CPU芯(xin)片基礎知識(shi) CPU芯(xin)片工作原理(li) CPU芯(xin)片參數(shu)介紹

CPU是(shi)(shi)“Central Processing Unit”的(de)英語縮寫，中(zhong)(zhong)文(wen)意思是(shi)(shi)“中(zhong)(zhong)央處理器”，有時我們(men)也(ye)簡稱它為“處理器”或(huo)是(shi)(shi)“微處理器”。它是(shi)(shi)整個計算(suan)機系統的(de)運算(suan)、控(kong)制中(zhong)(zhong)心，也(ye)就是(shi)(shi)計算(suan)機的(de)“大腦”。首先就讓(rang)買購(gou)網(wang)小編來帶大家看看什(shen)么(me)是(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看上去非常簡(jian)單(dan)：它(ta)是(shi)(shi)一個(ge)矩形(xing)片(pian)狀物體，中(zhong)間凸起的(de)一片(pian)指甲(jia)大小的(de)、薄薄的(de)硅(gui)晶片(pian)部(bu)分(fen)是(shi)(shi)CPU核心，英(ying)文稱之(zhi)為“die”。在這塊小小的(de)硅(gui)片(pian)上，密布著數以千萬計的(de)晶體管，它(ta)們(men)相互配合協調(diao)，完成(cheng)著各種(zhong)復雜的(de)運算和操作（圖(tu)1）。CPU主(zhu)要分(fen)為Intel和AMD兩類，圖(tu)1是(shi)(shi)AMD生(sheng)產的(de)CPU，我們(men)將在下期細細講述它(ta)們(men)之(zhi)間的(de)區別。

圖1 CPU正面俯視(shi)圖

CPU的核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)工作強度很大(da)，發熱(re)量也大(da)。而且(qie)CPU的核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)非(fei)常脆弱，為了核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)的安(an)全，同時(shi)(shi)為了幫助核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)散熱(re)，于是(shi)現(xian)在的CPU一般在其核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)上加裝(zhuang)一個(ge)金屬(shu)蓋(gai)，此金屬(shu)蓋(gai)不僅可(ke)以(yi)避免核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)受到意外傷害，同時(shi)(shi)也增加了核(he)(he)心(xin)(xin)(xin)的散熱(re)面(mian)積(ji)（圖(tu)2）。

圖2 加裝了金(jin)屬蓋的(de)CPU

金屬封裝殼周圍是CPU基(ji)板，它將CPU內(nei)部的信號引到(dao)CPU引腳上。基(ji)板的背面(mian)有許(xu) 多密密麻麻的鍍金的引腳，它是CPU與外(wai)部電路(lu)連(lian)接的通道，同時也起(qi)著(zhu)固定(ding)CPU的作用(yong)（圖3）。

圖3 CPU背面的(de)金屬針角

由(you)于CPU的(de)(de)核(he)(he)(he)心發熱量比(bi)較(jiao)大(da)，為(wei)了保護核(he)(he)(he)心的(de)(de)安全，如今的(de)(de)CPU都得加裝一個CPU散(san)熱器。散(san)熱器通常由(you)一個大(da)大(da)的(de)(de)合(he)金散(san)熱片和一個散(san)熱風扇組成，用來將CPU核(he)(he)(he)心產生的(de)(de)熱量快速散(san)發掉（圖(tu)4）。

圖4 P4 CPU散熱(re)器

CPU的(de)(de)工(gong)作原(yuan)理(li)：CPU的(de)(de)內部(bu)結構可分(fen)為控(kong)制、邏(luo)輯(ji)、存儲(chu)(chu)三大(da)部(bu)分(fen)。如果將CPU比作一臺(tai)機器的(de)(de)話，其工(gong)作原(yuan)理(li)大(da)致是這(zhe)樣的(de)(de)：首先(xian)是CPU將“原(yuan)料(liao)”（程(cheng)(cheng)序發出(chu)的(de)(de)指令）經(jing)過“物質分(fen)配單位”（控(kong)制單元(yuan)）進(jin)行(xing)初步調(diao)節，然后送(song)到“加工(gong)車床(chuang)”（邏(luo)輯(ji)運算單元(yuan)）進(jin)行(xing)加工(gong)，最(zui)后將加工(gong)出(chu)來(lai)的(de)(de)“產品(pin)”（處理(li)后的(de)(de)數據）存儲(chu)(chu)到“倉(cang)庫”（存儲(chu)(chu)器）中，以(yi)后“銷售部(bu)門”（應用程(cheng)(cheng)序）就(jiu)可到“倉(cang)庫”中按需(xu)提(ti)貨了。

二、透透徹徹看參數

見(jian)識了(le)CPU的廬山真面目之后，我們也該跟(gen)它好好交流(liu)一(yi)番才行了(le)，因為要真正透徹(che)地了(le)解(jie)CPU，就必須知道CPU的一(yi)些(xie)基礎參數(shu)的含義。

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

主頻就(jiu)是(shi)CPU的(de)時(shi)鐘頻率，也就(jiu)是(shi)CPU運算(suan)時(shi)的(de)工(gong)作(zuo)頻率。我(wo)們平常經常掛在(zai)嘴邊的(de)“奔騰(teng)4 XXX MHz”講的(de)就(jiu)是(shi)CPU的(de)主頻。

（2）生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與(yu)主(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)關的還(huan)有“外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)”與(yu)“倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)”這兩個概念，“外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)”是(shi)(shi)系統(tong)總線的工作頻(pin)(pin)(pin)率，而“倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)”則是(shi)(shi)外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)與(yu)主(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)相(xiang)差的倍(bei)(bei)數(shu)(shu)，主(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)=外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)×倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)。我們可(ke)以把外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)看做CPU這臺“機器”內部的一條(tiao)生產(chan)(chan)線，而倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)則是(shi)(shi)生產(chan)(chan)線的條(tiao)數(shu)(shu)，一臺機器生產(chan)(chan)速度(du)的快慢(man)（主(zhu)(zhu)頻(pin)(pin)(pin)）自然就是(shi)(shi)生產(chan)(chan)線的速度(du)（外(wai)(wai)(wai)頻(pin)(pin)(pin)）乘以生產(chan)(chan)線的條(tiao)數(shu)(shu)（倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)）了(le)。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前(qian)端總(zong)線是CPU與主板北橋芯片之間(jian)連接(jie)的通道，而“前(qian)端總(zong)線頻率”（FSB）就(jiu)是該通道“運輸數據的速(su)度(du)”。如果將CPU看做一臺安(an)裝(zhuang)在(zai)房(fang)間(jian)中(zhong)的大(da)型機(ji)器的話，“前(qian)端總(zong)線”就(jiu)是這個房(fang)間(jian)的“大(da)門”。機(ji)器的生(sheng)產能力再強，如果“大(da)門”很窄或(huo)者物體流通速(su)度(du)比較慢的 話，CPU就(jiu)不(bu)得(de)不(bu)處于一種“吃不(bu)飽”的狀態（圖5）。

圖(tu)5 “前端總(zong)線”圖(tu)釋

早期CPU的(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)是(shi)與CPU的(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)同步的(de)(de)(de)。隨著CPU工作能(neng)力的(de)(de)(de)加強（主頻(pin)(pin)(pin)(pin)越來越高(gao)），原來的(de)(de)(de)那種低頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)已(yi)經(jing)(jing)滿足不(bu)了(le)CPU的(de)(de)(de)需(xu)要，于是(shi)人們開始在“前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)”上做起了(le)文章——在不(bu)提高(gao)系統總(zong)(zong)線(xian)基準頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)前(qian)體下，將(jiang)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)單個時鐘(zhong)周期能(neng)夠傳(chuan)輸的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據個數(shu)(shu)以“倍數(shu)(shu)”增加。以當前(qian)的(de)(de)(de)Pentium 4系列CPU為例，Intel為它設計了(le)一個名為“Quad-pumped”的(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)，其(qi)實質就是(shi)該前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)在一個時鐘(zhong)周期內，可以傳(chuan)輸4倍的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據。早期的(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)都是(shi)100MHz，而(er)由于采用了(le)“Quad-pumped”技術，這類CPU的(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)便成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的(de)(de)(de)前(qian)端(duan)總(zong)(zong)線(xian)已(yi)經(jing)(jing)達到了(le)800MHz，但其(qi)實際的(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)是(shi)200MHz。

在認識(shi)了這幾(ji)個參(can)數(shu)之后，你應(ying)(ying)該明白“外(wai)頻(pin)≠前(qian)端總(zong)線頻(pin)率（FSB）”了吧。 3.CPU對電(dian)源的要求——工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓 工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓是指CPU核心正常工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)所需(xu)的電(dian)壓。早期CPU的工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓一般為5V，目前(qian)Pentium 4 CPU的核心工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓僅為1.5V左右(you)。提高(gao)(gao)CPU的工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓可(ke)以提高(gao)(gao)CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率，但是過(guo)高(gao)(gao)的工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓會(hui)帶來CPU發(fa)熱、甚至CPU燒(shao)壞的問(wen)題。而降低CPU電(dian)壓不會(hui)對CPU造(zao)(zao)成物理損壞，但是會(hui)影響(xiang)CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)的穩(wen)定性(xing)。因為降低工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓會(hui)使(shi)CPU信號變弱，造(zao)(zao)成運(yun)算混亂。為了降低CPU電(dian)壓、減小CPU發(fa)熱，適應(ying)(ying)更高(gao)(gao)的工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)頻(pin)率，CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)電(dian)壓有逐步(bu)下降的趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主頻的不(bu)斷提高，它的處理速(su)(su)度(du)也越(yue)來(lai)越(yue)快，其它設(she)備(bei)根本趕(gan)不(bu)上(shang)(shang)CPU的速(su)(su)度(du)，沒(mei)辦法(fa)及時將需(xu)要(yao)處理的數(shu)(shu)據(ju)交給CPU。于是，高速(su)(su)緩存便出現(xian)在CPU上(shang)(shang)，當CPU在處理數(shu)(shu)據(ju)時，高速(su)(su)緩存就(jiu)用(yong)(yong)來(lai)存儲一些常(chang)用(yong)(yong)或即將用(yong)(yong)到(dao)的數(shu)(shu)據(ju)或指(zhi)令(ling)(ling)，當CPU需(xu)要(yao)這些數(shu)(shu)據(ju)或指(zhi)令(ling)(ling)的時候直接從高速(su)(su)緩存中(zhong)(zhong)讀(du)取(qu)，而不(bu)用(yong)(yong)再(zai)到(dao)內存甚至硬盤中(zhong)(zhong)去讀(du)取(qu)，如此一來(lai)可以(yi)大幅度(du)提升CPU的處理速(su)(su)度(du)。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一(yi)級緩存）：

它采用(yong)與CPU相(xiang)同(tong)(tong)的半導體工藝(yi)，制作在CPU內(nei)部(bu)，容(rong)量不(bu)是很大(da)，與CPU同(tong)(tong)頻運(yun)行，無需通過(guo)外部(bu)總線(xian)來交換數據(ju)，所以(yi)大(da)大(da)節省(sheng)了存(cun)取時間。

L2 Cache（二(er)級緩存(cun)）：CPU在(zai)讀取數(shu)據時(shi)，尋找順序依次是L1→L2→內存(cun)→外存(cun)儲器。L2 Cache的容量十分靈活(huo)，容量越(yue)大，CPU檔(dang)次越(yue)高。

L3 Cache（三(san)(san)級緩存）：還可(ke)以在主板上或者(zhe)CPU上再外置的大容量緩存，被(bei)稱為三(san)(san)級緩存。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制(zhi)造工(gong)藝，也(ye)稱為“制(zhi)程寬度(du)”。是(shi)在制(zhi)作(zuo)CPU核(he)心(xin)時(shi)，核(he)心(xin)上(shang)最基本的(de)(de)功能(neng)單元CMOS電路的(de)(de)寬度(du)。在CPU的(de)(de)制(zhi)造工(gong)藝中，一(yi)般(ban)都是(shi)用微米(mi)(mi)來衡量加(jia)工(gong)精度(du)。從上(shang)世紀70年代早期的(de)(de)10微米(mi)(mi)線(xian)寬一(yi)直到(dao)目前采用的(de)(de)0.13微米(mi)(mi)線(xian)寬，CPU的(de)(de)制(zhi)造工(gong)藝都在不斷地進步(bu)。制(zhi)作(zuo)工(gong)藝的(de)(de)提(ti)高，意味(wei)著CPU的(de)(de)體積將更(geng)小，集成度(du)更(geng)高，耗電更(geng)少(shao)。

圖6 CPU封(feng)裝(zhuang)技術的變遷

封(feng)(feng)裝(zhuang)是指(zhi)安裝(zhuang)CPU集成電路芯片(pian)用的(de)外殼。封(feng)(feng)裝(zhuang)不僅起著安放(fang)、固定、密封(feng)(feng)、保護芯片(pian)和增(zeng)強散熱功能(neng)(neng)的(de)作用，而(er)且還是溝通芯片(pian)內部(bu)與(yu)外部(bu)電路的(de)橋梁。芯片(pian)的(de)封(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)已經歷了好幾代的(de)變(bian)遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技(ji)術(shu)指(zhi)標一代比一代先(xian)進（圖6、7）。目前封(feng)(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)適用的(de)芯片(pian)頻率越來越高，散熱性能(neng)(neng)越來越好，引腳(jiao)數(shu)增(zeng)多，引腳(jiao)間距減(jian)小，重量減(jian)小，可靠性也(ye)越來越高。

圖7 FC-PGA（反轉針柵(zha)陣列）封裝(zhuang)形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能可以(yi)用工(gong)作頻率來表現，而CPU的強大功(gong)能則依賴于指令(ling)(ling)系統。新一代(dai)CPU產品中，或多或少都(dou)需要增(zeng)加新指令(ling)(ling)，以(yi)增(zeng)強CPU系統功(gong)能。指令(ling)(ling)系統決(jue)定了一個CPU能夠(gou)運行(xing)什么樣的程序，因此，一般來說，指令(ling)(ling)越多，CPU功(gong)能越強大。目前(qian)主流(liu)的CPU指令(ling)(ling)集有(you)Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴展指令(ling)(ling)集。