)的(de)(de)(de)提高，意味著CPU的(de)(de)(de)體積將更小，集成度(du)更高，耗電更少。

圖6 CPU封裝技術的變(bian)遷

封(feng)裝(zhuang)是指(zhi)安裝(zhuang)CPU集成電(dian)路芯(xin)(xin)片用的(de)(de)外(wai)殼。封(feng)裝(zhuang)不僅起著安放、固(gu)定(ding)、密封(feng)、保護芯(xin)(xin)片和增(zeng)強散(san)熱功(gong)能的(de)(de)作用，而(er)且(qie)還是溝通芯(xin)(xin)片內部與(yu)外(wai)部電(dian)路的(de)(de)橋梁。芯(xin)(xin)片的(de)(de)封(feng)裝(zhuang)技術已經歷(li)了好(hao)幾代的(de)(de)變遷(qian)，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技術指(zhi)標一(yi)(yi)代比一(yi)(yi)代先進（圖6、7）。目前封(feng)裝(zhuang)技術適用的(de)(de)芯(xin)(xin)片頻率越來(lai)越高(gao)，散(san)熱性能越來(lai)越好(hao)，引腳數增(zeng)多，引腳間距減小，重量減小，可靠(kao)性也越來(lai)越高(gao)。

圖7 FC-PGA（反轉(zhuan)針(zhen)柵陣列）封裝形(xing)式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)性(xing)能可以用(yong)工作頻(pin)率(lv)來表現，而CPU的(de)強大功能則依賴于指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)系(xi)(xi)統(tong)。新一(yi)代CPU產(chan)品中，或多或少都需(xu)要(yao)增(zeng)加新指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)，以增(zeng)強CPU系(xi)(xi)統(tong)功能。指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)系(xi)(xi)統(tong)決定了一(yi)個CPU能夠運(yun)行(xing)什么樣的(de)程序，因此，一(yi)般來說，指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)越多，CPU功能越強大。目(mu)前(qian)主流(liu)的(de)CPU指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)集有Intel的(de)MMX、SSE、SSE2及(ji)AMD的(de)3D Now擴展(zhan)指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)集。