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CPU篇
Athlon是由美国超微(AMD)公司生产的一个CPU系列,主要面向桌面电脑消费市场,中文名为速龙处理器】
【CPU篇】
CPU又称中央处理器,英文全称CentralProcessingUnit,它是一块超大规模集成电路芯片,内部是几千万个到数十亿个晶体管元件组成的十分复杂的电路,其中包括运算器、寄存器、控制器和总线(包括数据、控制、地址总线)等。
它通过指令来进行运算和控制系统,它是整个系统的核心元件。
现在使用最多的CPU有Intel和AMD(AdvanceMicroDevices,Inc.)。
最初的是16位处理器,从386开始到了32位处理器,而且后来的32位处理器能够运行在16位处理器上运行的程序指令,就统称为x86系列处理器。
现在桌面上已经开始普遍使用64位(x64)处理器了。
一、CPU基础知识
1、CPU核心简介
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Pentium4的Northwood,Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50以及最新酷睿2的Conroe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、0.09um以及最新的65nm、45nm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Socket370,SocketA,Socket478,SocketT,Slot1,Socket940,SocketAM2,LGA775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Pentium41.8AGHz就要比Willamette核心的Pentium41.8GHz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Socket423接口的Pentium4的实际性能不如Socket370接口的Tualatin核心的PentiumIII和赛扬,现在的低频Prescott核心Pentium4的实际性能不如同频的Northwood核心Pentium4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。
目前市面上的英特尔酷睿2和AMD羿龙(Phenom)甚至最新的英特尔Corei7都是非常优秀的CPU。
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
2、CPU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;而将在单位时间(如1秒)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(包括脉冲信号)在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称;频率的标准计量单位是Hz(赫)。
电脑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。
频率在数学表达式中用“f”表示,其相应的单位有:
Hz(赫)、KHz(千赫)、MHz(兆赫)、GHz(吉赫)。
其中1GHz=1000MHz,1MHz=1000kHz,1KHz=1000Hz。
计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是:
s(秒)、ms(毫秒)、μs(微秒)、ns(纳秒),其中:
1s=1000ms,1ms=1000μs,1μs=1000ns。
CPU的主频,即CPU内核工作的时钟频率(CPUClockSpeed)。
通常所说的某某CPU是多少兆赫的,而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。
很多人认为CPU的主频就是其运行速度,其实不然。
CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度,与CPU实际的运算能力并没有直接关系。
主频和实际的运算速度存在一定的关系,但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系,因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标(缓存、指令集,CPU的位数等等)。
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。
比如以往AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能以较低的主频,达到英特尔公司的Pentium4系列CPU较高主频的CPU性能,所以AthlonXP系列CPU才以PR值的方式来命名。
因此主频仅是CPU性能表现的一个方面,而不代表CPU的整体性能。
如今的CPU(如酷睿2)工艺先进,运算流水线短,其主频的高低在一定意义上又可以体现CPU性能的高低。
不过现在Intel和AMD如今的命名方式都不以主频来命名,因此主频可以作为购买CPU的参考指数之一。
CPU的主频不代表CPU的速度,但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。
举个例子来说,假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令,那么当CPU运行在1GHz主频时,将比它运行在500MHz主频时速度快一倍。
因为1GHz的时钟周期比500MHz的时钟周期占用时间减少了一半,也就是工作在1GHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为1ns比工作在500MHz主频时的2ns缩短了一半,自然运算速度也就快了一倍。
只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度,还与其它各分系统的运行情况有关,只有在提高主频的同时,各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后,电脑整体的运行速度才能真正得到提高。
提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。
由于CPU是在半导体硅片上制造的,在硅片上的元件之间需要导线进行联接,由于在高频状态下要求导线越细越短越好,这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。
因此制造工艺的限制,是CPU主频发展的最大障碍之一。
如今CPU制造工艺已经达到了45nm(如英特尔酷睿2系列),并且向更先进的制造工艺迈进。
3、CPU外频
外频是CPU的基准频率,单位也是MHz。
CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
在台式机中,我们所说的超频,都是超CPU的外频(当然一般情况下,CPU的倍频都是被锁住的)相信这点是很好理解的。
但对于服务器CPU来讲,超频是绝对不允许的。
前面说到CPU决定着主板的运行速度,两者是同步运行的,如果把服务器CPU超频了,改变了外频,会产生异步运行,(台式机很多主板都支持异步运行)这样会造成整个服务器系统的不稳定。
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。
外频与前端总线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Pentium4出现之前和刚出现Pentium4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(QuadDateRate)技术(4倍并发),或者其他类似的技术实现。
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。
在外频仍然是133MHz的时候,前端总线的速度增加4倍变成了133X4=533MHz,当外频升到200MHz,前端总线变成800MHz。
又如现在的酷睿2E7200外频为266MHz,前端总线为266MHzX4=1066MHz。
4、CPU前端总线
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FrontSideBus,通常用FSB表示,是将CPU连接到北桥芯片的总线。
选购主板和CPU时,要注意两者搭配问题,一般来说,如果CPU不超频,那么前端总线是由CPU决定的,如果主板不支持CPU所需要的前端总线,系统就无法工作。
也就是说,需要主板和CPU都支持某个前端总线,系统才能工作,只不过一个CPU默认的前端总线是唯一的,因此看一个系统的前端总线主要看CPU就可以。
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。
如今PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz等几种,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。
显然同等条件下,前端总线越快,系统性能越好。
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Pentium4出现之前和刚出现Pentium4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(QuadDateRate)技术,或者其他类似的技术实现这个目的。
这些技术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。
此外,在前端总线中比较特殊的是AMD的HyperTransport。
5、CPU缓存(Cache)
缓存大小是CPU的重要指标之一,而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大,CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运作,工作效率远远大于系统内存和硬盘。
实际工作时,CPU往往需要重复读取同样的数据块,而缓存容量的增大,可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率,而不用再到内存或者硬盘上寻找,以此提高系统性能。
但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑,缓存往往比较小。
L1Cache(一级高速缓存)是CPU第一层高速缓存,分为数据缓存和指令缓存。
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。
一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32—256KB。
L2Cache(二级高速缓存)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容量一般都在的是256KB以上,而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达更高。
而酷睿2双核处理器则采用共享二级缓存的方式,如E7200的共享二级缓存为3MB。
L3Cache(三级高速缓存),分为两种,早期的是外置,现在的都是内置的。
而它的实际作用即是,L3缓存的应用可以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。
降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。
而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。
比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效,故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。
具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。
三级缓存往往在高级甚至顶级CPU上才能看到。
其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上,当时的L3缓存受限于制造工艺,并没有被集成进芯片内部,而是集成在主板上。
在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。
后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。
接着就是P4EE和至强MP。
IntelItanium2处理器采用9MB以上的L3缓存。
但基本上L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要,比方配备1MBL3缓存的XeonMP处理器却仍然不是Opteron的对手,而前端总线的增加,要比缓存增加带来更有效的性能提升。
6、CPU类型
“CPU适用类型”是指该处理器所适用的应用类型,针对不同用户的不同需求、不同应用范围,CPU被设计成各不相同的类型,即分为嵌入式和通用式、微控制式。
嵌入式CPU主要用于运行面向特定领域的专用程序,配备轻量级操作系统,其应用极其广泛,像移动电话、DVD、机顶盒等都是使用嵌入式CPU。
微控制式CPU主要用于汽车空调、自动机械等自控设备领域。
而通用式CPU追求高性能,主要用于高性能个人计算机系统(即PC台式机)、服务器(工作站)以及笔记本三种。
台式机的CPU,就是平常大部分场合所提到的应用于PC的CPU,平常所说Intel的奔腾4、赛扬、AMD的AthlonXP等等都属于此类CPU。
应用于服务器和工作站上的CPU,因其针对的应用范围,所以此类CPU在稳定性、处理速度、同时处理任务的数量等方面的要求都要高于单机CPU。
其中服务器(工作站)CPU的高可靠性是普通CPU所无法比拟的,因为大多数的服务器都要满足每天24小时、每周7天的满负荷工作要求。
由于服务器(工作站)数据处理量很大,需要采用多CPU并行处理结构,即一台服务器中安装2、4、8等多个CPU,需要注意的是,并行结构需要的CPU必须为偶数个。
对于服务器而言,多处理器可用于数据库处理等高负荷高速度应用;而对于工作站,多处理器系统则可以用于三维图形制作和动画文件编码等单处理器无法实现的高处理速度应用。
另外许多CPU的新技术都是率先开发应用于服务器(工作站)CPU中。
在最早期的CPU设计中并没有单独的笔记本CPU,均采用与台式机的CPU,后来随着笔记本电脑的散热和体积成为发展的瓶颈时,才逐渐生产出笔记本专用CPU。
受笔记本内部空间、散热和电池容量的限制,笔记本CPU在外观尺寸、功耗(耗电量)方面都有很高的要求。
笔记本电池性能是十分重要的性能,CPU的功耗大小对电池使用时间有着最直接的影响,所以为了降低功耗笔记本处理器中都包含有一些节能技术。
在无线网络将要获得更多应用的现在,笔记本CPU还增加了一些定制的针对无线通信的功能。
服务器CPU和笔记本CPU都包含有各自独特的专有技术,都是为了更好的在各自的工作条件下发挥出更好的性能。
比如服务器的多CPU并行处理,以及多核多线程技术;笔记本CPU的SpeedStep(可自动调整工作频率及电压)节能技术。
封装方式三者也有不同之处,笔记本CPU是三者中最小最薄的一种,因为笔记本处理器的体积需要更小,耐高温的性能要更佳,因此在制造工艺上要求也就更高。
三者在稳定性中以服务器CPU最强,因为其设计时就要求有极低的错误率,部分产品甚至要求全年满负荷工作,故障时间不能超过5分钟。
台式机CPU工作电压和功耗都高于笔记本CPU,通常台式机CPU的测试温度上限为75摄氏度,超过75摄氏度,工作就会不稳定,甚至出现问题;;而笔记本CPU的测试温度上限为100摄氏度;服务器CPU需要长时间的稳定工作,在散热方面的要求就更高了。
在选购整机尤其是有特定功能的计算机(如笔记本、服务器等)时,需要注意CPU的适用类型,选用不适合的CPU类型,一方面会影响整机的系统性能,另一方面会加大计算机的维护成本。
单独选购CPU时候也要注意CPU的适用类型,建议按照具体应用的需求来购买CPU。
二、CPU的发展演变
风风雨雨十二年——CPU发展全程回顾
对于高速发展的IT产业来说,尤其是CPU,根据摩尔定律,十二年的时间可以发生翻天覆地的变化,还记得当初的PentiumMMX166、AMDK6和Cyrix6x86等产品吗?
十二年前的你在什么地方,处于什么职位?
十二年前关注DIY市场的你是否会想到,十二年后的CPU会是多核心发展,频率也从200MHz,提升到3000MHz呢?
下面我们一起来回顾,重温这十二年CPU的变化……
十二年前,1997年,那是一个美好的时代,镜头一下子转到上个世纪末,回想起笔者当时刚上初中,难免有些感慨,时间真是过得太快了!
想当年,每逢节假日,就约同学三五知己,到电脑室(那就是网吧的前身,只提供局域网联机游戏,那时的网络也只属于少数用户)激战《红色警戒》、《毁灭公爵》,到后来的《帝国时代》、《星际争霸》,从玩电脑游戏到关注电脑硬件,现在不少DIY电脑高手就从那时开始的。
●1997年关键词:
PentiumMMX;PentiumII;AMD-K6;仙剑奇侠传
电脑在那时还是奢侈品,并不是所有普通老百姓能够体验得到的。
还记得那时电脑的盗版光盘卖30元一张,那时卖盗版的肯定都发达了吧,呵呵……
PentiumMMXCPU,宣布多媒体电脑时代的来临
CPU方面,那时CPU是百家争鸣,有Intel的Pentium,AMD的K6,Cyrix6x86,还有新力军WinchipC6。
其中性能最强的当数Intel的PentiumMMX,MMX多媒体扩展指令集技术的诞生使得当时CPU处理多媒体信息的能力大幅提升,幅度达到60%以上。
MMX技术开创了CPU开发的新纪元,之后的SSE等多媒体指令仍可看到其身影。
但整机的价格却让普通人无法接受,万元级别的配置也只能算中档多媒体机。
第1页:
8086开创历史苏联间谍秘密盗版
不管你是否愿意相信,Intel性能强劲的Corei7处理器的内部“基因”三十多年来基本没有发生什么变化。
如果你选择的是AMD最强大的PhenomIIX4处理器的话,情况也是一样。
那么这个“基因”到底是什么呢?
其实大家都知道,那就是我们经常提到的x86处理器架构,它统治了当前几乎所有的桌面电脑以及笔记本电脑市场,从其出生的那一天开始一直到现在,甚至是遥远的未来,x86的地位都会保持不变。
由Intel于1978年推出的x86架构至今已有31个年头了,基于该架构的处理器除了在速度上越来越快以来,也在通过每次新款处理器的推出,不断扩展新的指令集。
也许你现在的年龄甚至还要小于x86架构,因此对于其发展历史还不是很了解。
在今天的这篇文章里,我们将会和大家一起对x86的发展历史进行一次总结,你将会看到一系列经典的X86处理器。
当然,如果你没有看到曾经最为心仪的处理器也不要难过,请一定要留言告诉我们。
Intel8086
虽然我们不能说Intel创造了处理器,但是确实是Intel推出了x86处理器。
即使在三十多年后的今天,x86与其出生的时候相比基本架构还是保持不变的。
在1978年,Intel创造出了8086,这款处理器的频率只有4.77MHz,不过后来推出的产品将频率提升至了10MHz。
8086只拥有29,000个晶体管,不过这个数量与1976年推出的8085相比仍然多出了近4倍,8085是Intel公司推出的首款16-bit处理器产品。
8086能够向下兼容为之前推出的8008,8080和8085处理器所编写的软件,并且拥有1M的内存寻址功能。
推出日期:
1978
核心频率:
4.77MHz-10MHz
你知道吗?
你知道前苏联曾经通过工业间谍复制生产了8086处理器,在其基础上推出了不同针脚定义的K1810BM86处理器吗?
Intel286
8086和之后推出的8088处理器在70年代未和80年代初可以说是光彩照人,不过之后Intel在1982年推出了让全世界激动不已的80286,也就是我们俗称的286,这款基于1.5微米工艺的处理器拥有将近134,000个晶体管,以及16MB内存寻址能力。
首款286处理器的频率只有6MHz,不过很快就提升了一倍。
如果以频率进行对比,286的性能是8086的2倍,两代处理器之间如此之大的性能差距在此后推出的处理器中再也没有出现过。
在当时286几乎就是IBMPC的同名词,推出6年之后,Intel估计全球约有1500万台PC基于286处理器。
在推出286的同时,Intel引入了一个名为“protectedmode”(保护模式)的功能,这个可以控制多少内存可以被访问。
通过这个功能,可以保证16M内存都可以被访问,但是由于没有方法让286从这个模式下切换回“realmode”(实模式),因此这个功能没有广泛使用。
推出日期:
1982
核心频率:
6MHz-12.5MHz
你知道吗?
比尔.盖茨曾经称286为“死脑子芯片”,因为该处理器不能够在windows环境下运行多个MS-DOS程序。
AMDAm286
最近Intel和AMD在x86专利授权上闹得有些不愉快,关于两家公司的x86专利问题,我们需要一起回到1982年去了解情况。
就是在那一年,AMD获得了允许可以生产和销售8086和8088处理器。
而就在第二年,AMD推出了Am286处理器,Intel286纯粹的复制品。
两款处理器针脚数都是一样的,所不同的就是Am286处理器的频率要高一些,达到了20MHz。
从某个角度来看,Am286的推出可以被视作两家公司在20多年前展开的第一场竞争。
推出日期:
1983
核心频率:
8MHz-20MHz
你知道吗?
与Intel286一样,Am286也是使用的1500nm(1.5微米)的生产工艺。
第3页:
386迈入32位486晶体管突破100万
Intel386
当PC游戏开始流
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