菜鳥進階十一:徹底認識硬件之"CPU"篇

    [泡泡網(wǎng)菜鳥進階專欄 2009年7月31日]相信很多人看到今天這個標(biāo)題的命題，都會感到非常奇怪而且可笑！國內(nèi)知名IT媒體，竟然在這個計算機已經(jīng)非常發(fā)達、非常普及的年代，給讀者講述什么是CPU，簡直是一大笑話。嗯，確實如此，現(xiàn)在已經(jīng)不是談?wù)撌裁词荂PU的時候了，但是，對于真正的菜鳥來說，卻還有很大的意義。

    關(guān)注《泡泡網(wǎng)菜鳥進階專欄》的朋友應(yīng)該知道，之前筆者已經(jīng)推出了10篇關(guān)于菜鳥如何進階到高手的文章，讀者們的反應(yīng)也非常好，也使得我有一直將該專欄做下去的動力。但是，就在前幾天筆者收到了一封郵件，原文內(nèi)容是這樣的：

“邱編

    你好

    一個偶然的機會看到了你寫的菜鳥進階系列文章，很感興趣，也很感謝你給我們帶來這些很基礎(chǔ)的知識。但是你寫的絕大部分內(nèi)容我還是看不懂，雖然我使用電腦已經(jīng)有接近兩年的時間了，但對計算機里的硬件仍然是一竅不通，平時就會上上網(wǎng)，聊聊天，甚至連什么是CPU、主板等這些都不知道，我希望你能夠考慮一下我們這些真正的菜鳥，寫一些關(guān)于硬件知識普及的文章......

    非常感謝！”

    當(dāng)我看到這封郵件的時候，起初也覺得很可笑，本來打算隨便回復(fù)一下就算了，然而當(dāng)手放到鍵盤上時，卻不知道到底應(yīng)該怎樣去回復(fù)這一封郵件。我開始問自己：

CPU是什么？ 呃....中央處理器！

中央處理器是什么？.....計算機的大腦！

計算機的大腦是什么？呃...是CPU！

CPU用來干什么？......CPU用來運算!

運算什么？怎么運算？......

    就這樣，筆者被自己的問題問的陷入了一個死循環(huán)中。當(dāng)我們剛剛接觸電腦的時候，人們就說CPU是電腦中最重要的，就相當(dāng)于人的大腦，CPU的性能決定著電腦的速度......但是，卻沒有一個人真正意義上給我們解釋“什么是CPU”這個問題！

    那么，CPU到底是什么？CPU能做什么？CPU有什么類型？怎么看待一顆CPU的性能？顯卡又是什么？主板又是什么？內(nèi)存是什么.....在接下來的菜鳥進階系列文章中，筆者將不定時的為大家講述這些看起來最最基礎(chǔ)，但實際上很難解釋的硬件，讓我們從0開始，徹底認識計算機硬件吧！當(dāng)然，為了避免再次讓讀者對內(nèi)容上難以接受，本文就不涉及太深入的內(nèi)容。

    CPU，也就是英語Central Processing Unit，中文直譯為中央處理單元，也就是為什么要叫CPU為中央處理器的原因。

    簡單的說，CPU就是安裝在計算機主板上的那一顆最大芯片，一般來說CPU都可以從主板上自己手動拆下，當(dāng)然也可以手動安裝上。也就是說，CPU和主板乃至計算機里的其他配件是完全獨立的，一款CPU或許可以支持多款主板；反之，一款主板也可能支持多種規(guī)格的CPU。

    目前，PC（個人電腦）中的CPU基本上出自Intel或者AMD，這是目前全球最大的兩家CPU廠商，當(dāng)然還有其他一些廠商也有CPU產(chǎn)品，比如IBM、VIA（威盛）等。我們之前經(jīng)常聽到的奔幾的CPU，就是Intel的一個系列產(chǎn)品，目前Intel的CPU已經(jīng)完全進入酷睿時代。而AMD的CPU分為多個系列，比如速龍、閃龍、羿龍等。

    根據(jù)應(yīng)用的不同，CPU也可以按照應(yīng)用分成多種類別。比如，筆記本電腦上一般使用移動型CPU，具有低功耗的特點，不過性能比較一般；臺式電腦中所使用的CPU被稱為桌面級（Desktop）處理器，這些處理器產(chǎn)品價格低廉，性能很強勁，是廠商的必爭之地；另外還有用于服務(wù)器的CPU，這類產(chǎn)品主要針對服務(wù)器的使用環(huán)境進行優(yōu)化，可以連續(xù)長時間工作，并且支持多路并聯(lián)等特性，不過這些產(chǎn)品價格相對較高。

手機里的CPU芯片

    實際上，并不是只有電腦中才有CPU，可以說幾乎所有的電子設(shè)備成品都擁有一顆中央處理器，也就是CPU。包括手機、數(shù)碼相機、MP3、顯示器、路由器等等，都有一顆CPU；看到這里，相信大家也基本可以理解CPU的定義了。

    頻率是CPU最重要的參數(shù)之一，很多人都認為頻率直接跟CPU的運行速度有關(guān)，實際上這句話并不完全正確，AMD和Intel的同價位產(chǎn)品頻率基本上都不一樣，但性能卻差不多。酷睿2架構(gòu)的CPU，很多多只有不到2GHz的頻率，性能卻比頻率高達3GHz的P4處理器還要好。

    CPU的主頻（頻率）都是由CPU的外頻×倍頻系數(shù)而得來，CPU的外頻實際上是計算機中（也可以說是CPU中）的基本頻率。在早期的電腦中，CPU的主頻和CPU的外頻相等，在當(dāng)時基本上沒有倍頻這一說；后來，隨著CPU主頻的越來越高，而計算機中的其他設(shè)備顯然沒有辦法工作在這么高的頻率下，就出現(xiàn)了外頻與倍頻的技術(shù)。倍頻的作用就是讓計算機內(nèi)其他設(shè)備可以工作在較低的頻率下，而CPU的實際工作頻率可以通過倍頻來提升。

    很多人把外頻和FSB(Front Side Bus前端總線)頻率分不清，前端總線的速度指的是CPU和北橋芯片間總線的速度，更實質(zhì)性的表示了CPU和外界數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取６忸l的概念是建立在數(shù)字脈沖信號震蕩速度基礎(chǔ)之上的，也就是說，100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號在每秒鐘震蕩一萬萬次，它更多的影響了PCI及其他總線的頻率。之所以前端總線與外頻這兩個概念容易混淆，主要的原因是在以前的很長一段時間里（主要是在Pentium 4出現(xiàn)之前和剛出現(xiàn)Pentium 4時），前端總線頻率與外頻是相同的，因此往往直接稱前端總線為外頻，最終造成這樣的誤會。

    不過，現(xiàn)在Intel（Nehalem i7）和AMD的處理器都直接集成了內(nèi)存控制器，這樣CPU與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換不再通過北橋，前端總線頻率的說法已經(jīng)成為了歷史，比如目前Intel處理器與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換被稱為QPI。而AMD現(xiàn)在的相應(yīng)技術(shù)叫做HyperTransport 3.0。

    x86或80x86是英代爾Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱。Intel早期的CPU以數(shù)字命名，并以“86”作為結(jié)尾，比如Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構(gòu)被稱為“x86”。由于數(shù)字并不能作為注冊商標(biāo)，因此Intel及其競爭者均在新一代處理器使用可注冊的名稱，如Pentium。現(xiàn)時Intel把x86-32稱為IA-32，全名為“Intel Architecture, 32-bit”。不過，由于x86包括16位的處理器，這樣的命名也出現(xiàn)麻煩。

    簡單的說，x86是CPU的一種體系結(jié)構(gòu)，個人電腦中的CPU，全部都采用x86架構(gòu)，x86架構(gòu)的CPU采用CISC（復(fù)雜指令集計算機，Complex Instruction Set Computer）設(shè)計。除了x86架構(gòu)以外，Intel還有一個64Bit的架構(gòu)被稱為IA-64。

    有一些人認為x86就代表32Bit處理器，實際上這個是錯誤的說法。現(xiàn)在，個人電腦上用的64Bit處理器其實都采用了x86結(jié)構(gòu)，對64Bit的支持只是加入了擴展而已。這一方案是AMD于2003年首次在x86處理器上加入64Bit擴展指令集的，由于在x86處理器上加入64Bit擴展，不僅僅可以大幅度降低研發(fā)成本，而且可以保證最好的與32Bit程序兼容性，并且微軟也不想專門為原生的64Bit處理器單獨開發(fā)系統(tǒng)，所以AMD 64Bit處理器獲得了很大的成功，后來Intel也采用了類似的技術(shù)，叫做Intel 64，所以現(xiàn)在個人電腦中的64Bit處理器全部都是x86處理器擴展的產(chǎn)物；前面我們說的IA-64只有Intel的高端服務(wù)器產(chǎn)品安騰以及安騰2有采用。

用于路由器的ARM處理器

   還有一些人搞不清ARM處理器的含義。ARM處理器是一項廣泛被應(yīng)用于手持移動設(shè)備的處理器，比如手機、MP4、掌上游戲機、PDA等等，其最大的優(yōu)勢就是具有超低的功耗。ARM處理器采用的是精簡指令集RISC設(shè)計，從本質(zhì)上與x86處理器采用的CISC有區(qū)別，所以軟件方面是完全不兼容的。ARM處理器現(xiàn)在幾乎成為了手持移動設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)CPU。

    大家應(yīng)該經(jīng)常聽到“處理器緩存”這個詞，也聽話說過什么一級緩存二級緩存，可是緩存究竟是干什么用的，和內(nèi)存有什么區(qū)別，更大的緩存為什么能提高處理器的工作效率？

1、緩存是什么

    緩存的英文是CACHE，目前常見的緩存是片內(nèi)一級緩存和二級緩存，所謂“片內(nèi)”，也就是和CPU核心封裝在一塊晶圓里面。這么做的好處是可以大幅降低核心到緩存的延遲時間，獲得最高的傳輸效率，而壞處就是緩存必須使用于精密的CPU核心一樣的制造和封裝工藝，成本很高，而且增加的大量晶體管，會造成核心部分的功耗增加，散熱不良。也就是說，CPU片內(nèi)緩存不可能做的很大，即使是不計成本，也很難突破晶體管數(shù)量這個物理極限。CPU的緩存和我們平時見到的DRAM內(nèi)存不同，緩存是SRAM，存取速度方面的性能是天壤之別，目前市售最快的DRAM，也只是DDR2 800MHZ，而CPU的緩存，是和處理器的核心頻率同頻的。打個比方說，你使用的是P4 3.2G的處理器，那么你的處理器的緩存的工作頻率，也是3.2GHZ。加上處理器和緩存之間使用的是256BIT的帶寬，其存取速度和數(shù)據(jù)流量是很恐怖的。

2、緩存怎樣工作

    常見的處理器，一般擁有一級緩存（L1 CACHE）和二級緩存（L2 CACHE），一級緩存主要是用來存放處理器指令集和正在處理器流水線中運算的數(shù)據(jù)的鏡像和一些初步運算的結(jié)果，所以有時候我們會聽到一級數(shù)據(jù)緩存與一級指令緩存的說法。二級緩存和一級緩存不同，他和處理器之間有一定的延遲，所以存取速度比一級緩存略慢，但是容量要大的多。

    二級緩存的主要作用，首先是為一級緩存充當(dāng)臨時的存儲空間，一級緩存運算時，過一會就要用到的數(shù)據(jù)，如果存入內(nèi)存的話，存取時間過長，如果留在一級緩存中的話，又會影響其他數(shù)據(jù)的載入，所以放在略慢于一級緩存，而比內(nèi)存快很多倍的二級緩存中，是最好的選擇。

    二級緩存的另一個重要作用就是放置內(nèi)存鏡像表，也可以理解為內(nèi)存中所存數(shù)據(jù)的總目錄。這樣做的好處就是，一旦需要存取的數(shù)據(jù)過大或者數(shù)據(jù)不在LI\\L2緩存中的時候，需要從主內(nèi)存中調(diào)用的時候，可以方便的從主內(nèi)存中存取，而省去了搜索這個數(shù)據(jù)所需的時間。要知道進行一次主內(nèi)存的搜索，對于高速運轉(zhuǎn)的處理器來說，就好像數(shù)年那樣漫長。

    現(xiàn)在，隨著多核心處理器的發(fā)展，三級緩存也走入了中低端CPU，三級緩存是為讀取二級緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計的—種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進一步提高了CPU的效率。

    緩存是決定CPU的重要性能參數(shù)之一，AMD和Intel的各級別產(chǎn)品，緩存大小也會不一樣，大家在選購CPU時可以注意這一點。

● 什么是多核心CPU？

    多核心CPU非常好理解，就是將多個核心封裝到一顆CPU里，就叫做多核心CPU。目前，最為流行的還是雙核心CPU，三核心CPU以及四核心CPU，這些都可以成為多核心CPU。

    多核心CPU的好處非常多，比如可以在有效提升性能的前提下，大幅度降低成本，而且這不僅僅降低的是CPU的成本，主板的成本也得到了大幅度的降低，至少不用為CPU準(zhǔn)備兩個插槽。

    實際上，早在多年以前，Intel就通過軟件的方式將單核心的CPU模擬成了雙核心CPU，這就是著名的超線程技術(shù)。直到今天， 超線程技術(shù)仍然在使用，最新的4核心CPU可以在8核模式下運行。

    隨著雙核心CPU以及多核心CPU的競爭越來越大，AMD和Intel的爭斗也越來越激烈。去年，真假四核心之爭上演，AMD稱Intel的四核CPU是用“膠水”將幾顆核心粘在一起的，而Intel又反駁稱用戶只在乎性能，并不會在乎處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從此便出現(xiàn)了“膠水處理器”這個稱謂。我們之前還專門發(fā)布了一篇《前有古人后有來者! "膠水"處理器回顧》的文章。

● 什么是制程工藝？

    我們經(jīng)常可以聽見人們討論CPU的制程工藝，但很多人并不知道這個是什么意思。實際上非常簡單，制程工藝的提升就如同在車間里工作，采用更加先進的工藝和工序生產(chǎn)出成本更低、質(zhì)量更好的產(chǎn)品一樣。相對來說，CPU的工藝提升就是能夠更加有效的利用晶圓。

    更加先進的制程工藝會讓CPU的體積更小，同時功耗和發(fā)熱量也會降低，并且同樣尺寸的晶圓可以切割更多的核心產(chǎn)品。一般來說，用戶購買處理器的時候，應(yīng)該盡量選擇工藝更加先進的產(chǎn)品。

    結(jié)語：看到這里，本文的內(nèi)容也就該告一個段落了，實際上關(guān)于CPU的知識還有很多很多，畢竟作為計算機里最重要的部分，不是僅僅依靠一點文字就可以完全敘述的。為了讓廣大菜鳥閱讀器來不會太困難，所以一些比較比較深奧的知識筆者都沒有提及，僅僅是用了最通俗的語言，帶大家重新認識一下CPU。■<