计算机CPU知识

溱湖居士

　　CPU，全称“Central Processing Unit”，中文名为“中央处理器”，在大多数网友的印象中，CPU只是一个方形配件，正面是金属盖，背面是一些密密麻麻的针脚或触点，可以说毫无美感可言。但在这个小块头的东西上，却是汇聚了无数的人类智慧在里面，我们今天能上网、工作、玩游戏等全都离不开这个小小的东西，它可谓是小块头有大智慧。
　　作为普通用户、网友，我们并不需要解读CPU里的所有“大智慧”，但CPU既然是电脑中最重要的配件、并且直接决定电脑的性能，了解它里面的部分知识还是有必要的。下面和大家分享一些CPU里最重要的基础知识。
1、CPU的最重要基础：CPU架构
CPU架构：
　　CPU架构，目前没有一个权威和准确的定义，简单来说就是CPU核心的设计方案。目前CPU大致可以分为X86、IA64、RISC等多种架构，而个人电脑上的CPU架构，其实都是基于X86架构设计的，称为X86下的微架构，常常被简称为CPU架构。
　　更新CPU架构能有效地提高CPU的执行效率，但也需要投入巨大的研发成本，因此CPU厂商一般每2-3年才更新一次架构。近几年比较著名的X86微架构有Intel的Netburst（Pentium 4/Pentium D系列）、Core（Core 2系列）、Nehalem（Core i7/i5/i3系列），以及AMD的K8（Athlon 64系列）、K10（Phenom系列）、K10.5（Athlon II/Phenom II系列）。
　　自2006年发布Core 2系列后，Intel便以“Tick-Tock”钟摆模式更新CPU，简单来说就是第一年改进CPU工艺，第二年更新CPU微架构，这样交替进行。目前Intel正进行“Tick”阶段，即改进CPU的制造工艺，如最新的Westmere架构其实就是Nehalem架构的工艺改进版，下一代Sandy Bridge架构将是全新架构。AMD方面则没有一个固定的更新架构周期，从K7到K8再到K10，大概是3-4年更新一次。

制造工艺：
　　我们常说的CPU制作工艺是指生产CPU的技术水平，改进制作工艺，就是通过缩短CPU内部电路与电路之间的距离，使同一面积的晶圆上可实现更多功能或更强性能。制作工艺以纳米（nm）为单位，目前CPU主流的制作工艺是45nm和32nm。对于普通用户来说，更先进的制作工艺能带来更低的功耗和更好的超频潜力。

32位与64位CPU：
　　32/64位指的是CPU位宽，更大的CPU位宽有两个好处：一次能处理更大范围的数据运算和支持更大容量的内存。对于前者，普通用户暂时没法体验到其优势，但对于后者，很多用户都碰到过，一般情况下32位CPU只支持4GB以内的内存，更大容量的内存无法在系统识别（服务器级除外）。于是就有了64位CPU，然后就有了64位操作系统与软件。
　　目前所有主流CPU均支持X86-64技术，但要发挥其64位优势，必须搭配64位操作系统和64位软件。遗憾的是目前主流的软件和游戏均是基于32位开发的，采用64位系统难免会有一些兼容性问题，而直接采用64位开发的风险较高，这也是64位在过去7年一直不能普及的原因，但未来64位一定会取代32位成为主流的。

2、决定CPU性能的参数：频率、核心数、缓存
　　除了CPU架构外，决定CPU性能的几个重要参数还有频率、核心数、线程数以及缓存。TDP热设计功耗也是网友关注的参数，下面将为大家介绍这几样参数。
主频、倍频、外频、超频：
CPU主频，就是CPU运算时的工作频率，在单核时代它是决定CPU性能的最重要指标，一般以MHz和GHz为单位，如Phenom II X4 965主频是3.4GHz。说到CPU主频，就不得不提外频和倍频，由于CPU发展速度远远超出内存、硬盘等配件的速度，于是便提出外频和倍频的概念，它们的关系是：主频=外频x倍频。而我们常说的超频，就是通过手动提高外频或倍频来提高主频。

核心数、线程数：
虽然提高频率能有效提高CPU性能，但受限于制作工艺等物理因素，早在2004年，提高频率便遇到了瓶颈，于是Intel/AMD只能另辟途径来提升CPU性能，双核、多核CPU便应运而生。目前主流CPU有双核、三核和四核，六核也将在今年发布。
　　其实增加核心数目就是为了增加线程数，因为操作系统是通过线程来执行任务的，一般情况下它们是1:1对应关系，也就是说四核CPU一般拥有四个线程。但Intel引入超线程技术后，使核心数与线程数形成1:2的关系，如四核Core i7支持八线程（或叫作八个逻辑核心），大幅提升了其多任务、多线程性能。关于超线程技术，后面将有详细介绍。

缓存：
　　缓存，Cache，它也是决定CPU性能的重要指标之一。为什么要引入缓存？在解释之前必须先了解程序的执行过程，首先从硬盘执行程序，存放到内存，再给CPU运算与执行。由于内存和硬盘的速度相比CPU实在慢太多了，每执行一个程序CPU都要等待内存和硬盘，引入缓存技术便是为了解决此矛盾，缓存与CPU速度一致，CPU从缓存读取数据比CPU在内存上读取快得多，从而提升系统性能。当然，由于CPU芯片面积和成本等原因，缓存都很小。目前主流级CPU都有一级和二级缓存，高端的甚至有三级缓存。

TDP热设计功耗：
　　TDP的是“Thermal Design Power”的简称，即“热设计功耗”，它指的是CPU达到负荷最大的时候释放出的热量，单位是瓦特，它主要是给散热器厂商的参考标准。高性能CPU同时也带来了高发热量，例如Phenom II X4 965，其TDP达到了140W，而主流级的Athlon II X2 250只有65W，对散热器的要求显然不同。
　　值得注意的是，CPU的TDP并不是CPU的实际功耗，CPU的实际功耗是通过初中学的物理知识来计算的：功率（P，单位W）＝电流（I，单位A）x 电压（U，单位V）。不要把TDP看成CPU的实际功耗，CPU的实际功耗必然小于TDP的。

3、提高工作效率：多媒体指令和虚拟化技术
多媒体指令集：
　　MMX、3DNOW!和SSE均是CPU的多媒体扩展指令集，它们对CPU的运算有加速作用，前提是需要软件支持。如果软件对CPU的多媒体指令集有优化，那么CPU的运算速度会有进一步提升。对于普通用户而言，目前用得最多的多媒体指令是SSE系列，现在已经发展到SSE4（分为SSE4.1和SSE4.2两个部分）了。
　　虽然多媒体指令的普及速度相对较慢，但随着时间的推移，支持新指令的软件和游戏会越来越多，例如现在大部分游戏和软件均需要SSE、甚至SSE2指令支持，否则是运行不了。值得一提的是，AMD CPU支持的SSE4A和Intel CPU支持的SSE4是不完全相同的，可以这样简单理解：AMD SSE4A是Intel SSE4的简化版，主要是精简了为Intel CPU优化的部分。

虚拟化技术：
　　CPU的虚拟化技术（Virtualization Technolegy，简称VT）就是单CPU模拟多CPU，并允许一个平台同时运行多个操作系统，而应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高工作效率。在Windows 7中安装XP模式就是一个很好的例子，当需要使用XP时直接调用，不需要重启切换系统，这点对于程序员来说是非常有用的。
　　虽然虚拟化可以通过软件实现，但是CPU硬件支持的话，执行效率会大大提升，也可以支持64位操作系统，其中Windows 7的XP模式则是必须要CPU的虚拟化技术支持。目前Intel/AMD绝大部分CPU都支持虚拟化技术，但对于普通用户而言，虚拟化技术没有实质作用。如果要用到虚拟化技术，需要先在BIOS开启该技术。

节能技术：
　　随着CPU的性能越来越强大，也带来了更高的功耗，为减少CPU在闲置时的能量浪费，Intel和AMD均不约而同地为CPU添加节能技术。Intel方面，采用的节能技术叫“Enhance Intel SpeedStep Technology”，简称EIST，虽然经过多次增强优化，但名字始终没变。而AMD的节能技术则是“Cool 'n' Quiet”，现在已经发展到3.0版。简单来说，它们均是在CPU空闲时自动降低CPU的主频，从而降低CPU功耗与发热量，达到节能目的。
　　无论是Intel还是AMD的节能技术，均需要在BIOS开启才有效，找到类似EIST（Intel CPU）或C'n'Q（AMD CPU）的选项进行开启即可。
4、两大特色技术：超线程和睿频加速
　　超线程技术和睿频加速技术可以说是Intel CPU两大特色技术，下面我们为大家介绍两种技术。
Hyper-Threading，超线程技术：
　　在前面我们已提到过超线程技术，本节我们将作详细介绍。超线程技术（Hyper-Threading，简称HT），最早出现在2002年的Pentium 4上，它是利用特殊的硬件指令，把单个物理核心模拟成两个核心（逻辑核心），让每个核心都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高CPU的运行效率。Core i7/i5/i3再次引入超线程技术，使四核的Core i7可同时处理八个线程操作，而双核的Core i5 600、Core i3也可同时处理四线程操作，大幅增强它们多线程性能。
　　超线程技术只需要消耗很小的核心面积代价，就可以在多任务的情况下提供显著的性能提升，比起完全再添加一个物理核心来说要划算得多。相比Pentium 4的第一代HT，Core i7/i5/i3的优势是有更大的缓存和更大的内存带宽，能更有效地发挥多线程的作用。根据评测结果显示，支持Core i7/i5/i3开启HT后，多任务性能提升20-30%。

Turbo Boost，睿频加速技术：
　　Turbo Boost是一种动态加速技术，基于Nehalem架构的电源管理技术，通过分析当前CPU的负载情况，智能地完全关闭一些用不上的核心，把能源留给正在使用的核心，并使它们运行在更高的频率，进一步提升性能；相反，需要多个核心时，动态开启相应的核心，智能调整频率。这样，在不影响CPU的TDP（热设计功耗）情况下，能把各核心的频率调得更高。
　　举个简单的例子，如果某个游戏或软件只用到一个核心，Turbo Boost技术就会自动关闭其他三个核心，把正在运行游戏或软件的那个核心的频率提高，从而获得最佳性能。但与超频不同，Turbo Boost是自动完成，也不会改变CPU的最大功耗。反观Core 2时代，即使是运行只支持的程序，其他核心仍会全速运行，得不到性能提升的同时，也造成了能源的浪费。目前只有Intel的Core i7/i5支持睿频加速技术，有消息指AMD今年发布的Phenom II X6六核也会引入类似技术。

　　总结：通过本次的CPU基础知识充电，相信大家对CPU又有了进一步的认识，但科技的发展可谓日新月异，尤其是CPU，必须时常充电、武装自己，才能走在科技的前面。

jxae

这文章稍微有点老了哇

溱湖居士

jxae 发表于 2011-7-25 23:26
这文章稍微有点老了哇

是有点老了

蓝雨风暴

老是老

知识不会老

入门的知识必须掌握-------

zxcbenny

好文！顶一个

萧刚

入门级的知识介绍，支持一下

安全爱好者山鹰

这文章我见过了 是太平洋上面的

sunsteed

学习下，路过

小丑鱼ZZW

看起来不错，先收藏起来了，谢谢楼主

KStephen

有时间GPU介绍一下啊