CPU 作為計算機的核心，負責整個計算機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、控制以及程序運行。伴隨著大規(guī)模集成電路的技術(shù)革命以及微電子技術(shù)的發(fā)展，CPU 發(fā)展日新月異、種類繁多，其中集成的電子元件也越來越多，速度越來越快，功能越來越強。

1．主頻

主頻，即 CPU 內(nèi)核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed），單位是 MHz 或 GHz。通常所說的某某 CPU 是多少兆赫指的就是 CPU 的主頻。

注意：很多人認為 CPU 的主頻就是其運行速度，其實不然。

CPU 的主頻表示在 CPU 內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，主頻和實際的運算速度存在一定的關(guān)系，但目前還沒有一個確定的公式能夠定量兩者的數(shù)值關(guān)系，因為 CPU 的運算速度還與 CPU 的流水線數(shù)目、緩存大小、指令集、CPU 的位數(shù)等指標有關(guān)。

2．外頻

外頻是 CPU 的基準頻率，單位是 MHz，是 CPU 與主板之間同步運行的工作頻率（系統(tǒng)時鐘頻率）。絕大部分計算機系統(tǒng)外頻也是內(nèi)存與主板之間同步運行的頻率。

3．前端總線

前端總線（Front Side Bus，F(xiàn)SB）是 AMD 公司推出 K7 CPU 時提出的概念，是將 CPU連接到北橋芯片的總線，決定 CPU 與內(nèi)存數(shù)據(jù)交換的速度。

數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸數(shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率，即數(shù)據(jù)帶寬＝（FSB×數(shù)據(jù)位寬）/8。例如 64 位的 CPU，前端總線是 800MHz，則它的數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬是6.4GB/s。常見的前端總線頻率有 266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz 等，前端總線頻率越大，表示 CPU 與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，更能充分發(fā)揮出 CPU 的性能。足夠大的前端總線可以保障有足夠的數(shù)據(jù)供給 CPU。較低的前端總線無法供給足夠的數(shù)據(jù)給 CPU，限制了 CPU 性能的發(fā)揮，成為系統(tǒng)瓶頸。

外頻與前端總線的區(qū)別：前端總線的速度是 CPU 與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋忸l是CPU 與主板之間同步運行的頻率。也就是說，100MHz 外頻特指數(shù)字脈沖信號在每秒鐘震蕩一千萬次；而 64 位處理器 100MHz 前端總線指的是每秒鐘 CPU 可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz×64b/8 = 800MB/s。

4．倍頻

倍頻，全稱是倍頻系數(shù)，是 CPU 主頻與外頻的比值。原先并沒有倍頻概念，CPU 主頻和系統(tǒng)總線的速度是一樣的，但 CPU 的速度越來越快，倍頻技術(shù)也就應(yīng)運而生。

CPU 主頻的計算方式為：主頻 = 外頻 × 倍頻。顯然，當外頻不變時，提高倍頻，CPU 主頻也就提高了。每一款 CPU 默認的倍頻只有一個，主板必須能支持這個倍頻。因此在選購主板和 CPU 時必須注意這點，如果兩者不匹配，系統(tǒng)就無法工作。俗稱的超頻就是通過設(shè)置倍頻系數(shù)，CPU 工作頻率超過 CPU 主頻。

5．CPU 的位和字長

在數(shù)字電路和計算機技術(shù)中采用二進制，只有 0 和 1，無論是 0 還是 1 在 CPU 中都是

一“位”。

CPU 在單位時間內(nèi)（同一時間）能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。能處理字長為8 位數(shù)據(jù)的 CPU 通常叫 8 位 CPU。同理，32 位 CPU 就能在單位時間內(nèi)處理 32 位二進制數(shù)據(jù)。

字節(jié)和字長的區(qū)別：英文字符用 8 位二進制可以表示，所以將 8b 稱為一個字節(jié)。CPU字長是不固定的，8 位 CPU 一次只能處理 1B，而 32 位 CPU 一次就能處理 4B，64 位 CPU一次可以處理 8B。

6．緩存

緩存（Cache）是位于 CPU 與內(nèi)存之間的臨時存儲器，容量比內(nèi)存小，存取速度比內(nèi)存快。Cache 中的數(shù)據(jù)實際上是內(nèi)存中的一小部分，計算機工作時，CPU 需要重復(fù)讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，如果每次都從內(nèi)存中讀取，由于 CPU 速度遠高于內(nèi)存速度，則內(nèi)存成為計算機工作的瓶頸，Cache 正是在這種情況下出現(xiàn)的。

Cache 工作原理：當 CPU 要讀取一個數(shù)據(jù)時，首先從 Cache 中查找，如果找到，就立即讀取并送給 CPU 處理；如果沒有找到，就從速度相對慢的內(nèi)存中讀取，同時把這個數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入 Cache 中，以便以后能夠快速地從 Cache 中讀取該數(shù)據(jù)，而不必再去讀內(nèi)存。

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這樣的讀取機制使 CPU 讀取 Cache 的命中率非常高（多數(shù) CPU 可達 90%左右），也就是說 CPU 下一次要讀取的數(shù)據(jù) 90%都在 Cache 中，只有大約 10%需要從內(nèi)存讀取，這樣可以大大節(jié)省 CPU 讀取數(shù)據(jù)的時間。

CPU 內(nèi)核集成的緩存稱為一級緩存（L1 Cache），主板上集成的緩存稱為二級緩存（L2 Cache）。一級緩存可以進一步分為數(shù)據(jù)緩存（D-Cache）和指令緩存（I-Cache），分別用來存放數(shù)據(jù)和執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的指令，可以同時被 CPU 訪問，能夠減少爭用 Cache 造成的沖突，提高處理器效能。

7．指令集

CPU 依靠指令完成計算和控制各部件的工作，每款 CPU 在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令集的強弱也是 CPU 的重要指標，指令集是提高 CPU效率的有效工具之一。

從計算機體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡指令集兩部分。目前常見的Intel CPU 以及 AMD CPU 均為采用 X86 架構(gòu)的復(fù)雜指令集。

而從具體運用看，Intel 公司的 MMX（Multi Media Extended）、SSE、SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和 AMD 公司的 3DNow!等都是 x86 架構(gòu) CPU的擴展指令集，分別增強了 CPU 的多媒體、圖形、圖像和 Internet 等的處理能力。

8．CPU 內(nèi)核和 I/O 工作電壓

從 Pentium 開始，CPU 的工作電壓分為核心電壓和 I/O 電壓兩種，核心電壓即驅(qū)動CPU 核心芯片的電壓，I/O 電壓指驅(qū)動 I/O 電路的電壓。CPU 的核心電壓小于等于 I/O 電壓。核心電壓根據(jù) CPU 的生產(chǎn)工藝而定，一般制作工藝越先進，電壓越低；I/O 電壓一般在 1.6～5V 之間。CPU 的工作電壓有明顯的下降趨勢，低工作電壓有三個優(yōu)點：

（1）使 CPU 的總功耗降低，系統(tǒng)的運行成本相應(yīng)降低，電池可以工作更長時間，對于便攜式和移動系統(tǒng)來說非常重要。

（2）功耗降低，發(fā)熱量減少，運行溫度不高的 CPU 可以與系統(tǒng)更好的配合。

（3）是提高 CPU 主頻的重要因素之一。

9．制造工藝

制造工藝是指集成電路內(nèi)電路與電路之間的距離。1995 年以后，芯片制造工藝從 0.5μm、0.35 μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm，發(fā)展到目前的28nm、15nm、7nm、5nm。

先進的制造工藝可以在同樣的面積上集成更多的晶體管，并降低功耗，從而減少發(fā)熱量，使 CPU 實現(xiàn)更多的功能和更高的性能；使 CPU 核心面積不斷減小，在相同面積的晶圓上可以制造出更多的 CPU 產(chǎn)品，從而降低 CPU 的售價。

10．超流水線與超標量

在解釋超流水線與超標量前，先了解流水線（Pipeline）。

流水線是 Intel 公司在 80486 CPU 中開始使用的。流水線工作方式就像工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線，通過增加硬件實現(xiàn)。例如要預(yù)取指令，就增加取指令的硬件電路，在 CPU 中由 5、6 個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，并將一條指令分成 5、6 步，再由這些電路單元分別執(zhí)行，各步的工作在時間上重疊，從而提高 CPU 的運算速度。

超級流水線通過細化流水、提高主頻，使得在一個機器周期內(nèi)完成一個甚至多個操作，其實質(zhì)是以時間換空間。例如 Intel Pentium 4 的流水線長 20 級。流水線的步（級）越長，完成一條指令的速度越快，能適應(yīng)主頻更高的 CPU。但是流水線過長也帶來一定的副作用，很可能會出現(xiàn)主頻較高的 CPU 實際運算速度較低的現(xiàn)象。

CPU 中內(nèi)置多條流水線來同時執(zhí)行多條指令，每時鐘周期內(nèi)可以完成一條以上的指令，這種設(shè)計叫超標量（Superscalar）技術(shù)。

11．SMP

SMP（Symmetric Multi-Processing，對稱多處理結(jié)構(gòu)）是指在一個計算機上匯集了一組結(jié)構(gòu)相同的處理器（多 CPU），各 CPU 共享內(nèi)存以及總線。在高性能主板和服務(wù)器中常見，例如運行 UNIX 操作系統(tǒng)的服務(wù)器可支持最多 256 個 CPU。

12．多核心

多核心是指單芯片多處理器（Chip Multiprocessors，CMP）。CMP 由美國斯坦福大學提出，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的 SMP 集成到同一芯片內(nèi)，各個處理器并行執(zhí)行不同的進程。從體系結(jié)構(gòu)角度看，SMP 比 CMP 對處理器資源利用率要高，在克服延遲影響方面更具優(yōu)勢。

而 CMP 相對 SMP 的最大優(yōu)勢在于其模塊化設(shè)計的簡潔性。復(fù)制簡單、設(shè)計容易，指令調(diào)度也更加簡單。同時，SMP 中多個線程對共享資源的爭用也會影響其性能，而 CMP 對共享資源的爭用要少得多，因此當應(yīng)用的線程級并行性較高時，CMP 性能一般優(yōu)于 SMP。此外，在設(shè)計上，更短的芯片連線使 CMP 比長導線集中式設(shè)計的 SMP 更容易提高芯片的運行頻率，從而在一定程度上起到性能優(yōu)化的效果。

13．多（超）線程技術(shù)

每個正在運行的程序都是一個進程。每個進程包含一到多個線程。線程是進程中可以獨立完成一定功能的指令段。

多線程技術(shù)是指從軟件或者硬件上實現(xiàn)多個線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。具有多線程能力的計算機因有硬件支持而能夠在同一時間執(zhí)行多個線程，進而提升整體性能。具有這種能力的系統(tǒng)包括對稱多處理機、多核心處理器以及芯片級多處理（Chip-Level Multithreading）或同時多線程（Simultaneous Multithreading，SMT）處理器。

超線程（Hyper-Threading，HT）技術(shù)是 Intel P4 CPU 開始出現(xiàn)的一種技術(shù)，利用特殊的硬件指令把兩個邏輯內(nèi)核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器能進行線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少 CPU 的閑置時間，提高 CPU 的運行效率。雖然采用超線程技術(shù)能同時執(zhí)行兩個線程，但它并不像兩個真正的 CPU 那樣，每個 CPU 都具有獨立的資源。當兩個線程都同時需要某一個資源時，其中一個要暫時停止，并讓出資源，直到這些資源閑置后才能繼續(xù)。因此超線程的性能并不等于兩個 CPU 的性能。另外，含有超線程技術(shù)的 CPU 需要芯片組、軟件支持才能發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢。

14．NUMA 技術(shù)

NUMA 即非一致訪問分布共享存儲技術(shù)，是由若干通過高速專用網(wǎng)絡(luò)連接起來的獨立節(jié)點構(gòu)成的系統(tǒng)，各個節(jié)點可以是單個的 CPU 或是 SMP 系統(tǒng)。在 NUMA 中，Cache 的一致性有多種解決方案，需要操作系統(tǒng)和特殊軟件的支持。

編輯：黃飛

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