CPU芯片基础知识 CPU芯片工作原理 CPU芯片参数介绍

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摘要：cpu芯片相信大家一定不陌生，是整个计算机系统的运算、控制中心，也就是计算机的“大脑”。今天，就跟着买购网小编一起去了解一下这个大脑是如何运作的吧。

CPU芯片基础知识 CPU芯片工作原理 CPU芯片参数介绍

CPU是“Central Processing Unit”的英语缩写，中文意思是“中央处理器”，有时我们也简称它为“处理器”或是“微处理器”。它是整个计算机系统的运算、控制中心，也就是计算机的“大脑”。首先就让买购网小编来带大家看看什么是CPU。

一、打望CPU

CPU外形看上去非常简单：它是一个矩形片状物体，中间凸起的一片指甲大小的、薄薄的硅晶片部分是CPU核心，英文称之为“die”。在这块小小的硅片上，密布着数以千万计的晶体管，它们相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作（图1）。CPU主要分为Intel和AMD两类，图1是AMD生产的CPU，我们将在下期细细讲述它们之间的区别。

图1 CPU正面俯视图

CPU的核心工作强度很大，发热量也大。而且CPU的核心非常脆弱，为了核心的安全，同时为了帮助核心散热，于是现在的CPU一般在其核心上加装一个金属盖，此金属盖不仅可以避免核心受到意外伤害，同时也增加了核心的散热面积（图2）。

图2 加装了金属盖的CPU

金属封装壳周围是CPU基板，它将CPU内部的信号引到CPU引脚上。基板的背面有许 多密密麻麻的镀金的引脚，它是CPU与外部电路连接的通道，同时也起着固定CPU的作用（图3）。

图3 CPU背面的金属针角

由于CPU的核心发热量比较大，为了保护核心的安全，如今的CPU都得加装一个CPU散热器。散热器通常由一个大大的合金散热片和一个散热风扇组成，用来将CPU核心产生的热量快速散发掉（图4）。

图4 P4 CPU散热器

CPU的工作原理：CPU的内部结构可分为控制、逻辑、存储三大部分。如果将CPU比作一台机器的话，其工作原理大致是这样的：首先是CPU将“原料”（程序发出的指令）经过“物质分配单位”（控制单元）进行初步调节，然后送到“加工车床”（逻辑运算单元）进行加工，最后将加工出来的“产品”（处理后的数据）存储到“仓库”（存储器）中，以后“销售部门”（应用程序）就可到“仓库”中按需提货了。

二、透透彻彻看参数

见识了CPU的庐山真面目之后，我们也该跟它好好交流一番才行了，因为要真正透彻地了解CPU，就必须知道CPU的一些基础参数的含义。

1.体现CPU工作能力的主频、外频、倍频

（1）CPU的整体工作速度——主频

主频就是CPU的时钟频率，也就是CPU运算时的工作频率。我们平常经常挂在嘴边的“奔腾4 XXX MHz”讲的就是CPU的主频。

（2）生产线与生产线的条数——外频与倍频

与主频相关的还有“外频”与“倍频”这两个概念，“外频”是系统总线的工作频率，而“倍频”则是外频与主频相差的倍数，主频=外频×倍频。我们可以把外频看做CPU这台“机器”内部的一条生产线，而倍频则是生产线的条数，一台机器生产速度的快慢（主频）自然就是生产线的速度（外频）乘以生产线的条数（倍频）了。

2.CPU的进出口速度——前端总线频率

前端总线是CPU与主板北桥芯片之间连接的通道，而“前端总线频率”（FSB）就是该通道“运输数据的速度”。如果将CPU看做一台安装在房间中的大型机器的话，“前端总线”就是这个房间的“大门”。机器的生产能力再强，如果“大门”很窄或者物体流通速度比较慢的 话，CPU就不得不处于一种“吃不饱”的状态（图5）。

图5 “前端总线”图释

早期CPU的前端总线频率是与CPU的外频同步的。随着CPU工作能力的加强（主频越来越高），原来的那种低频率前端总线已经满足不了CPU的需要，于是人们开始在“前端总线频率”上做起了文章——在不提高系统总线基准频率的前体下，将前端总线单个时钟周期能够传输的数据个数以“倍数”增加。以当前的Pentium 4系列CPU为例，Intel为它设计了一个名为“Quad-pumped”的前端总线，其实质就是该前端总线在一个时钟周期内，可以传输4倍的数据。早期的Pentium 4的外频都是100MHz，而由于采用了“Quad-pumped”技术，这类CPU的前端总线频率便成了“100MHz×4=400MHz”。如今，Pentium 4的前端总线已经达到了800MHz，但其实际的外频是200MHz。

在认识了这几个参数之后，你应该明白“外频≠前端总线频率（FSB）”了吧。 3.CPU对电源的要求——工作电压 工作电压是指CPU核心正常工作所需的电压。早期CPU的工作电压一般为5V，目前Pentium 4 CPU的核心工作电压仅为1.5V左右。提高CPU的工作电压可以提高CPU工作频率，但是过高的工作电压会带来CPU发热、甚至CPU烧坏的问题。而降低CPU电压不会对CPU造成物理损坏，但是会影响CPU工作的稳定性。因为降低工作电压会使CPU信号变弱，造成运算混乱。为了降低CPU电压、减小CPU发热，适应更高的工作频率，CPU工作电压有逐步下降的趋势。

4.CPU的内部高速周转仓库——缓存

随着CPU主频的不断提高，它的处理速度也越来越快，其它设备根本赶不上CPU的速度，没办法及时将需要处理的数据交给CPU。于是，高速缓存便出现在CPU上，当CPU在处理数据时，高速缓存就用来存储一些常用或即将用到的数据或指令，当CPU需要这些数据或指令的时候直接从高速缓存中读取，而不用再到内存甚至硬盘中去读取，如此一来可以大幅度提升CPU的处理速度。

缓存又分为几个级别：

L1 Cache（一级缓存）：

它采用与CPU相同的半导体工艺，制作在CPU内部，容量不是很大，与CPU同频运行，无需通过外部总线来交换数据，所以大大节省了存取时间。

L2 Cache（二级缓存）：CPU在读取数据时，寻找顺序依次是L1→L2→内存→外存储器。L2 Cache的容量十分灵活，容量越大，CPU档次越高。

L3 Cache（三级缓存）：还可以在主板上或者CPU上再外置的大容量缓存，被称为三级缓存。

5.CPU的制造工艺、封装方式

制造工艺，也称为“制程宽度”。是在制作CPU核心时，核心上最基本的功能单元CMOS电路的宽度。在CPU的制造工艺中，一般都是用微米来衡量加工精度。从上世纪70年代早期的10微米线宽一直到目前采用的0.13微米线宽，CPU的制造工艺都在不断地进步。制作工艺的提高，意味着CPU的体积将更小，集成度更高，耗电更少。

图6 CPU封装技术的变迁

封装是指安装CPU集成电路芯片用的外壳。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热功能的作用，而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技术指标一代比一代先进（图6、7）。目前封装技术适用的芯片频率越来越高，散热性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性也越来越高。

图7 FC-PGA（反转针栅阵列）封装形式）

6.CPU的思想灵魂——指令集

CPU的性能可以用工作频率来表现，而CPU的强大功能则依赖于指令系统。新一代CPU产品中，或多或少都需要增加新指令，以增强CPU系统功能。指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序，因此，一般来说，指令越多，CPU功能越强大。目前主流的CPU指令集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now扩展指令集。