详解CPU技术参数

1、CPU的主要功能参数详解=华丽的分割线一，CPU主频：这是一个最受新手关注的指标，指的就是CPU内核工作的时钟频率（CPUClockSpeed）。通常所说的某款CPU是多少兆赫兹的，而这个多少兆赫兹就是“CPU的主频”在学校经常听见一些人问，XXX网吧的CPU2.66G！XXX网吧的才2G,有人用2.66G的赛扬与2.0G-2.66G的P4比,这是无知的表现，和他们争是无意义的：）。主频虽与CPU速度有关系，但确对不是绝对的正比关系，因为CPU的运算速度还要看CPU流水线（流水线下面介绍）的各方面性能指标（缓存、指令集，CPU位数等）。因此主频不代表CPU的整体性能，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。主频的计算公式为：主频二外频*倍频。=换行的分割线二：外频：外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是MHz（兆赫兹）。在早期的电脑中，内存与主板之间的同步运行的速度等于外频，在这种方式下，可以理解为CPU外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。对于目前的计算机系统来说，两者完全可以不相同，但是外频的意义仍然存在，计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘以

2、一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。=换行的分割线三：倍频咯：倍频CPU的倍频，全称是倍频系数。CPU的核心工作频率与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。理论上倍频是从1.5一直到无限的，但需要注意的是，倍频是以以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频，所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升。原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式变为：主频=外频X倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频,CPU主频也就越高。=换行的分割线=个人言语的分割线主频因素说完了，现在让我们来看看别的影响CPU速度的“东西”请允许我称他为东西，说功能现行=换行的分割线四：流水线：这东西学地理的应该懂，高一下册地理书有说，他相当于一个公程的一部分一部分，我自己打个比喻！比如：就拿跑步和走路来说，就分为2级流水线，即左脚，再右脚，再一直循环下去，一级的话就可以说

3、成是双脚一起跳，这样效率当然低，对吧。这就是生活的流水线，当你左脚走出去之后，如果发现前面有一堆大便，只好重来了（设一次一定走2步）这就是流水线级别上去之后跟随的错误一出来CPU就要重新计算。也许我说得不太明白，下面引用别人的话来说，转自网友“毛笔小新”=引用的发割线在制造CPU的过程中，除了硬件设计之外，还有逻辑设计，流水线设计就属于逻辑设计范畴，举个例子来讲,比如说一家汽车工厂,在生产汽车的过程中采用了四个大组分别来完成四个生产步骤:1组生产汽车底盘，二组给底盘上装引擎，三组给汽车装外壳及轮胎，四组做喷漆，装玻璃及其他，这就叫做一条四级的流水线.（现在的大型汽车生产厂也的确是按照类似流水线来提高生产效率的）.假设每个步骤需要1小时，那么如果我们让1大组在做完1辆车的底盘后马上开始生产下一辆的底盘，二大组在做完一辆车的引擎后立刻投入下一辆车引擎的组装，以次类推三，四组的工作也如此，这样一来，每一小时就会有一辆奔驰或宝马被生产出来，这就相当于是CPU的指令排序执行.但如果我们还想提升工厂的生产效率，又该怎么办呢?那么我们就可以将上述的每个大组在分成2个小组，形成一条8级的生产流水线，这

4、样就形成每个小组（注意是小组）只需要半小时就可以完成自己的工作，那么相应的每半小时就会有一辆汽车走下生产线，这样就提高了效率（这里不太好理解，请大家仔细想想就会明白）.根据这个道理,CPU的流水线也就不难理解了，只不过是把生产汽车变成了执行程序指令而已，原理上是相通的。=接上的分割线那么这里可以想到，如果再把流水线加长，是不是效率还可以提高呢?当人们把这个想法运用到CPU设计中时才发现，由于采用流水线来安排指令，所以非常不灵活，一旦某一级的指令执行出错的话，整条流水线就会停止下来，再一极一级地去找出错误，然后把整条流水线清空，重新载入指令，这样一来，会浪费很多时间，执行效率反而十分低下，为了解决这个问题，科学家们又采用了各种预测技术来提高指令执行的正确率，希望在保持长流水线的同时尽量避免发生清空流水线的悲剧，这就是经常看到的Intel的广告该处理器采用了先进的分支预测技术.,当你明白了上面我所讲的后，你就知道了吹得那么玄乎，其实也就不过如此.还有不得不说的就是:长流水线会让CPU轻易达到很高的运行频率,但在这2G3G的频率中又有多少是真正有效的工作频率呢?而且级数越多，所累计出来的延迟

5、越长，因为工作小组在交接工作时是会产生信号延迟的，虽然每个延迟很短，但20甚至30级的流水线所累计出来的延迟是不可忽视的，这样就形成了一个很好笑的局面，流水线技术为处理器提升了频率，但又因为自身的缺陷产生了很大的效率空白，将优势抵消掉，高频率的CPU还会带来高功耗和高发热量，所以说流水线并非越长越好=接上的分割线近年来Intel的奔四处理器经过了三个阶段的发展,最早的奔四采用的是（威廉）核心，该核心只有13级的流水线,普遍频率未上2G速度一般,第二代的奔四采用的（northwoog北木）核心，这个核心有20级流水线，由于流水线级数比较合适，所以大副提升了奔四的速度，但又未影响执行效率，当时的奔四2.4A是一款经典产品，将AMD的速龙XP系列一直压制住,Intel因此尝到了甜头，很快就推出了Prescott（波塞冬）核心，这个长达31级流水线的新核心将奔四带入了近3G的速度，这个数字是AMD可望而不可及的，但人们很快发现新奔四的实际运行效率还不如老核心奔四，然尔频率却那么高，发热和功耗那么大,Intel凭借这块新核心光荣地获得了高频低能的美名，这个时候AMD适时推出了速龙64系列，全新的

6、架构,20级的流水线,不高的发热与功耗,最重要的是低频高效，一举击败了新奔四，获得了很高的评价,Intel也吞下了自己造的苦果:被迫停止了4G奔四的开发，失去了不少的市场份额，连总裁贝瑞特也在IDF05上给大众下跪以求原谅.=换行的分割线CPU缓存：CPU缓存（CacheMemory）位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。由此可见，在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案，这样整个内存储器（缓存+内存）就变成了既有缓存的高速度，又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行，不必再调用内存。正是这样的读取机制使CPU

7、读取缓存的命中率非常高（大多数CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓存中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无需等待。总的来说，CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。最早先的CPU缓存是个整体的，而且容量很低，英特尔公司从Pentium时代开始把缓存进行了分类。当时集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量。因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存，此时就把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。一级缓存中还分数据缓存（DataCache，D-Cache）和指令缓存（InstructionCache，I-Cache）。二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令，而且两者可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。英特尔公司在推出Pentium4处理器时，用新增的一种一级追踪缓存替代指令缓存，容量为12KpOps，表示能存储12K条微指令。随着CPU制造工艺的发展，二级缓存也能轻易的集成在CPU内

8、核中，容量也在逐年提升。现在再用集成在CPU内部与否来定义一、二级缓存，已不确切。而且随着二级缓存被集成入CPU内核中，以往二级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变，此时其以相同于主频的速度工作，可以为CPU提供更高的传输速度。二级缓存是CPU性能表现的关键之一，在CPU核心不变化的情况下，增加二级缓存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二级缓存上有差异，由此可见二级缓存对于CPU的重要性。CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中，当缓存中没有CPU所需的数据时（这时称为未命中），CPU才访问内存。从理论上讲，在一颗拥有二级缓存的CPU中，读取一级缓存的命中率为80%。也就是说CPU级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%,剩下的20%从二级缓存中读取。由于不能准确预测将要执行的数据，读取二级缓存的命中率也在80%左右（从二级缓存读到有用的数据占总数据的16%）。那么还有的数据就不得不从内存调用,但这已经是一个相当小的比例了。目前的较高端的CPU中，还会带有三级缓存，它是为读取二级缓存后未命中的数据设计的一种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。为了保证CPU访问时有较高的命中率，缓存中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零，其他各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出缓存，提高缓存的利用率。CPU产品中，一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间，二级缓存的容量则分为128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一级缓存容量各产品之间相差不大，而二级缓存容量则是提高CPU性能的关键。二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的，容量增大必然导致CPU内部晶体管数的增加，要在有限的CPU面积上集成更大的缓存，对制造工艺的要求也就越高=换行的分割线前端总

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