CPU知识全面讲解

CPU知识全面讲解CPU，全称“CentralProcessingUnit”，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。下面笔者将给大家介绍CPU里最重要的基础知识，让大家对CPU有新的认识。1、CPU的最重要基础：CPU架构CPU架构：采用Nehalem架构的Corei7/i5处理器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（Pentium4/PentiumD系列）、Core（Core2系列）、Nehalem（Corei7/i5/i3系列），以及AMD的K8（Athlon64系列）、K10（Phenom系列）、K10.5（AthlonII/PhenomII系列）。Intel以Tick-Tock钟摆模式更新CPU自2006年发布Core2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SandyBridge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：更新制作工艺，使同一面积的晶圆可切割出更多CPU芯片我们常说的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：2003年AMD发布第一款X86的64位CPU，开创民用64位先河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。64位CPU的优势，需要64位操作系统和64软件支持目前所有主流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盒装会标出主频、缓存等重要参数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PhenomIIX4965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：目前最强CPU拥有4个物理核心、8个逻辑核心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Corei7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：拥有三级缓存（L3Cache）的CPU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热设计功以前的盒装CPU标有TDP热设计功耗TDP的是“ThermalDesignPower”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PhenomIIX4965，其TDP达到了140W，而主流级的AthlonIIX2250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：通过CPU-Z等工具可查看CPU支持的指令集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。多媒体指令需要软件支持才能体现它的优势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，AMDCPU支持的SSE4A和IntelCPU支持的SSE4是不完全相同的，可以这样简单理解：AMDSSE4A是IntelSSE4的简化版，主要是精简了为IntelCPU优化的部分。虚拟化技术：Windows7中安装XP模式，需要CPU的虚拟化技术支持CPU的虚拟化技术（VirtualizationTechnolegy，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Windows7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Windows7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：CPU节能技术，空闲时自动降低频率随着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“EnhanceIntelSpeedStepTechnology”，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。节能技术需要在BIOS开启无论是Intel还是AMD的节能技术，均需要在BIOS开启才有效，找到类似EIST（IntelCPU）或C'n'Q（AMDCPU）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IntelCPU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：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Pentium4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。Corei7/i5/i3再次引入超线程技术，使四核的Corei7可同时处理八个线程操作，而双核的Corei5600、Corei3也可同时处理四线程操作，大幅增强它们多线程性能。超线程技术使Corei7四核CPU拥有八个逻辑内核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Pentium4的第一代HT，Corei7/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Corei7/i5/i3开启HT后，多任务性能提升20-30%。TurboBoost，睿频加速技术：TurboBoost，睿频加速技术TurboBoost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。单核渲染时，TurboBoost使主频从2.93G提升到3.2G举个简单的例子，如果某个游戏或软件只用到一个核心，TurboBoost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，TurboBoost是自动完成，也不会改变CPU的最大功耗。反观Core2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Corei7/i5支持睿频加速技术，有消息指AMD今年发布的PhenomIIX6六核也会引入类似技术。