计算机基本原理——CPU的工作原理

一、如何衡量CPU的性能？

计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢
计算机性能由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素
CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法：

计算每秒钟可执行的指令数目(单位：MIPS、MFLOPS)

巨型计算机：几十万亿～几百万亿次基本运算/秒
个人计算机：几千万～几亿次基本运算/秒
（其中，基本运算指的是：四则运算和∧，∨等逻辑运算）

PC大多使用常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等)的运行速度来测试CPU的性能，例如：

游戏性能测试程序: 3DMark
整体综合性能测试程序: PCMark

二、影响CPU性能的主要因素

字长（位数）

指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）通常是8的倍数。如：8位、16位、32位、64位、128位。
简单理解：即整数寄存器与整数运算器的宽度。
字长越长，运行程序的速度越快。

指令系统

指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度

逻辑结构

CPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等
内核数目

高速缓存（cache）的容量与结构 :CACHE越大，命中率越高，有利于CPU发挥工作效率，表现为CPU执行程序速度快。
主频（CPU内部时钟频率）

指CPU芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。
主频越高，执行一条指令的时间越少，运行程序的速度越快。

CPU总线速率

CPU总线（前端总线）传输速率：决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢。 CPU总线速率越高，CPU等待从内存取指令和数据时间越少，运行程序速度越快。

三、术语

MIPS:百万条指令每秒

MFLOPS:百万条浮点指令每秒

TFLOPS:万亿条浮点指令每秒

注意：个人计算机一般不使用上述指标衡量。而是面向应用进行性能测试：

整体综合性能测试程序：PCMark

游戏性能测试程序：3DMark

四、提高CPU性能的3大措施

1改进CPU结构；

2 提高IC速度(主频)；

3 增加CPU(核)的数目

五、双核/四核处理器

单个封装包含两个功能完全相同的处理器(内核)
进一步发展为2个内核做在同一晶片上，共享L2 cache，提高性价比
2个双核晶片封装在一起成为4核处理器
4个/6个内核做在同一晶片上，共享L3 cache（Core i7）

2 x 奔腾双核E5000处理器

六、Core i7 / i5 /i3 处理器

Core i7 / i5 /i3的内核结构都是相同的，只是数量不同；另外，缓存容量、GPU性能等也有区别
实际上不过是将有缺陷的高端型号产品改头换面作为低端型号产品来使用

七、为什么“多核”可提高计算机性能

1. ”线程“排队等候进入CPU处理

2. 哪一个CPU空闲，就把等候的线程交给它执行

3. 每个CPU负责执行分配给它的线程中的指令

（注：不严格地说，这里可以把“线程”理解为程序中可独立且并发地执行的一串指令）

八、小结：提高CPU性能的措施

扩展CPU的字长：32位－> 64位
扩充CPU指令系统：SSE指令
提高CPU主频：从1.5GHz －> 3GHz以上，目前最高已经接近4GHz；
加快CPU前端总线的数据传输速率
增大cache存储器容量、增加cache的级数
改进CPU内部的逻辑结构

超标量结构（多个执行部件）
指令流水线执行技术
超线程技术

采用多内核结构

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