CPU芯片基礎(chǔ)知識 CPU芯片工作原理 CPU芯片參數(shù)介紹

CPU是“Central Processing Unit”的英語縮寫，中文意思是“中央處理器”，有時(shí)我們也簡稱它為“處理器”或是“微處理器”。它是整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算、控制中心，也就是計(jì)算機(jī)的“大腦”。首先就讓買購網(wǎng)小編來帶大家看看什么是CPU。

一、打望CPU

CPU外形看上去非常簡單：它是一個矩形片狀物體，中間凸起的一片指甲大小的、薄薄的硅晶片部分是CPU核心，英文稱之為“die”。在這塊小小的硅片上，密布著數(shù)以千萬計(jì)的晶體管，它們相互配合協(xié)調(diào)，完成著各種復(fù)雜的運(yùn)算和操作（圖1）。CPU主要分為Intel和AMD兩類，圖1是AMD生產(chǎn)的CPU，我們將在下期細(xì)細(xì)講述它們之間的區(qū)別。

圖1 CPU正面俯視圖

CPU的核心工作強(qiáng)度很大，發(fā)熱量也大。而且CPU的核心非常脆弱，為了核心的安全，同時(shí)為了幫助核心散熱，于是現(xiàn)在的CPU一般在其核心上加裝一個金屬蓋，此金屬蓋不僅可以避免核心受到意外傷害，同時(shí)也增加了核心的散熱面積（圖2）。

圖2 加裝了金屬蓋的CPU

金屬封裝殼周圍是CPU基板，它將CPU內(nèi)部的信號引到CPU引腳上。基板的背面有許 多密密麻麻的鍍金的引腳，它是CPU與外部電路連接的通道，同時(shí)也起著固定CPU的作用（圖3）。

圖3 CPU背面的金屬針角

由于CPU的核心發(fā)熱量比較大，為了保護(hù)核心的安全，如今的CPU都得加裝一個CPU散熱器。散熱器通常由一個大大的合金散熱片和一個散熱風(fēng)扇組成，用來將CPU核心產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)掉（圖4）。

圖4 P4 CPU散熱器

CPU的工作原理：CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制、邏輯、存儲三大部分。如果將CPU比作一臺機(jī)器的話，其工作原理大致是這樣的：首先是CPU將“原料”（程序發(fā)出的指令）經(jīng)過“物質(zhì)分配單位”（控制單元）進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，然后送到“加工車床”（邏輯運(yùn)算單元）進(jìn)行加工，最后將加工出來的“產(chǎn)品”（處理后的數(shù)據(jù)）存儲到“倉庫”（存儲器）中，以后“銷售部門”（應(yīng)用程序）就可到“倉庫”中按需提貨了。

二、透透徹徹看參數(shù)

見識了CPU的廬山真面目之后，我們也該跟它好好交流一番才行了，因?yàn)橐嬲笍氐亓私釩PU，就必須知道CPU的一些基礎(chǔ)參數(shù)的含義。

1.體現(xiàn)CPU工作能力的主頻、外頻、倍頻

（1）CPU的整體工作速度——主頻

主頻就是CPU的時(shí)鐘頻率，也就是CPU運(yùn)算時(shí)的工作頻率。我們平常經(jīng)常掛在嘴邊的“奔騰4 XXX MHz”講的就是CPU的主頻。

（2）生產(chǎn)線與生產(chǎn)線的條數(shù)——外頻與倍頻

與主頻相關(guān)的還有“外頻”與“倍頻”這兩個概念，“外頻”是系統(tǒng)總線的工作頻率，而“倍頻”則是外頻與主頻相差的倍數(shù)，主頻=外頻×倍頻。我們可以把外頻看做CPU這臺“機(jī)器”內(nèi)部的一條生產(chǎn)線，而倍頻則是生產(chǎn)線的條數(shù)，一臺機(jī)器生產(chǎn)速度的快慢（主頻）自然就是生產(chǎn)線的速度（外頻）乘以生產(chǎn)線的條數(shù)（倍頻）了。

2.CPU的進(jìn)出口速度——前端總線頻率

前端總線是CPU與主板北橋芯片之間連接的通道，而“前端總線頻率”（FSB）就是該通道“運(yùn)輸數(shù)據(jù)的速度”。如果將CPU看做一臺安裝在房間中的大型機(jī)器的話，“前端總線”就是這個房間的“大門”。機(jī)器的生產(chǎn)能力再強(qiáng)，如果“大門”很窄或者物體流通速度比較慢的 話，CPU就不得不處于一種“吃不飽”的狀態(tài)（圖5）。

圖5 “前端總線”圖釋

早期CPU的前端總線頻率是與CPU的外頻同步的。隨著CPU工作能力的加強(qiáng)（主頻越來越高），原來的那種低頻率前端總線已經(jīng)滿足不了CPU的需要，于是人們開始在“前端總線頻率”上做起了文章——在不提高系統(tǒng)總線基準(zhǔn)頻率的前體下，將前端總線單個時(shí)鐘周期能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)以“倍數(shù)”增加。以當(dāng)前的Pentium 4系列CPU為例，Intel為它設(shè)計(jì)了一個名為“Quad-pumped”的前端總線，其實(shí)質(zhì)就是該前端總線在一個時(shí)鐘周期內(nèi)，可以傳輸4倍的數(shù)據(jù)。早期的Pentium 4的外頻都是100MHz，而由于采用了“Quad-pumped”技術(shù)，這類CPU的前端總線頻率便成了“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的前端總線已經(jīng)達(dá)到了800MHz，但其實(shí)際的外頻是200MHz。

在認(rèn)識了這幾個參數(shù)之后，你應(yīng)該明白“外頻≠前端總線頻率（FSB）”了吧。 3.CPU對電源的要求——工作電壓 工作電壓是指CPU核心正常工作所需的電壓。早期CPU的工作電壓一般為5V，目前Pentium 4 CPU的核心工作電壓僅為1.5V左右。提高CPU的工作電壓可以提高CPU工作頻率，但是過高的工作電壓會帶來CPU發(fā)熱、甚至CPU燒壞的問題。而降低CPU電壓不會對CPU造成物理損壞，但是會影響CPU工作的穩(wěn)定性。因?yàn)榻档凸ぷ麟妷簳笴PU信號變?nèi)?，造成運(yùn)算混亂。為了降低CPU電壓、減小CPU發(fā)熱，適應(yīng)更高的工作頻率，CPU工作電壓有逐步下降的趨勢。

4.CPU的內(nèi)部高速周轉(zhuǎn)倉庫——緩存

隨著CPU主頻的不斷提高，它的處理速度也越來越快，其它設(shè)備根本趕不上CPU的速度，沒辦法及時(shí)將需要處理的數(shù)據(jù)交給CPU。于是，高速緩存便出現(xiàn)在CPU上，當(dāng)CPU在處理數(shù)據(jù)時(shí)，高速緩存就用來存儲一些常用或即將用到的數(shù)據(jù)或指令，當(dāng)CPU需要這些數(shù)據(jù)或指令的時(shí)候直接從高速緩存中讀取，而不用再到內(nèi)存甚至硬盤中去讀取，如此一來可以大幅度提升CPU的處理速度。

緩存又分為幾個級別：

L1 Cache（一級緩存）：

它采用與CPU相同的半導(dǎo)體工藝，制作在CPU內(nèi)部，容量不是很大，與CPU同頻運(yùn)行，無需通過外部總線來交換數(shù)據(jù)，所以大大節(jié)省了存取時(shí)間。

L2 Cache（二級緩存）：CPU在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，尋找順序依次是L1→L2→內(nèi)存→外存儲器。L2 Cache的容量十分靈活，容量越大，CPU檔次越高。

L3 Cache（三級緩存）：還可以在主板上或者CPU上再外置的大容量緩存，被稱為三級緩存。

5.CPU的制造工藝、封裝方式

制造工藝，也稱為“制程寬度”。是在制作CPU核心時(shí)，核心上最基本的功能單元CMOS電路的寬度。在CPU的制造工藝中，一般都是用微米來衡量加工精度。從上世紀(jì)70年代早期的10微米線寬一直到目前采用的0.13微米線寬，CPU的制造工藝都在不斷地進(jìn)步。制作工藝的提高，意味著CPU的體積將更小，集成度更高，耗電更少。

圖6 CPU封裝技術(shù)的變遷

封裝是指安裝CPU集成電路芯片用的外殼。封裝不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)散熱功能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部與外部電路的橋梁。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)（圖6、7）。目前封裝技術(shù)適用的芯片頻率越來越高，散熱性能越來越好，引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性也越來越高。

圖7 FC-PGA（反轉(zhuǎn)針柵陣列）封裝形式）

6.CPU的思想靈魂——指令集

CPU的性能可以用工作頻率來表現(xiàn)，而CPU的強(qiáng)大功能則依賴于指令系統(tǒng)。新一代CPU產(chǎn)品中，或多或少都需要增加新指令，以增強(qiáng)CPU系統(tǒng)功能。指令系統(tǒng)決定了一個CPU能夠運(yùn)行什么樣的程序，因此，一般來說，指令越多，CPU功能越強(qiáng)大。目前主流的CPU指令集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now擴(kuò)展指令集。