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计算机组成原理——CPU篇

ghosTM55 posted @ 2008年11月22日 05:12 in 计算机原理 , 6457 阅读

  近期会连续把目前在看的一本计算机原理的书上所摘录的笔记按照章节分篇发上来与大家共享,笔记会感觉有些凌乱,不过都是很重要的概念性质的东西。笔记会不断的更新,因为书上的东西不一定就是对的,有任何错误或曲解请各位朋友立即指出。

  废话不多说,CPU打头炮。

  中央处理器CPU(Central Processing Unit)是现代计算机的核心部件,又称为微处理器(Microprocessor)。CPU的各项指标都是用来衡量一台计算机性能好坏的分水岭。CPU可以按照品牌、接口、型号或标称频率、核心代号、处理器位数、核心数量等进行分类。

  摩尔定律:集成在单位面积上的晶体管数量每18个月翻一番。

  CPU发展简史:4位处理器(Intel 4004) -> 8位处理器(Intel 8008/8080/8085) -> 16位处理器(Intel 8086/8088/80286) -> 32位处理器(Intel 80386/80486) -> 64位处理器(AMD Athlon 64) -> 多核处理器(Intel Pentium D/AMD Athlon 64 X2),括好内的处理器系列或产品为代表作。

  CPU的基本工作原理:CPU由运算器和控制器组成,其内部结构分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,这三个部分互相协调便可以进行分析、判断、运算,并控制计算机各部件进行工作。CPU中的运算器主要完成各种算术运算(加、减、乘、除、取模等)和逻辑运算,而控制器负责读取、解析与执行各种指令。 CPU中还会有若干个寄存器(Register),它们可以用来直接参与运算并存放运算的中间结果。

  CPU的外部结构主要由核心与基板组成。CPU的核心工作强度和散热量都很大,而且很脆弱,所以为了核心的安全及其散热,现在的CPU核心都加装了一个金属盖。CPU基板就是承载CPU核心用的电路板,负责核心芯片和外界的数据传输,在基板的背面或者下沿有针脚或者卡式借口,它们是CPU与外部电路连接的通道,同时也起着固定CPU的作用。

  CPU的主要参数会标准在CPU的编码上,现在说一下CPU的各主要参数的概念:

  型号:CPU厂商会给属于同一个系列的CPU产品一个系列型号,型号是区分CPU性能的一个重要标识。

  核心类型:核心又称为内核,是CPU最重要的一部分,CPU中心那块隆起的芯片就是核心,由单晶硅以一定的生产工艺制造而成。为了便于CPU的设计、生产、销售以及管理,CPU制造商会针对各类CPU核心给出相应的代号,这就是核心类型。每一种核型类型都有其相应的制造工艺、核心面积、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集、功耗、发热量大小、封装方式、接口类型、前端总线频率等。

  主频:在电子技术中,脉冲信号是一个按一定电压幅度,一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期,将在单位时间内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称。计算机中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。频率的基本单位是赫(Hz)。

  CPU的主频也叫CPU核心工作的时钟频率(CPU Clock Speed),单位是MHz,GHz。CPU主频表示的是在CPU内数字脉冲信号振荡的频率,并不是其运算速度,所以主频与实际的运算能力并没有直接关系。主频与直接运算速度有一定的关系,但并没有直接的计算公式,因为影响运算速度的还有CPU流水线方面的性能数据。

  外频:CPU 的外频通常为系统总线的工作频率(系统时钟频率),单位是MHz,是由主板提供的系统总线的基准工作频率,是CPU与主板之间同步运行的时钟频率。实际运行过程中的主板系统总线频率、内存数据总线频率不但由CPU的频率决定,还受到主板和内存频率的限制。由于主板和内存的频率大大低于CPU的主频,因此为了能够与主板、内存的频率保持一致,就要降低CPU的频率,即无论CPU内部的主频有多高,数据一出CPU,都将降到与主板系统总线、内存数据总线相同的频率。

  倍频:CPU的倍频全称倍频系数。由于CPU主频不断提高,提高到其他设备无法承受的速度,因此出现了分频技术。分频技术就是通过主板的北桥芯片将CPU主频降低,使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU速度可以通过倍频来提升。倍频是CPU的运行频率与系统外频之间的倍数,也就是降低CPU主频的倍数。理论上倍频从1.5到无限,倍频是以0.5为一个间隔单位。倍频具有一下关系公式:CPU的主频=外频x倍频系数。

  在相同的外频下,倍频越高,CPU的主频也就越高。但实际上,在相同外频的前提下,高倍频的CPU意义并不大,因为CPU与系统之间数据传输的速度是有限的,于是就会造成CPU从系统中得到的数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。所谓“超频”就是通过提升外频或倍频系数来提高CPU实际运行频率。

  前端总线(Front Side Bus,FSB):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,用于各部件之间的信息传输。总线的种类有很多,前端总线是CPU与主板北桥芯片之间连接的通道,也称CPU总线。前端总线是PC系统中工作频率最快的总线,也是芯片组与主板的核心,主要由CPU用来与高速缓存、主存和北桥之间传送信息。所以,前端总线频率(FSB Clock)越大,代表着CPU与内存之间的数据传输量越大,CPU的工作效率越高。通常以MHz为单位来描述前端总线频率。在有些CPU中取消了前端总线,直接将内存控制器集成到了CPU内部,然后使用超线程(HyperTransport)技术来完成CPU与主板北桥芯片组之间的连接。

  需要注意的是,外频与前端总线频率是不同的,前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线传输速度,更实质性地表示了CPU与外界数据传输的速度。而外频是CPU与主板之间同步运行的速度,主要是对PCI及其他总线的影响。

  高速缓冲存储器(Cache):高速缓冲存储器简称高速缓存,它是一种速度比内存更快的存储器,其功能是减少CPU因等待内存所导致的延迟,以增强系统的数据处理性能。Cache在 CPU和内存之间起缓冲作用,可以减少等待数据传输时间。CPU在访问内存中的数据之前会先访问Cache,如果Cache中有CPU所需的数据,CPU 则不需要等待内存数据,直接从Cache中读取。因此,Cache技术直接关系到CPU的整体性能。然而,Cache并不是越大越好,还要视其内部的算法而定。Cache由静态RAM组成,结构较复杂。

  高速缓存一般分为一级缓存(L1 Cache)、二级缓存(L2 Cache)及三级缓存(L3 Cache)。一级缓存建立在CPU内部,与CPU同步工作,CPU工作时首先调用其中的数据。由于CPU核心面积不能太大,所以一级缓存的容量通常并不大,介于32~256KB之间。二级缓存是CPU的第二层高速缓存,分为内部和外部两种。内部二级缓存的运行速度与主频相同,而外部二级缓存的速度则为主频的一半。二级缓存的容量通常为512KB~6MB,其级别低于一级缓存,CPU在调用数据时会首先访问一级缓存,然后是二级缓存。为了进一步降低内存延迟,同时提升大数据量计算时处理器的性能,有些CPU内部集成了三级缓存。缓存的工作原理是:二级缓存作为一级缓存的备用空间,一级缓存存储着CPU当前使用频率最高的数据,而当空间不足时,一些使用频率较低的数据就会转移到二级缓存中去,之后如果有需要,二级缓存中使用频率较高的数据将会被放入一级缓存中,三级缓存的工作原理同样如此。

  x86指令集:x86 指令集是Intel公司为其第一块16位CPU i8086专门开发的指令集,同时为提高浮点数据处理能力而增加了x87处理器,以后就将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。由于Intel x86系列及其兼容CPU(例如AMD Athlon XP)都使用x86指令集,所以就形成了如今庞大的x86系列及其兼容CPU阵容。

  CPU扩展指令集:CPU 扩展指令集指的是CPU增加的多媒体或者3D处理指令。这些扩展指令可以提高CPU处理多媒体数据和3D图形的能力,有MMX(MultiMedia Extension,多媒体扩展)、SSE(Streaming SIMD Extension,单一指令多数据流扩展)、SSE2(在SSE的基础上新增了114条指令)、3DNow!、SSE3、SSE4指令集等。

  位宽:CPU一次能同时处理的二进制数的位数叫做位宽或字节。

  双核与多核(Dual/Multi Core):在一块CPU基板上集成两颗或两颗以上处理器核心,并通过并行总线将各处理器核心连接起来的处理器。

  工作电压:CPU核心正常工作所需的电压,它是根据CPU的制造工艺而定的。提高CPU工作电压可以提高其工作频率,但过高的电压将会使CPU过度发热,甚至烧毁。

  制造工艺:制造工艺也称为制程宽度或制程,是在制造CPU时核心中最基本的功能单元CMOS电路的宽度,一般用微米或纳米表示。电路连接线宽度值越小,制造工艺就越先进,单位面积内集成的晶体管就越多,CPU可以达到的频率就越高,体积越小。

  封装技术:封装是指将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷塑料打包的技术。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热的作用,封装后的芯片也便于安装和运输。

  节电技术:INTEL和AMD公司都推出了各自降低CPU功耗的技术,分别是EIST和C&Q技术。

txi@ghosTunix.org:~> date
Sat Oct 18 21:23:46 CST 2008


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