处理器

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 03:44:05
处理器主频
主频也叫时钟频率,单位是MHz,用来表示CPU的运算速度。CPU的工作频率(主频)包括两部分:外频与倍频,两者的乘积就是主频。倍频的全称为倍频系数。CPU的主频与外频之间存在着一个比值关系,这个比值就是倍频系数,简称倍频。倍频可以从1.5一直到23以至更高,以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频,所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升。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。
处理器核心
核心(Die)又称为内核,是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心,是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的,CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构,一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。
为了便于CPU设计、生产、销售的管理,CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号,这也就是所谓的CPU核心类型。
不同的CPU(不同系列或同一系列)都会有不同的核心类型(例如Pentium 4的Northwood,Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等等),甚至同一种核心都会有不同版本的类型(例如Northwood核心就分为B0和C1等版本),核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误,并提升一定的性能,而这些变化普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺(例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等)、核心面积(这是决定CPU成本的关键因素,成本与核心面积基本上成正比)、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集(这两点是决定CPU实际性能和工作效率的关键因素)、功耗和发热量的大小、封装方式(例如S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等等)、接口类型(例如Socket 370,Socket A,Socket 478,Socket T,Slot 1、Socket 940等等)、前端总线频率(FSB)等等。因此,核心类型在某种程度上决定了CPU的工作性能。
一般说来,新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能(例如同频的Northwood核心Pentium 4 1.8A GHz就要比Willamette核心的Pentium  4 1.8GHz性能要高),但这也不是绝对的,这种情况一般发生在新核心类型刚推出时,由于技术不完善或新的架构和制造工艺不成熟等原因,可能会导致新的核心类型的性能反而还不如老的核心类型的性能。例如,早期Willamette核心Socket 423接口的Pentium 4的实际性能不如Socket 370接口的Tualatin核心的Pentium III和赛扬,现在的低频Prescott核心Pentium 4的实际性能不如同频的Northwood核心Pentium 4等等,但随着技术的进步以及CPU制造商对新核心的不断改进和完善,新核心的中后期产品的性能必然会超越老核心产品。
CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积(这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU的销售价格)、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能(例如集成内存控制器等等)以及双核心和多核心(也就是1个CPU内部有2个或更多个核心)等。CPU核心的进步对普通消费者而言,最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。
在CPU漫长的历史中伴随着纷繁复杂的CPU核心类型,以下分别就Intel CPU和AMD CPU的主流核心类型作一个简介。主流核心类型介绍(仅限于台式机CPU,不包括笔记本CPU和服务器/工作站CPU,而且不包括比较老的核心类型)。
处理器缓存
缓存是指可以进行高速数据交换的存储器,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高速缓存的容量和结构对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20~256KB。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。早期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,现在的主流产品中二级缓存已经都是全速的。L2高速缓存容量直接影响CPU的性能,原则是越大越好,现在主流CPU的L2高速缓存最大的是2048KB,如Pentium 6XXCPU。
处理器运算位数
CPU的位宽对CPU性能的影响绝不亚于主频。位宽是指微处理器一次执行指令的数据带宽。处理器的寻址位宽增长很快,业界已使用过4、8、16位寻址再到目前主流的32位,而64位寻址浮点运算已经逐步成为CPU的主流产品。
受虚拟和实际内存尺寸的限制,目前主流的32位CPU在性能执行模式方面存在一个严重的缺陷:当面临大量的数据流时,32位的寄存器(注:为了处理数据,暂时储存结果,或者做间接寻址等等动作,每个处理器都具备一些内建的内存,这些能够在不延迟的状态下存取的内存就称为“寄存器”,每个寄存器的大小都相同)和指令集不能及时进行相应的处理运算。
32位CPU一次只能处理32位,也就是4个字节的数据;而64位CPU一次就能处理64位即8个字节的数据。如果我们将总长128位的指令分别按照16位、32位、64位为单位进行编辑的话:旧的16位CPU(如Intel 80286 CPU)需要8个指令,32位的CPU需要4个指令,而64位CPU则只要两个指令。显然,在工作频率相同的情况下,64位CPU的处理速度比16位、32位的更快。

位宽原理示意图
可以比较一下图中的32位与64位CPU,64位的代码流的数量没有改变,其宽度随着指令代码的宽度而变化;而数据流的宽度则增加了一倍。虽然理论上在一个时钟周期内64位系统处理的数据量是32位系统的两倍,但理论和现实通常都是有差距的。
要注意的是,CPU不只需要位宽够宽的寄存器,也需要足够数量的寄存器,以确保大量数据处理。因此为了容纳更多的数据,寄存器和内部数据通道也必须加倍,因此在64位CPU中的寄存器位数一般是32位CPU中的两倍。
不过,虽然寄存器位数增加了,但正在执行指令的指令寄存器却都是一样的,即数据流加倍而指令流不变。此外,增加数据位数还可以扩大动态范围。在通常使用的十进制中,只能得到最多10个整数(一位数情况下),这是因为0~9中只有10个不同的符号来表示相应的意思,想要表示10以上的数就需要增加一位数,两位数(00-99)才可以表示100个数。
可以得出十进制的动态范围的计算公式:DR=10n (n表示数字位数)。在二进制体系中,相应的我们可以得到公式:DR=2n,那么目前使用的32位就可以达到232=4.3×109,升级到64位之后,就可以达到264=1.8×1019。动态范围扩大了43亿倍。
提示:扩大动态范围可以在一定程度上提高寄存器中数据的准确性。比如,当使用32位系统处理气象模拟运算任务时,当处理的数据超过32位所能提供的最大动态范围时,系统就会出现诸如Overflow(超过了最大正整数)或Underflow(低于最小的负整数)的错误提示,这样寄存器中的数据就无法保证准确。
除了运算能力之外,与32位CPU相比,64位CPU的优势还体现在系统对内存的控制上。由于地址使用的是特殊的整数,而64位CPU的一个ALU(算术逻辑运算器)和寄存器可以处理更大的整数,也就是更大的地址。
传统32位CPU的寻址空间最大为4GB,使得很多需要大容量内存的大规模的数据处理程序在这时都会显得捉襟见肘,形成了运行效率的瓶颈。而64位的处理器在理论上则可以达到1800万个TB(1TB=1024GB),将能够彻底解决32位计算系统所遇到的瓶颈现象。
当然64位寻址空间也有一定的缺点:内存地址值随着位数的增加而变为原来的两倍,这样内存地址将在缓存中占用更多的空间,其他有用的数据就无法载入缓存,从而引起了整体性能一定程度的下降。
芯片组
芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分,如果说中央处理器(CPU)是整个电脑系统的心脏,那么芯片组将是整个身体的躯干。在电脑界称设计芯片组的厂家为Core Logic,Core的中文意义是核心或中心,光从字面的意义就足以看出其重要性。对于主板而言,芯片组几乎决定了这块主板的功能,进而影响到整个电脑系统性能的发挥,芯片组是主板的灵魂。芯片组性能的优劣,决定了主板性能的好坏与级别的高低。这是因为目前CPU的型号与种类繁多、功能特点不一,如果芯片组不能与CPU良好地协同工作,将严重地影响计算机的整体性能甚至不能正常工作。
主板芯片组几乎决定着主板的全部功能,其中CPU的类型、主板的系统总线频率,内存类型、容量和性能,显卡插槽规格是由芯片组中的北桥芯片决定的;而扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量(如USB2.0/1.1,IEEE1394,串口,并口,笔记本的VGA输出接口)等,是由芯片组的南桥决定的。还有些芯片组由于纳入了3D加速显示(集成显示芯片)、AC'97声音解码等功能,还决定着计算机系统的显示性能和音频播放性能等。
台式机芯片组要求有强大的性能,良好的兼容性,互换性和扩展性,对性价比要求也最高,并适度考虑用户在一定时间内的可升级性,扩展能力在三者中最高。在最早期的笔记本设计中并没有单独的笔记本芯片组,均采用与台式机相同的芯片组,随着技术的发展,笔记本专用CPU的出现,就有了与之配套的笔记本专用芯片组。笔记本芯片组要求较低的能耗,良好的稳定性,但综合性能和扩展能力在三者中却也是最低的。服务器/工作站芯片组的综合性能和稳定性在三者中最高,部分产品甚至要求全年满负荷工作,在支持的内存容量方面也是三者中最高,能支持高达十几GB甚至几十GB的内存容量,而且其对数据传输速度和数据安全性要求最高,所以其存储设备也多采用SCSI接口而非IDE接口,而且多采用RAID方式提高性能和保证数据的安全性。
到目前为止,能够生产芯片组的厂家有英特尔(美国)、VIA(中国台湾)、SiS(中国台湾)、ULI(中国台湾)、AMD(美国)、NVIDIA(美国)、ATI(加拿大)、ServerWorks(美国)、IBM(美国)、HP(美国)等为数不多的几家,其中以英特尔和NVIDIA以及VIA的芯片组最为常见。在台式机的英特尔平台上,英特尔自家的芯片组占有最大的市场份额,而且产品线齐全,高、中、低端以及整合型产品都有,其它的芯片组厂商VIA、SIS、ULI以及最新加入的ATI和NVIDIA几家加起来都只能占有比较小的市场份额,除NVIDIA之外的其它厂家主要是在中低端和整合领域,NVIDIA则只具有中、高端产品,缺乏低端产品,产品线都不完整。在AMD平台上,AMD自身通常是扮演一个开路先锋的角色,产品少,市场份额也很小,而VIA以前却占有AMD平台芯片组最大的市场份额,但现在却受到后起之秀NVIDIA的强劲挑战,后者凭借其nForce2、nForce3以及现在的nForce4系列芯片组的强大性能,成为AMD平台最优秀的芯片组产品,进而从VIA手里夺得了许多市场份额,目前已经成为AMD平台上市场占用率最大的芯片组厂商,而SIS与ULI依旧是扮演配角,主要也是在中、低端和整合领域。笔记本方面,英特尔平台具有绝对的优势,所以英特尔自家的笔记本芯片组也占据了最大的市场分额,其它厂家都只能扮演配角以及为市场份额极小的AMD平台设计产品。服务器/工作站方面,英特尔平台更是绝对的优势地位,英特尔自家的服务器/工作站芯片组产品占据着绝大多数的市场份额,但在基于英特尔架构的高端多路服务器领域方面,IBM和HP却具有绝对的优势,例如IBM的XA32以及HP的F8都是非常优秀的高端多路服务器芯片组产品,只不过都是只应用在本公司的服务器产品上而名声不是太大罢了;而AMD服务器/工作站平台由于市场份额较小,以前主要都是采用AMD自家的芯片组产品,现在也有部分开始采用NVIDIA的产品。值得注意的是,曾经在基于英特尔架构的服务器/工作站芯片组领域风光无限的ServerWorks在被Broadcom收购之后已经彻底退出了芯片组市场;而ULI也已经被NVIDIA收购,也极有可能退出芯片组市场。
芯片组的技术这几年来也是突飞猛进,从ISA、PCI、AGP到PCI-Express,从ATA到SATA,Ultra DMA技术,双通道内存技术,高速前端总线等等 ,每一次新技术的进步都带来电脑性能的提高。2004年,芯片组技术又会面临重大变革,最引人注目的就是PCI Express总线技术,它将取代PCI和AGP,极大的提高设备带宽,从而带来一场电脑技术的革命。另一方面,芯片组技术也在向着高整合性方向发展,例如AMD Athlon 64 CPU内部已经整合了内存控制器,这大大降低了芯片组厂家设计产品的难度,而且现在的芯片组产品已经整合了音频,网络,SATA,RAID等功能,大大降低了用户的成本。
前端总线频率
总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说,就是多个部件间的公共连线,用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多,前端总线的英文名字是Front Side Bus,通常用FSB表示,是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。
北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件,并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线(FSB)连接到北桥芯片,进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道,因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大,如果没足够快的前端总线,再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽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×数据位宽)÷8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种,最高到1066MHz。前端总线频率越大,代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大,更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快,运算速度提高很快,而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU,较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU,这样就限制了CPU性能得发挥,成为系统瓶颈。
外频与前端总线频率的区别:前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度,更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的,也就是说,100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次,它更多的影响了PCI及其他总线的频率。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆,主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时),前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线为外频,最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展,人们发现前端总线频率需要高于外频,因此采用了QDR(Quad Date Rate)技术,或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X,它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高,从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来,目前的主流产品均采用这些技术。