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CPU芯片基礎知識 CPU芯片工作原理 CPU芯片參數介紹

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摘要:cpu芯片相信大家一定不陌生,是整個計算機系統的運算、控制中心,也就是計算機的“大腦”。今天,就跟著買購網小編一起去了解一下這個大腦是如何運作的吧。

CPU芯片基礎知(zhi)識 CPU芯片工作原理 CPU芯片參(can)數介紹

CPU是(shi)(shi)(shi)(shi)“Central Processing Unit”的(de)英語縮寫,中文意思是(shi)(shi)(shi)(shi)“中央處理器(qi)”,有時我們也簡稱它為“處理器(qi)”或(huo)是(shi)(shi)(shi)(shi)“微處理器(qi)”。它是(shi)(shi)(shi)(shi)整個(ge)計算(suan)機系統的(de)運算(suan)、控(kong)制(zhi)中心,也就是(shi)(shi)(shi)(shi)計算(suan)機的(de)“大(da)(da)腦”。首(shou)先就讓買購網小編來帶大(da)(da)家看看什么(me)是(shi)(shi)(shi)(shi)CPU。

一、打望CPU

CPU外形(xing)看上去非常簡單:它是一(yi)個矩(ju)形(xing)片(pian)狀物體,中間凸起的一(yi)片(pian)指甲大(da)小(xiao)的、薄薄的硅晶(jing)片(pian)部分是CPU核心,英文(wen)稱之為(wei)“die”。在這塊小(xiao)小(xiao)的硅片(pian)上,密布著數以千萬計的晶(jing)體管,它們相(xiang)互配(pei)合協調,完成(cheng)著各種復雜的運算和操作(圖(tu)1)。CPU主要分為(wei)Intel和AMD兩類,圖(tu)1是AMD生產的CPU,我們將在下期細細講(jiang)述它們之間的區別。

圖1 CPU正面俯視圖

CPU的核心(xin)工(gong)作強度很大,發(fa)熱量也大。而且CPU的核心(xin)非常脆弱,為了核心(xin)的安全(quan),同時(shi)為了幫助核心(xin)散(san)熱,于是現在(zai)的CPU一般在(zai)其核心(xin)上加裝(zhuang)一個金屬蓋(gai)(gai),此金屬蓋(gai)(gai)不僅可以避(bi)免核心(xin)受(shou)到意(yi)外傷害,同時(shi)也增加了核心(xin)的散(san)熱面(mian)積(圖2)。

圖2 加裝了金屬蓋的CPU

金屬封裝殼周圍是CPU基板(ban)(ban),它將CPU內部的(de)(de)信(xin)號(hao)引(yin)到CPU引(yin)腳上。基板(ban)(ban)的(de)(de)背面(mian)有許 多密(mi)密(mi)麻麻的(de)(de)鍍金的(de)(de)引(yin)腳,它是CPU與外部電路連接(jie)的(de)(de)通道,同時也起著固定(ding)CPU的(de)(de)作用(圖3)。

圖3 CPU背(bei)面的金屬針角

由(you)于CPU的核心(xin)發熱量(liang)比較(jiao)大(da)(da),為了保護(hu)核心(xin)的安全,如今(jin)的CPU都得加裝一個CPU散(san)(san)熱器。散(san)(san)熱器通常由(you)一個大(da)(da)大(da)(da)的合金散(san)(san)熱片和一個散(san)(san)熱風(feng)扇組成,用(yong)來將CPU核心(xin)產(chan)生的熱量(liang)快(kuai)速散(san)(san)發掉(圖4)。

圖4 P4 CPU散(san)熱器

CPU的(de)(de)(de)工作(zuo)原(yuan)理:CPU的(de)(de)(de)內(nei)部(bu)結構可分(fen)為控制(zhi)、邏輯、存(cun)儲三大部(bu)分(fen)。如果將CPU比作(zuo)一臺機(ji)器(qi)的(de)(de)(de)話(hua),其工作(zuo)原(yuan)理大致(zhi)是這樣(yang)的(de)(de)(de):首(shou)先是CPU將“原(yuan)料”(程(cheng)序發出的(de)(de)(de)指令)經過“物質(zhi)分(fen)配單(dan)位”(控制(zhi)單(dan)元)進行初步調節,然后(hou)送(song)到“加(jia)工車床”(邏輯運算單(dan)元)進行加(jia)工,最后(hou)將加(jia)工出來(lai)的(de)(de)(de)“產品”(處理后(hou)的(de)(de)(de)數據)存(cun)儲到“倉庫”(存(cun)儲器(qi))中(zhong),以后(hou)“銷售(shou)部(bu)門”(應(ying)用程(cheng)序)就(jiu)可到“倉庫”中(zhong)按需提貨了。

二、透透徹徹看參數

見識了(le)CPU的廬山真面(mian)目之后,我們也該(gai)跟它好(hao)好(hao)交流一(yi)(yi)番才行了(le),因為要真正透(tou)徹(che)地了(le)解CPU,就(jiu)必須知道CPU的一(yi)(yi)些基礎(chu)參(can)數的含義。

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(zhu)頻就是(shi)CPU的時鐘頻率,也就是(shi)CPU運算(suan)時的工作頻率。我們(men)平常經常掛在嘴邊的“奔騰4 XXX MHz”講的就是(shi)CPU的主(zhu)頻。

(2)生產線與生產線的條數——外頻與倍頻

與(yu)(yu)主頻(pin)(pin)(pin)(pin)相關(guan)的還有“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”與(yu)(yu)“倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”這兩個概念,“外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”是(shi)(shi)系統(tong)總線的工作(zuo)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率,而“倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)”則(ze)是(shi)(shi)外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)與(yu)(yu)主頻(pin)(pin)(pin)(pin)相差的倍(bei)(bei)數,主頻(pin)(pin)(pin)(pin)=外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)×倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)。我們(men)可以把外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin)看做CPU這臺“機(ji)器(qi)”內部的一條(tiao)生(sheng)產線,而倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin)則(ze)是(shi)(shi)生(sheng)產線的條(tiao)數,一臺機(ji)器(qi)生(sheng)產速(su)度的快慢(主頻(pin)(pin)(pin)(pin))自然就是(shi)(shi)生(sheng)產線的速(su)度(外(wai)頻(pin)(pin)(pin)(pin))乘(cheng)以生(sheng)產線的條(tiao)數(倍(bei)(bei)頻(pin)(pin)(pin)(pin))了(le)。

2.CPU的進出口速度——前端總線頻率

前(qian)端總線(xian)(xian)(xian)是CPU與(yu)主(zhu)板北(bei)橋芯(xin)片之間連接的(de)(de)通(tong)道,而“前(qian)端總線(xian)(xian)(xian)頻率”(FSB)就(jiu)是該通(tong)道“運輸數據的(de)(de)速(su)度(du)(du)”。如果將CPU看做一(yi)臺(tai)安裝在房間中的(de)(de)大(da)型機器的(de)(de)話,“前(qian)端總線(xian)(xian)(xian)”就(jiu)是這個房間的(de)(de)“大(da)門”。機器的(de)(de)生產能力再強,如果“大(da)門”很窄(zhai)或者(zhe)物體流(liu)通(tong)速(su)度(du)(du)比較慢的(de)(de) 話,CPU就(jiu)不得不處(chu)于一(yi)種“吃(chi)不飽(bao)”的(de)(de)狀態(圖5)。

圖(tu)5 “前端總線”圖(tu)釋

早(zao)期(qi)(qi)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)是(shi)(shi)與CPU的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)同步的(de)(de)(de)(de)(de)。隨著CPU工作能(neng)力的(de)(de)(de)(de)(de)加強(主頻(pin)越來(lai)越高),原來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)那種(zhong)低頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)已(yi)經滿足不了(le)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)要(yao),于是(shi)(shi)人們開始在(zai)(zai)“前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)”上做起(qi)了(le)文章——在(zai)(zai)不提高系統總(zong)線(xian)(xian)(xian)基準(zhun)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)體下(xia),將前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)單個時鐘(zhong)周期(qi)(qi)能(neng)夠傳輸(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)據個數(shu)以(yi)“倍數(shu)”增加。以(yi)當前(qian)(qian)(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)Pentium 4系列CPU為例,Intel為它設計(ji)了(le)一個名為“Quad-pumped”的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian),其實質就是(shi)(shi)該前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)在(zai)(zai)一個時鐘(zhong)周期(qi)(qi)內,可(ke)以(yi)傳輸(shu)4倍的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)據。早(zao)期(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)Pentium 4的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)都是(shi)(shi)100MHz,而由于采(cai)用了(le)“Quad-pumped”技(ji)術,這類(lei)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)便成了(le)“100MHz×4=400MHz”。如今,Pentium 4的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)總(zong)線(xian)(xian)(xian)已(yi)經達到了(le)800MHz,但其實際的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)頻(pin)是(shi)(shi)200MHz。

在認識了(le)這(zhe)幾個(ge)參數(shu)之(zhi)后,你應該明白“外(wai)頻(pin)≠前(qian)端總線頻(pin)率(lv)(FSB)”了(le)吧。 3.CPU對(dui)電(dian)(dian)源的(de)(de)要求(qiu)——工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya) 工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)是(shi)指CPU核心正常工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)所需的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。早期(qi)CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)一般為5V,目(mu)前(qian)Pentium 4 CPU的(de)(de)核心工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)僅為1.5V左(zuo)右(you)。提高CPU的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可以提高CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv),但(dan)是(shi)過(guo)高的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)帶來CPU發熱(re)、甚至(zhi)CPU燒壞的(de)(de)問(wen)題(ti)。而降低CPU電(dian)(dian)壓(ya)(ya)不會(hui)(hui)對(dui)CPU造(zao)成(cheng)(cheng)物(wu)理損壞,但(dan)是(shi)會(hui)(hui)影(ying)響CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)的(de)(de)穩定性。因為降低工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)會(hui)(hui)使CPU信號變弱,造(zao)成(cheng)(cheng)運算混亂。為了(le)降低CPU電(dian)(dian)壓(ya)(ya)、減小CPU發熱(re),適應更高的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv),CPU工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)有逐步下降的(de)(de)趨勢。

4.CPU的內部高速周轉倉庫——緩存

隨著CPU主頻的(de)(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao),它的(de)(de)處(chu)理速(su)(su)度(du)也越來越快,其它設備根本趕不(bu)上CPU的(de)(de)速(su)(su)度(du),沒辦法及時(shi)將需要處(chu)理的(de)(de)數(shu)據(ju)交給CPU。于是(shi),高(gao)速(su)(su)緩(huan)存便出現在CPU上,當(dang)CPU在處(chu)理數(shu)據(ju)時(shi),高(gao)速(su)(su)緩(huan)存就用(yong)(yong)來存儲一(yi)些常用(yong)(yong)或(huo)即將用(yong)(yong)到的(de)(de)數(shu)據(ju)或(huo)指令,當(dang)CPU需要這些數(shu)據(ju)或(huo)指令的(de)(de)時(shi)候直接從高(gao)速(su)(su)緩(huan)存中(zhong)讀(du)取(qu),而(er)不(bu)用(yong)(yong)再到內(nei)存甚至硬盤中(zhong)去讀(du)取(qu),如此一(yi)來可以(yi)大(da)幅度(du)提(ti)升CPU的(de)(de)處(chu)理速(su)(su)度(du)。

緩存又分為幾個級別:

L1 Cache(一級緩存):

它采用與CPU相(xiang)同的半導體工藝,制(zhi)作在CPU內部,容量不是很大(da),與CPU同頻(pin)運(yun)行,無需通過(guo)外部總線來交換數據,所以大(da)大(da)節(jie)省了存取時間。

L2 Cache(二級緩存(cun)):CPU在讀(du)取數據時,尋找(zhao)順序依(yi)次(ci)是L1→L2→內存(cun)→外存(cun)儲器。L2 Cache的容(rong)量(liang)十(shi)分靈活,容(rong)量(liang)越(yue)大(da),CPU檔次(ci)越(yue)高。

L3 Cache(三(san)級緩存(cun)):還可以(yi)在主板(ban)上(shang)或者CPU上(shang)再外置(zhi)的大容(rong)量(liang)緩存(cun),被稱為三(san)級緩存(cun)。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制造(zao)工(gong)藝(yi),也(ye)稱(cheng)為(wei)“制程寬度(du)”。是在制作CPU核心(xin)時,核心(xin)上(shang)(shang)最基本的(de)功能單元(yuan)CMOS電路(lu)的(de)寬度(du)。在CPU的(de)制造(zao)工(gong)藝(yi)中,一般都(dou)是用微米(mi)(mi)來衡量加(jia)工(gong)精度(du)。從(cong)上(shang)(shang)世紀(ji)70年代早期(qi)的(de)10微米(mi)(mi)線寬一直到目前采用的(de)0.13微米(mi)(mi)線寬,CPU的(de)制造(zao)工(gong)藝(yi)都(dou)在不斷地進步。制作工(gong)藝(yi)的(de)提高,意味(wei)著CPU的(de)體積將更(geng)小(xiao),集成度(du)更(geng)高,耗電更(geng)少(shao)。

圖6 CPU封裝技術的變遷

封裝是指安裝CPU集成電路芯(xin)片(pian)(pian)用(yong)的(de)外殼。封裝不僅起著安放、固定、密封、保(bao)護芯(xin)片(pian)(pian)和(he)增強(qiang)散(san)熱功能的(de)作用(yong),而且還(huan)是溝通芯(xin)片(pian)(pian)內部與(yu)外部電路的(de)橋梁。芯(xin)片(pian)(pian)的(de)封裝技術已經歷(li)了(le)好幾代的(de)變遷,從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA,技術指標一代比一代先進(圖6、7)。目前封裝技術適用(yong)的(de)芯(xin)片(pian)(pian)頻率越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)高,散(san)熱性(xing)能越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)好,引腳(jiao)數增多(duo),引腳(jiao)間距減小(xiao),重量減小(xiao),可靠性(xing)也越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)高。

圖7 FC-PGA(反轉針柵陣(zhen)列)封裝形式(shi))

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的(de)(de)性能(neng)可以(yi)用(yong)工作(zuo)頻率(lv)來表現,而CPU的(de)(de)強(qiang)大功能(neng)則依賴(lai)于指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)系統(tong)。新一代CPU產品中(zhong),或多或少都需要增加新指(zhi)(zhi)令(ling)(ling),以(yi)增強(qiang)CPU系統(tong)功能(neng)。指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)系統(tong)決定了(le)一個CPU能(neng)夠運行什么樣的(de)(de)程(cheng)序(xu),因此,一般來說,指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)越(yue)多,CPU功能(neng)越(yue)強(qiang)大。目前主(zhu)流(liu)的(de)(de)CPU指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)集(ji)有Intel的(de)(de)MMX、SSE、SSE2及(ji)AMD的(de)(de)3D Now擴展指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)集(ji)。

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CPU的介紹,很好。謝謝
網友 (60.188.*.*)  01-20 19:47
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