CPU基础知识

CPU

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）有不同的适用类型，分为嵌入式和通用式、微控制式。嵌入式CPU配备轻量级操作系统，主要用于运行面向特定领域的专用程序，像移动电话、DVD、机顶盒等都是使用嵌入式CPU的，其应用极其广泛。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，主要用于个人计算机（PC台式机）、服务器/工作站以及笔记本三类设备。

CPU的工作流程可比拟为工厂的生产过程：进入工厂的原料（指令），经过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出成品（处理后的数据）后，被存储在仓库（存储器）中，最后等着发往市场去销售（交由应用程序使用）。这就是一条指令处理流水线的工序。

CPU主要由运算器（包括算术逻辑单元、累加器、寄存器组、路径转换器、数据总线等）和控制器（包括计数器、指令寄存器、指令解码器、状态寄存器、时钟发生器、微操作信号发生器等）组成。运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算操作；控制器主要负责对程序所执行的指令进行分析，并协调计算机各部件进行工作。算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）的字长决定了CPU 的位数，它的设计是处理器设计中的关键部分。

外围特征

封装

封装就是将集成电路（Integrated Circuit，IC）用绝缘的塑料或陶瓷材料打包，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，封装后的芯片也更便于安装和运输。实际看到的CPU的体积和外观，并不是真正的CPU内核的大小和面貌，而是CPU内核等元件经过封装后的产品。封装技术的好坏直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印制电路板的设计和制造。

封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。

对于很多IC产品而言，封装技术是非常关键的一环。由于现在处理器芯片的频率越来越高，功能越来越强，引脚数越来越多，封装的外形也不断在改变。

Socket

CPU需要通过某个接口与主板连接才能进行工作，目前CPU的接口都是针脚式接口。对应到主板上，就有相应的插槽类型。每种类型的CPU，在针脚、主频、工作电压、接口类型、封装等方面都有差异，尤其在速度性能上差异很大。只有购买与主板支持CPU类型相同的CPU，二者才能配套工作。

Socket 939型CPU插槽

电压

CPU的工作电压（Supply Voltage）即CPU正常工作所需的电压，分为核心电压与I/O电压。核心电压即驱动CPU核心芯片的电压，I/O电压则指驱动I/O电路的电压。通常CPU的核心电压，小于或等于I/O电压。

早期（286～486时代）CPU的核心电压与I/O一致，通常为5V。近年来，各种CPU的工作电压有逐步下降的趋势，目前台式机用CPU的核心电压，通常为2V以内，笔记本专用CPU的工作电压相对更低，降低了CPU 发热量，从而达到大幅减少功耗的目的。

工作指标

主频

电子技术中，脉冲信号的时间间隔称为周期，将单位时间（如1s）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，标准计量单位是Hz（赫兹）。相应单位还有kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）等。其中，1GHz＝1000MHz，1MHz＝1000kHz，1KHz＝1000Hz。系统时钟是一个典型的频率相当精确稳定的脉冲信号发生器。

CPU的主频即CPU内核的时钟频率（CPU Clock Speed），表示在CPU 内数字脉冲信号震荡的速率，与实际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，但目前还没有一个明确的公式能够定量描述，因为CPU 的运算速度还要看CPU的流水线各方面指标，如缓存、指令集、CPU位数等。由于主频并不直接代表运算速度，所以很可能出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。因此，在提高主频的同时，只有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，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。

主频虽不代表CPU的速度，但提高主频对于提高运算速度却至关重要。假设某CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz 主频时，核心运算速度将比它运行在50MHz主频时快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是执行一条运算指令，工作在100MHz主频所需时间为10ns，比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半。

CPU工作主频的提高主要受生产工艺的限制。CPU是在半导体硅片上制造的，硅片上的元件之间需要导线进行联接，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的运算正确。

外频

早期电脑的CPU与主板之间同步运行的速率等于外频（也是内存与主板之间的同步运行的速率，在这种状态下可以理解为CPU的外频直接与内存连通）。对于目前的计算机系统，两者完全可以不相同。计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘以一个系数来实现，它可以大于1，也可以小于1。

外频现在可以说是北桥芯片和内存等之间数据传输的频率。由于北桥芯片是主板的核心，它的对外传输频率即是系统频率，与外界沟通的总线即是系统总线。由此可见外频与系统时钟频率和外围设备工作频率密切相关。

在486之前，CPU的主频一般都等于外频。486出现后，CPU工作频率不断提高，而PC其他的某些设备受到工艺的限制不能承受更高的频率，限制了CPU频率的进一步提高，因此出现了倍频技术。该技术能够使CPU内部工作频率变为外部频率的倍数。倍频技术使外部设备可以工作在一个较低频率上。主频＝外频×倍频。倍频以0.5为一个间隔单位，理论上，倍频是从1.5直到无穷的。

基本技术要素

前端总线频率

前端总线（Front Side Bus，FSB）是连接CPU和北桥芯片的总线。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，它的数据传输能力对计算机整体性能影响很大。前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，实质性地表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频更多地影响了PCI及其他总线的频率。在很长一段时间里，前端总线运行频率与外频是相同的。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。采用QDR（Quad Data Rate）技术可使得前端总线的频率成为外频的4倍。