CPU知识全面讲解

CPU知识全面讲解

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Core i7/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（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）。

Intel以Tick-Tock钟摆模式更新CPU

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：

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：

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：

拥有三级缓存（L3 Cache）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“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：