死寂2完整版:CPU的内部结构与工作原理

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CPU的内部结构与工作原理 (2006-12-31 00:27:14)
CPU的内部结构与工作原理
分类:主板
CPU是Central Processing Unit—中央处理器的缩写，它由运算器和控制器组成，CPU的内部结构可分为控制单元，逻辑单元和存储单元三大部分。
CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程：进入工厂的原料(指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储器)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。
二、CPU的相关技术参数
1.主频
主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。CPU的主频＝外频×倍频。很多人以为认为CPU的主频指的是CPU运行的速度，实际上这个认识是很片面的。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力是没有直接关系的。
当然，主频和实际的运算速度是有关的，但是目前还没有一个确定的公式能够实现两者之间的数值关系，而且CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。因此主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。
2.外频
外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。外频是CPU与主板之间同步运行的速度，而且目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度，在这种方式下，可以理解为CPU的外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。外频与前端总线(FSB)频率很容易被混为一谈，下面的前端总线介绍我们谈谈两者的区别。
3.前端总线(FSB)频率
前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。由于数据传输最大取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽＝(总线频率×数据带宽)/8。
外频与前端总线(FSB)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外频特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。
4.倍频系数
倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高倍频而得到高主频的CPU就会出现明显的"瓶颈"效应—CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。
5.缓存
缓存是指可以进行高速数据交换的，它先于内存与CPU交换数据，因此速度很快。L1　Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存。内置的L1高速缓存的和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般L1缓存的容量通常在32—256KB.
L2　Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达1MB-3MB。
6.CPU扩展指令集
CPU扩展指令集指的是CPU增加的多媒体或者是3D处理指令，这些扩展指令可以提高CPU处理多媒体和3D图形的能力。著名的有MMX(多媒体扩展指令)、SSE(因特网数据流单指令扩展)和3DNow!指令集。
7.CPU内核和I/O工作电压
从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.6~3V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。
8.制造工艺
指在硅材料上生产CPU时内部各元器材的连接线宽度，一般用微米表示。微米值越小制作工艺越先进，CPU可以达到的频率越高，集成的晶体管就可以更多。目前Intel的P4和AMD的XP都已经达到了0.13微米的制造工艺，明年将达到0.09微米的制作工艺。
下图是用WCPUID测试CPU得出的关于某款CPU的各种参数。我们可以看到这款CPU的信息：

第一部分为的类型，其中Processor(处理器)为AMD Athlon XP CPU；Platform(封裝)是Scoket 462插脚；Vendor String(厂商)为AMD；Family、Model、Stepping ID组成系列号，可以用来识别CPU的型号；Name String(名称)为AMD的Athlon系列CPU。
第二部分为处理器的频率参数。其中Internal Clock即CPU的主频，可以看到这款CPU的主频为2079.54MHz,即2.0G；System Bus即前端总线，这款为332.73，并非标准的前端总线，因此是超了外频的CPU；System Clock即外频，即为166.36MHz，是超了外频的CPU； Multiplier即倍频，这款CPU的倍频为12.5。
第三部分为处理器的缓存情况。L1 I-Cache：L1 I-缓存，这款CPU为64k；L1 D-Cache：L1 D-缓存，同样为64K；L2 Cache：L2 缓存，这款CPU的L2 缓存达到256K；L2 Speed：L2 速度，和CPU的主频一样。
第四部分为处理器所支持的多媒体扩展指令集，可以看到这款CPU所支持的指令集有MMX、MMX+、SSE、3DNOW！、3DNOW！+，但是不支持SSE2指令。
9.指令集
(1)X86指令集
要知道什么是指令集还要从当今的X86架构的CPU说起。X86指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的，IBM1981年推出的世界第一台PC机中的CPU—i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令，同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加了X87芯片，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。
虽然随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集，所以它的CPU仍属于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，所以就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。
(2)RISC指令集
RISC指令集是以后高性能CPU的发展方向。它与传统的CISC(复杂指令集)相对。相比而言，RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高很多了。而且RISC指令集还兼容原来的X86指令集。
10.字长
电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。当前的CPU都是32位的CPU，但是字长的最佳是CPU发展的一个趋势。AMD未来将推出64位的CPU-Atlon64。未来必然是64位CPU的天下。
11.IA-32、IA-64架构
IA是Intel Architecture(英特尔体系结构)的英语缩写，IA-32或IA-64是指符合英特尔结构字长为32或64位的CPU，其他公司所生产的与Intel产品相兼容的CPU也包括在这一范畴。当前市场上所有的X86系列CPU仍属IA-32架构。AMD即将推出Athlon64是IA-64架构的CPU。
12.流水线与超流水线
流水线(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。
超流水线(superpiplined)是指某型CPU内部的流水线超过通常的5—6步以上，例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步(级)越长，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。但是流水线过长也带来了一定副作用，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象，Intel的奔腾4就出现了这种情况，虽然它的主频可以高达1.4G以上，但其运算性能却远远比不上AMD 1.2G的速龙甚至奔腾III。
13.封装形式
CPU封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装，而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈，目前CPU封装技术的发展方向以节约成本为主.
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