电脑硬件入门知识全解之一CPU篇.docx
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电脑硬件入门知识全解之一CPU篇
电脑硬件入门知识全解之一:
CPU篇!
2010-01-1200:
57电脑硬件入门知识全解之一:
CPU篇!
由于内容很全,篇幅较大。
根据不同同学对于不同硬件知识的需要,还有原帖中的一些知识比较老了,我做了一定的修改编辑,以后还会定期编辑,希望大家看起来更加方便。
里面的知识都是比较实际的,可以说是初学者的超级福音!
老玩家们的进阶天堂。
如果能慢慢地把它看完,大家的硬件知识肯定能有很大的提高。
硬件不仅仅是高手们的专利,新手们也是很有必要了解的(象我自己得到的知识就很多)。
希望所有同学的硬件知识都能"富"起来,希望大家能接收。
总索引是CPU,内存,显卡,主板,大家不要被篇幅吓了而不看啊,呵呵,里边东西很实在的说,看看吧。
一,CPU篇
顺序为主频,外频,倍频,CPU流水线,缓存,前端总线,核心类型,工艺,CPU技术,超线程,前端总线,零碎的CPU知识~~~
一CPU主频:
这是一个最受新手关注的指标,指的就是CPU内核工作的时钟频率(CPUClockSpeed)。
通常所说的某款CPU是多少兆赫兹的,而这个多少兆赫兹就是"CPU的主频"。
在学校经常听见一些人问,XXX网吧的CPU2.66G!
XXX网吧的才2G,有人用2.66G的赛扬与2.0G-2.66G的P4比,这是无知的表现,和他们争是无意义的:
)。
主频虽与CPU速度有关系,但确对不是绝对的正比关系,因为CPU的运算速度还要看CPU流水线(流水线下面介绍)的各方面性能指标(缓存、指令集,CPU位数等)。
因此主频不代表CPU的整体性能,但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。
主频的计算公式为:
主频=外频*倍频。
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二:
外频:
外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率,单位是MHz(兆赫兹)。
在早期的电脑中,内存与主板之间的同步运行的速度等于外频,在这种方式下,可以理解为CPU外频直接与内存相连通,实现两者间的同步运行状态。
对于目前的计算机系统来说,两者完全可以不相同,但是外频的意义仍然存在,计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上,乘以一定的倍数来实现,这个倍数可以是大于1的,也可以是小于1的。
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三:
倍频咯:
倍频
CPU的倍频,全称是倍频系数。
CPU的核心工作频率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。
理论上倍频是从1.5一直到无限的,但需要注意的是,倍频是以以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。
原先并没有倍频概念,CPU的主频和系统总线的速度是一样的,但CPU的速度越来越快,倍频技术也就应允而生。
它可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无限提升。
那么CPU主频的计算方式变为:
主频===外频x倍频。
也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数,当外频不变时,提高倍频,CPU主频也就越高。
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主频因素说完了,现在让我们来看看别的影响CPU速度的"东西"请允许我称他为东西,说功能现行
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四:
流水线:
这东西学地理的应该懂,高一下册地理书有说,他相当于一个公程的一部分一部分,我自己打个比喻!
比如:
就拿跑步和走路来说,就分为2级流水线,即左脚,再右脚,再一直循环下去,一级的话就可以说成是双脚一起跳,这样效率当然低,对吧。
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这就是生活的流水线,当你左脚走出去之后,如果发现前面有一堆大便,只好重来了(设一次一定走2步)这就是流水线级别上去之后跟随的错误一出来CPU就要重新计算。
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也许我说得不太明白,下面引用别人的话来说,转自网友"毛笔小新"
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在制造CPU的过程中,除了硬件设计之外,还有逻辑设计,流水线设计就属于逻辑设计范畴,举个例子来讲,比如说一家汽车工厂,在生产汽车的过程中采用了四个大组分别来完成四个生产步骤:
1组生产汽车底盘,二组给底盘上装引擎,三组给汽车装外壳及轮胎,四组做喷漆,装玻璃及其他,这就叫做一条四级的流水线.(现在的大型汽车生产厂也的确是按照类似流水线来提高生产效率的).假设每个步骤需要1小时,那么如果我们让1大组在做完1辆车的底盘后马上开始生产下一辆的底盘,二大组在做完一辆车的引擎后立刻投入下一辆车引擎的组装,以次类推三,四组的工作也如此,这样一来,每一小时就会有一辆奔驰或宝马被生产出来,这就相当于是CPU的指令排序执行.但如果我们还想提升工厂的生产效率,又该怎么办呢?
那么我们就可以将上述的每个大组在分成2个小组,形成一条8级的生产流水线,这样就形成每个小组(注意是"小组")只需要半小时就可以完成自己的工作,那么相应的每半小时就会有一辆汽车走下生产线,这样就提高了效率(这里不太好理解,请大家仔细想想就会明白).
根据这个道理,CPU的流水线也就不难理解了,只不过是把生产汽车变成了执行程序指令而已,原理上是相通的。
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那么这里可以想到,如果再把流水线加长,是不是效率还可以提高呢?
当人们把这个想法运用到CPU设计中时才发现,由于采用流水线来安排指令,所以非常不灵活,一旦某一级的指令执行出错的话,整条流水线就会停止下来,再一极一级地去找出错误,然后把整条流水线清空,重新载入指令,这样一来,会浪费很多时间,执行效率反而十分低下,为了解决这个问题,科学家们又采用了各种预测技术来提高指令执行的正确率,希望在保持长流水线的同时尽量避免发生清空流水线的悲剧,这就是经常看到的Intel的广告"该处理器采用了先进的分支预测技术....",当你明白了上面我所讲的后,你就知道了吹得那么玄乎,其实也就不过如此.
还有不得不说的就是:
长流水线会让CPU轻易达到很高的运行频率,但在这2G,3G的频率中又有多少是真正有效的工作频率呢?
而且级数越多,所累计出来的延迟越长,因为工作小组在交接工作时是会产生信号延迟的,虽然每个延迟很短,但20甚至30级的流水线所累计出来的延迟是不可忽视的,这样就形成了一个很好笑的局面,流水线技术为处理器提升了频率,但又因为自身的缺陷产生了很大的效率空白,将优势抵消掉,高频率的CPU还会带来高功耗和高发热量,所以说流水线并非越长越好
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近年来Intel的奔四处理器经过了三个阶段的发展,最早的奔四采用的是(威廉)核心,该核心只有13级的流水线,普遍频率未上2G,速度一般,第二代的奔四采用的(northwoog北木)核心,这个核心有20级流水线,由于流水线级数比较合适,所以大副提升了奔四的速度,但又未影响执行效率,当时的奔四2.4A是一款经典产品,将AMD的速龙XP系列一直压制住,Intel因此尝到了甜头,很快就推出了Prescott(普雷斯科特)核心,这个长达31级流水线的新核心将奔四带入了近3G的速度,这个数字是AMD可望而不可及的,但人们很快发现新奔四的实际运行效率还不如老核心奔四,然尔频率却那么高,发热和功耗那么大,Intel凭借这块新核心"光荣"地获得了"高频低能"的美名,这个时候AMD适时推出了"速龙64"系列,全新的架构,20级的流水线,不高的发热与功耗,最重要的是低频高效,一举击败了新奔四,获得了很高的评价,Intel也吞下了自己造的苦果:
被迫停止了4G奔四的开发,失去了不少的市场份额,连总裁贝瑞特也在IDF05上给大众下跪以求原谅.=============================================
CPU缓存:
CPU缓存(CacheMemory)位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量比内存小但交换速度快。
在缓存中的数据是内存中的一小部分,但这一小部分是短时间内CPU即将访问的,当CPU调用大量数据时,就可避开内存直接从缓存中调用,从而加快读取速度。
由此可见,在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统了。
缓存对CPU的性能影响很大,主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。
缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时,首先从缓存中查找,如果找到就立即读取并送给CPU处理;如果没有找到,就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入缓存中,可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调用内存。
正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高(大多数CPU可达90%左右),也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓存中,只有大约10%需要从内存读取。
这大大节省了CPU直接读取内存的时间,也使CPU读取数据时基本无需等待。
总的来说,CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。
最早先的CPU缓存是个整体的,而且容量很低,英特尔公司从Pentium时代开始把缓存进行了分类。
当时集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求,而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量。
因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存,此时就把CPU内核集成的缓存称为一级缓存,而外部的称为二级缓存。
一级缓存中还分数据缓存(DataCache,D-Cache)和指令缓存(InstructionCache,I-Cache)。
二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令,而且两者可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。
英特尔公司在推出Pentium4处理器时,用新增的一种一级追踪缓存替代指令缓存,容量为12KμOps,表示能存储12K条微指令。
随着CPU制造工艺的发展,二级缓存也能轻易的集成在CPU内核中,容量也在逐年提升。
现在再用集成在CPU内部与否来定义一、二级缓存,已不确切。
而且随着二级缓存被集成入CPU内核中,以往二级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变,此时其以相同于主频的速度工作,可以为CPU提供更高的传输速度。
二级缓存是CPU性能表现的关键之一,在CPU核心不变化的情况下,增加二级缓存容量能使性能大幅度提高。
而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二级缓存上有差异,由此可见二级缓存对于CPU的重要性。
CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中,当缓存中没有CPU所需的数据时(这时称为未命中),CPU才访问内存。
从理论上讲,在一颗拥有二级缓存的CPU中,读取一级缓存的命中率为80%。
也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%,剩下的20%从二级缓存中读取。
由于不能准确预测将要执行的数据,读取二级缓存的命中率也在80%左右(从二级缓存读到有用的数据占总数据的16%)。
那么还有的数据就不得不从内存调用,但这已经是一个相当小的比例了。
目前的较高端的CPU中,还会带有三级缓存,它是为读取二级缓存后未命中的数据设计的-种缓存,在拥有三级缓存的CPU中,只有约5%的数据需要从内存中调用,这进一步提高了CPU的效率。
为了保证CPU访问时有较高的命中率,缓存中的内容应该按一定的算法替换。
一种较常用的算法是"最近最少使用算法"(LRU算法),它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。
因此需要为每行设置一个计数器,LRU算法是把命中行的计数器清零,其他各行计数器加1。
当需要替换时淘汰
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