《计算机系统与维护》— CPU的主要技术指标

一、CPU的物理结构

1.CPU的生产过程

在CPU发展的30多年来，CPU的制造工艺技术也得到长足的发展。CPU是由数百万只在显微镜下才看得见的晶体管组成的，并经过照相平版印刷技术最终蚀刻在一块磨光了的、只有大拇指甲盖大小的硅片上，并且还在不断地缩小。CPU的生产过程可以简单地归纳成以下几个步骤。

第一步：切晶圆。

第二步：影印（Photolithography）。

第三步：蚀刻（Etching）。

第四步：分层。

第五步：离子注入（IonImplantation）。

第六步：不断重复以上过程。

2. CPU的基本组成

CPU中的晶体管用来存储表示0或者1的电荷，构成了计算机的二进制语言。成组的晶体管连在一起存储这些数据就能完成各种各样的运算任务，并且借助于一个石英的晶体钟来协调行动，使其任务一致和同步。这就是计算机内时钟的用途。

存储器中的信息可以是数据，也可以是指令。对于由最简单的信息构成的数据，CPU只需要四个部分来实现对数据的操作：指令、指令指示器、寄存器、算术逻辑单元，另外CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元等，如表2-1所示。

基本组成单元部分	用途
指令	指示CPU处理数据
指令指示器	告诉CPU它所需要的指令放在内存中的哪个位置
寄存器	CPU内部的临时存储单元，保存等待处理的数据或是已经处理过的数据（如把两个数相加后的结果）
ALU（算术逻辑单元）	CPU的运算器，执行指令所指示的数学和逻辑运算
取指器	从RAM或者CPU上的存储区取出指令
解码器	从取指器中取出指令，把它翻译成CPU所能使用的计算机语言，并确定完成该指令所需要的步骤
控制器	管理和控制CPU的所有操作，如告诉ALU什么时候开始计算，取指器什么时候取一个0、1值，以及解码器什么时候把该值翻译成一条指令
FPU（浮点运算单元）	处理非常大的数和非常小的数

ALU及FPU是CPU中不可缺少的组成部分。为提高运算能力，在CPU内部增设了额外的ALU，希望增加一倍的处理能力，并另外增加了FPU。FPU能够处理范围非常大的数。对于计算机来说，若没有这两个部件，完成图形图像、动态模拟等工作就非常困难。

为提高CPU与L2 Cache（二级高速缓存）间的数据交换速度，Intel从Pentium Pro起将原来设置在计算机主板上的高速缓存控制电路和L2 Cache集成到CPU芯片上。这样CPU内核与高速缓存之间的数据交换就不再经过外部总线而直接通过CPU内部的缓存总线进行，使CPU内核与内存、CPU与高速缓存之间的数据交换通道分离，形成了双总线架构模式。

二、CPU的主要技术指标

1.CPU的工作电压

工作电压是指CPU正常工作时所需的电压。工作电压越高，CPU的发热量越大，工作越不稳定，甚至会造成死机或烧坏CPU。早期386、486的工作电压一般为5V，Pentium的工作电压是3.5V、3.3V、2.8V、1.6V等。随着CPU的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压还在逐步下降。低电压的CPU的芯片总功耗降低了，使得系统的运行成本就相应降低，这对于便携式和移动系统来说，可以让电池工作更长的时间，也使电池的使用寿命大大延长。功耗降低还可使发热量减少，让CPU与系统配合更好。可以说降低电压是CPU主频提高的重要因素之一。

586系列以后的CPU按工作电压可分为两种，一种是单电压CPU，另外一种则是双电压CPU。单电压CPU有Intel Pentium系列的P54C、AMD-K5及Cyrix的6x86等系列。双电压CPU则有Intel MMX P55C的PentiumⅡ、AMD的K6、Cyrix的6x86及M2等系列。而这些双电压CPU所使用的工作电压则可以被区分成Vcore（内核电压）和Vio（I/O电压）两个部分。

2.CPU的生产工艺

表明CPU性能的参数中常有“工艺技术”一项，如“0.35mm”或“0.25mm”。目前生产CPU主要采用CMOS技术，这种技术生产CPU采用“光刀”加工各种电路和元器件，并采用金属铝沉淀在硅材料上，然后用“光刀”刻成导线连接各元器件。光刻的精度一般用微米表示，精度越高就可在同样体积的硅材料上生产更多的元件，加工出更细的连线，CPU工作主频就可以更高。

3.CPU的位、字节和字长

CPU可以同时处理的二进制数据位数是其最重要的一个品质标志。通常所说的16位机、32位机就是指该微机中的CPU可以同时处理16位、32位的二进制数据。现在的CPU都是64位机。64位微处理器一次可以处理8个字节的信息。

4.CPU的主频、外频和运算速度

（1）主频

CPU的“工作频率”又称“主频”或“内频（InternalClock）”，是CPU内核电路的实际运行频率，现在常用的为2.4GHz左右。从486DX2开始，CPU主频等于外频乘倍频系数（后面介绍）。主频的高低直接影响CPU的运算速度，是衡量CPU性能高低的重要技术参数。

当然CPU的运算速度主要还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。主频是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。比如AMD公司采用了更加模糊的命名方式，企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。比如Athlon 3000+，它的频率有可能是2.20GHz，也有可能是2.0GHz。对于CPU的性能还要参考其他主要参数。

（2）外频

在计算机的主板上，以CPU为主，内存和各种外围设备为辅，有许多设备要共同在一起工作。这些设备之间的联络，数据的交换，都必须正确无误、分秒不差。因此，它们必须要有一个固定的时钟来做时间上的校正、协调或者参考。这时钟由主板上的时钟发生器（Clock Generator或Clock Gen.）产生，就是所谓的外频。常见的指标多为133～200MHz。时钟发生器的品牌，大致有ICS、ICWORKS、WinBond等。

由于计算机技术的飞速发展，CPU的速度也不断提升，而和它搭配的内存与外围设备的速度却跟不上，造成彼此速度搭配上明显的差异。为使它们能协调工作，CPU就得放慢脚步，这就限制了CPU的发展。于是制造厂商规定了一个公式，即“外频×倍频＝内频”，规定外频即CPU用来与其他外围设备共同工作的速度。外频也称为CPU的外部时钟（External Clock）或总线时钟（BUS Clock）。从486DX2开始，CPU的内核工作频率和外频就不一致了。

将系统时钟倍频后所得到的时钟信号作为CPU的内核工作时钟即CPU主频，例如IntelPentiumⅡ 300、400和500三款CPU的外部时钟皆为100MHz，其差别只是CPU内部倍频系数不同而已。300MHz（内频）=100MHz（外频）×3（倍频）。

（3）倍频系数（ClockMultiplier Factor）

由上面的介绍我们知道，CPU内部真正的工作时钟（主频）是外部时钟（外频）的倍数，这个所谓的“倍数”就是“倍频系数”。倍频系数越高，主频就越高。

（4）前端总线（FSB-FrontSystem Bus）

前端总线是指北桥芯片与CPU间数据传输的总线，是CPU跟外界沟通的惟一通道，处理器必须通过它才能获得数据或将运算结果传送出其他对应设备。前端总线的速度越快，CPU的数据传输就越迅速。前端总线的速度主要用前端总线的频率来衡量，取决于两个因素：一是总线的物理工作频率（即外频），二是有效工作频率（即FSB频率），它直接决定了前端总线的数据传输速度。Intel和AMD采用了不同的技术，Intel处理器的FSB频率跟外频的关系是：FSB频率=外频×4；AMD的则是：FSB频率=外频×2。

通过介绍可以明白外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度是指数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度，即100MHz外频是指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。

（5）运算速度及制约主频、外频提高的因素

CPU的运算速度可用MIPS来表示，即“百万指令集每秒”的意思。它取决于主频，一般1.5GHz主频CPU的运算速度为1700MIPS。但计算机的整体运算速度不仅取决于CPU的运算速度，还取决于存储系统、显示系统等设备，这些分系统也需特定频率的时钟信号来规范运行，这样除了CPU主频和系统时钟（外频）外，还有ISA、PCI总线和AGP显示接口的时钟，这些时钟的频率都低于系统时钟。CPU与各个周边总线、设备就像一个集体，只有相互之间配合协调，才能将整体性能发挥出来。

提高CPU主频和外频可以提高计算机系统的运算速度，但要提高这些指标又有一些制约因素。

首先，提高CPU主频要受到生产工艺的限制。CPU是在半导体硅片上制造的，硅片上的元件之间需要导线进行连接，在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等干扰以保证CPU运算正确，因此CPU的生产工艺很关键，比如0.25mm可以使CPU的主频达到400MHz；0.18mm可以达到700MHz；0.13mm可以达到2GHz；随着工艺技术的提高到90nm、65nm时，CPU的工作主频也就更高。

其次，提高外频受到运行速度较慢的外部器件的制约。计算机外设的发展速度远跟不上CPU的发展速度，比如硬盘，尽管硬盘技术不断更新，但硬盘接口的工作频率远远低于CPU的频率。一旦系统时钟提高过快，硬盘的工作则可能会无法正常进行，为此还提出了“分频”的概念。

分频技术是通过主板的北桥芯片将CPU外频降低，然后再提供给各板卡、硬盘等设备。

用外频除以分频系数，便能得到PCI等外设的工作频率。在主板的外频变化时，PCI等外设的工作频率能够固定在标准频率。早期的外频为66MHz时是PCI设备1：2分频，AGP设备不分频；后来的外频为100MHz时是PCI设备1：3分频，AGP设备2：3分频（有些100MHz的北桥芯片也支持PCI设备1：4分频）；目前的北桥芯片一般都支持133MHz外频，即PCI设备1：4分频、AGP设备1：2分频；在CPU外频高达200MHz，支持六分频的主板，即200除以6，就可得到PCI的标准频率33MHz。

总之，在标准外频（66MHz、100MHz、133MHz、200MHz）下，北桥芯片通过分频技术使PCI设备工作在33MHz，AGP设备工作在66MHz。外频改变的同时也改变了PCI等扩展总线的时钟频率，必然影响这些接口上的外部设备的运行状态，这也是制约提高系统时钟频率的一个因素。

三、 CPU的缓存

L1　Cache（一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。

L2　Cache（二级缓存）是CPU的第二层高速缓存，设置L2Cache的目的是弥补L1 Cache（一级高速缓存）容量的不足，以最大程度地减小内存对CPU运行造成的延缓。

L3　Cache（三级缓存）早期是外置集成在主板上的，现在都是内置了。而它的实际作用是进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。

四、 CPU的超频技术简介

1.什么是超频

超频就是通过提高CPU的外频或者倍频的方法来提高系统的数据传输量和运算速度，进而全面提高计算机系统的整体性能。通过超频可在不增加任何投资的情况下，实现系统升级，提高系统性能。

2.如何超频

超频首先可从提高外频开始，采用的方法是逐一往上调。调的方法也有两种：

一种是对照主板说明书，在关机的情况下调整主板上的跳线或DIP开关，调整到所需的频率后重新开机，看计算机能否正常启动并稳定运行。

另外一种方法是通过BIOS设置更改CPU倍频或外频。

超频损害了CPU生产商的利益，Intel对其多数CPU产品进行了“锁频”技术处理，即采用固定倍频系数的方法限制用户对CPU超频。这样一来，超频者只有调整外频一种办法了，然后CPU的，如果CPU超频后系统不稳定，就可以适当调高CPU工作电压。但是加电压的副作用很大，首先CPU发热量会增大，其次电压加得过高很容易烧毁CPU，所以加电压时一定要慎重，一般以0.025V、0.05V或者0.1V步进向上加就可以了。而多数AMD的倍频都没有锁定，可以通过修改倍频的方法来进行超频。

采用提高CPU倍频系数的方法进行超频时，超频能否成功仅取决CPU本身的性能和质量；而采用提高系统时钟方法对已经“锁频”的CPU进行超频时，超频能否成功则不光取决于CPU的性能和质量，还取决于系统内存、硬盘和显示卡等部件的性能和质量。因为外频提高后，CPU内部的L2 Cache的工作频率也相应被提高，L2 Cache的访问速度有一定限制，当系统时钟频率提高到一定程度，L2 Cache就可能无法正常工作。所以在对CPU进行超频运行时必须要考虑到这些因素，适可而止。

3.超频后有可能出现的问题和解决方法

CPU的工作状态是由输入CPU的电压决定的。输入CPU的电压波形一般呈梯形，假设在波峰和波谷之间存在一个点，在这点之上（即电压高）和之下（即电压低）CPU内部分别处于High和Low状态，达到这两种状态后分别需要稳定地保持一定时间，CPU才能正常工作。而将频率提高后，电压上升和下降所需的时间不变，而处于波峰和波谷稳定状态的时间被缩短了，最终导致CPU无法正确区分High和Low的状态。这就是超频后计算机工作不稳定的根本原因。

最常用的解决方法是提升输入电压，但会产生一系列新的问题。首先电路本身并不是为高电压的环境所设计，无节制地提高工作电压最终会使电路无法工作，甚至有可能破坏精密的晶体管。通常，CPU的许可工作电压比额定电压高0.1V左右，过多提升电压会缩短CPU的寿命，所以，只能往上升一点点。其次，随着CPU工作电压的升高，发热量会增大，散热不好也会造成CPU工作不正常

若想超频，选购CPU时应注意选择实力强的厂商及超频空间较大的产品。另外，还要选择稳定的主板，布局结构要合理，有利于散热，北桥芯片上应该有散热片，以增强系统的稳定性，并有较多可供选择的外频等。

另外当CPU超频在非标准外频时，硬盘、显卡及其他PCI设备同样处于超标准的频率下，长期使用会给这些配件带来一定影响。因此，硬盘、内存、显卡及其他PCI设备在高频下的稳定性同样决定了超频能否成功，应该购买质量较好的名牌产品。

五、 CPU主要技术术语浅析

1.流水线技术和超流水线技术

流水线（Pipeline）是Intel公司在486芯片中开始使用的。在CPU中由取指令、译码、产生地址、执行指令和数据写回等5～6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线。一条x86指令可分成5～6步，由这些电路单元同时执行，这样在一个CPU时钟周期就能完成一条指令，以提高CPU的运算速度。

CPU流水线长度越长，不同功能的电路单元越多，运算工作就越简单，处理器的工作频率就越高。CPU的流水线长度很大程度上决定了CPU所能达到的最高频率，于是就有了现在的超流水线技术，例如Intel的Willamette和Northwood核心的流水线长度为20步，Prescott核心的Pentium 4流水线长度为30步，而AMD的Clawhammer K8流水线长度为11步。

2.超标量技术和超线程技术

超标量（Superscalar）是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。

超线程（Hyper-Threading，HT）是一种同步多线程执行技术，采用此技术的CPU内部集成了两个逻辑处理器单元，相当于两个处理器实体，可以同时处理两个独立的线程。通俗说就，是让单个CPU能作为两个CPU使用，从而达到加快运算速度的目的。

3.指令特殊扩展技术

CPU在基本功能方面的差别并不太大，基本的指令集也都差不多，但是许多厂家为了提升某一方面性能，又开发了扩展指令集，扩展指令集定义了新的数据和指令，能够大大提高某方面数据处理能力，但必需要有软件支持。CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

MMX是Muti Media Extended（多媒体指令集）的缩写，是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术，共有57条指令，主要用于增强CPU对多媒体信息的处理，提高CPU处理3D图形、视频和音频信息能力。但由于只对整数运算进行了优化而没有加强浮点方面的运算能力。

SSE是Internet StreamingSIMDExtensions（因特网数据流单指令序列扩展）的缩写，共有70条指令，涵括了MMX和3D Now!指令集中的绝大部分功能，特别加强了SIMD浮点处理能力，改善了内存的使用效率，使其速度更快。首次被应用于PentiumⅢ中。随后的SSE2包含有144条命令，SSE3包含有13条命令。SSE3是目前最先进、规模最小的指令集,Intel Prescott处理器支持SSE3指令集，AMD在双核心处理器当中加入对SSE3指令集的支持，全美达的处理器也将支持这一指令集。

SSE4指令集是在Intel Core2处理器中率先推出的。从IntelCore微架构针对SSE指令所作出的修改被称为“Intel Advanced Digital Media Boost”技术来看，SSE4将更注重针对视频方面的优化。

4．多核心

多核心，也指单芯片多处理器（Chipmultiprocessors，简称CMP）。CMP是由美国斯坦福大学提出的，其思想是将大规模并行处理器中的SMP（对称多处理器）集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的进程。与CMP比较，SMT处理器结构的灵活性比较突出。但是，当半导体工艺进入0.18微米以后，线延时已经超过了门延迟，要求微处理器的设计通过划分许多规模更小、局部性更好的基本单元结构来进行。相比之下，由于CMP结构已经被划分成多个处理器核来设计，每个核都比较简单，有利于优化设计，因此更有发展前途。多核处理器可以在处理器内部共享缓存，提高缓存利用率，同时简化多处理器系统设计的复杂度。

5.Core微架构技术

Core微架构拥有双核心、64bit指令集、4发射的超标量体系结构和乱序执行机制等技术，使用65nm制造工艺生产，支持36bit的物理寻址和48bit的虚拟内存寻址，支持包括SSE4在内的Intel所有扩展指令集。而且它采取共享式二级缓存设计，2个核心共享4MB或2MB的二级缓存是。真正的双核。

基于Core核心的Conroe处理器的流水线从Prescott核心的31级缩短为14级，Core还采用改进后的分支预测设计，这使它拥有更优秀的分支预测能力，避免了流水线周期的浪费。

Core微架构的最大变化之一，是采用了四组指令编译器，即四组解码单元。这四组解码单元由三组简单解码单元（Simple Decoder）与一组复杂解码单元（ComplexDecoder）组成。Core采用微指令融合技术，可以减少微指令的数目，这相当于在同样的时间内，它能实际处理更多的指令，显著提高了处理效能。而且，减少微指令的数目还能降低处理器的功耗。

Core微架构采用大容量的共享式二级缓存。这种设计不仅减少了缓存访问延迟，提高了缓存的利用率，而且还可以使单个核心享用完全的4MB缓存。

Core微架构提供内存数据依存性预测功能，可在处理器将数据回存内存的同时，预测后继的加载指令是否采用相同的内存地址，并将未采用相同内存地址的后继指令加载到指定位置。而增强的“预先加载机制”可根据应用程序数据的行为，进行指令与数据的预先抓取动作，让所需要的内存地址数据，尽量存放在缓存中，减少读取内存的次数。这些大大改善了内存读取效率，缩短了内存存取的延迟。

Core微架构具有智能电源管理能力（IntelligentPower Capability），在处理器内各功能单元并非随时保持启动状态，而是根据预测机制，仅启动需要的功能单元。在Core微架构上，新采用的分离式总线（Split Buses）、数字热感应器（Digital Thermal Sensor）以及平台环境控制接口（Platform Environment Control Interface）等技术将带来明显的省电效果，这将大大降低功耗。

在2008和2010年还会有Nehalem和Gesher等新的“微架构”问世。

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