架构师之路（五）计算机组成原理（CPU元件）

前置知识（了解）：计算机的组成，计算机分类。

作为架构师，我们要了解计算机的工作原理，知道底层的电路运行机制，掌握设备的性能指标，能够分析物理设备的瓶颈所在，合理规划物理设备的搭配。

现在的计算机架构都是冯诺依曼架构，计算机的运算速度是由CPU决定的，购机第一要确定的是CPU的型号；主板芯片组是和CPU匹配的，CPU确认后就可以确认可适配的主板，主板根据不同的机箱会存在不同的尺寸，大尺寸也决定了插槽有更大的扩展性。内存的大小决定了加载存储的容量，会对CPU加载数据的速度造成影响；而存储（外存）是承载具体资料的，他的接口类型决定不同加载速度，空间大小也决定了断电后电脑存储的数据容量。当然我们架构师接触到的很多是已经组装好的商业机器，但是我们还是有必要对各个原件的性能有所掌握。

目录

CPU如何造出来的

CPU硬件指标

cpu指令集

品牌系列

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CPU如何造出来的

这一节大家可以自行搜索，CPU是如何由半导体进行集成的。CPU的发展历史，是如何从Intel 4004由10um制程工艺在2英寸晶圆上打造，集成了2300个晶体管，到现在集成上亿个晶体管的。

《cpu是怎么制造的?》cpu是怎么制造的? - 知乎 《开发一个芯片有多难》https://www.zhihu.com/question/22962300

CPU硬件指标

主板插槽数决定了一台电脑可以安装几个物理cpu数量

单核cpu和多核cpu都是一个cpu，不同的是每个cpu上的核心数，多核cpu是多个单核cpu的替代方案，多核cpu减小了体积，同时也减少了功耗，但是一个核心只能同时执行一个线程

物理核数量 = cpu数(机子上装的cpu的数量【插槽数】)*每个cpu的核心数

虚拟核：所谓的4核8线程，4核指的是物理核心。通过超线程技术（仍然是当前线程的代码），用一个物理核模拟两个虚拟核，每个核两个线程，总数为8线程。在操作系统看来是8个核，但是实际上是4个物理核。通过超线程技术可以实现单个物理核实现线程级别的并行计算，但是比不上性能两个物理核，对于计算型的并发线程，超线程作用不大，但是对于io等阻塞型线程，超线程会并发使用cpu核心。

频率：

主频即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed），比如一颗CPU是2.3G，无论是单核还是多核，所有的核心都是工作在2.3G。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频越高，CPU的运算速度就越快。但主频不等于处理器一秒钟执行的指令条数，一条指令的执行可能需要多个时钟周期。对于CPU，在有兼容性的前提下，主频越高，字节越长，CPU速度就越快。

睿频是Intel的一项加速技术，指当启动一个运行程序后，处理器会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升 10%~20% 以保证程序流畅运行的一种技术。CPU在管理机制上允许一部分核心超频运行，以应对吃主频而不吃多线程的应用。这样来说CPU的使用非常的灵活，比如I9 7980虽然主频才2.6，但是允许一个核心超频到4.4来使用，单核心性能几乎提升了一倍。因为大多数的应用程序是用不到多核的，只认频率不认核。但多核CPU都都不会主频太高，这样，Intel就会把多核CPU的不需要的核暂时关掉，只用单核运行，然后把单核的频率提高，高于标准的主频。

睿频的实质是多核切换成单核模式然后自动超频。既提高了日常使用的速度，又节能。

位数

32位更换到 64 位操作系统，最直接的一个好处就是可以使用 4GB 以上的内存，通常我们说的 32 位指的是 IA32(x86-32) 指令集，而 64 位通常是指 AMD64(x86-64) 指令集，后者是对前者的一个扩充，增加了一些(多媒体方面的)新指令，增强了安全机制，增加了几个寄存器，同时以 64bit 为单位处理数据，也就是说支持 4GB 以上的内存。但是，多数软件，尤其是 Windows 下的闭源软件，为了确保一个安装包在任何版本的操作系统，任何平台下都可以使用，往往会使用最老的，支持最广泛的指令集来进行编写(编译), 而不会使用 64 位新指令集中的功能。当然，随着时间的推移，会有更多软件为 64 位系统提供优化。

CPU的评测工具：CPU-Z

cpu指令集

CPU集成的是半导体电路（架构师之路（二）计算机组成原理（逻辑电路）-CSDN博客），他处理的是电信号，CPU是如何处理高级程序语言的呢？他们的层级结构如下：计算的程序——（编译器）——汇编语言——机器码——（指令集）——解码单元逻辑——微码执行单元——可编程逻辑整列——逻辑门——晶体管。

CPU除了intel、AMD。其实国内目前已经有N种CPU了，除了最典型的6家厂商（兆芯、海光、鲲鹏、飞腾、龙芯、申威）之外，还有阿里、中兴，以及众多的创业企业。CPU的指令集分为精简指令集和复杂指令集。

品牌系列

《酷睿系列及分代》https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%85%B7%E7%9D%BF 《至强系列及分代》https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%87%B3%E5%BC%BA

CPU有很多种，主要有两个品牌。INTEL和AMD是两家历史几乎同样悠久的，世界上仅存的两家（以前还有好几家，后来都没了，威胜还能生产，但市场上很难见到）民用级X86架构处理器生产商（不讨论arm系：高通）。INTEL目前来说要更强大一些（其实一直都是，AMD最强的时候也没超过50%占有率，不过要是把一些游戏机什么的也算上的话，那可是远超INTEL的）。

英特尔处理器系列

对于台式机和笔记本电脑，最常见的是酷睿、奔腾和赛扬系列，同代产品中他们的性能依次减弱，酷睿最强，奔腾次之，赛扬最弱。

服务器CPU：以前的Xeon分为E3、E5、E7三个系列，现在的Xeon分为Xeon E、Xeon W、Xeon D、Xeon Scalable几个系列。另有加速卡Xeon Phi。只有部分Xeon E3、Xeon E处理器内置GPU。

早期Xeon的命名由定位、具体型号和代数三部分组成。

• 开头的E3、E5或E7代表等级定位。
• 后四位数字中，第一个数字代窗体个主板可同时安装的最多的处理器数目，简称路，有单路、双路、四路和八路之分。第二个数字代表CPU插座类型，如第一代产品的1、2、4、6、8分别代表BGA 1284、LGA 1155、LGA 1356、LGA 2011和LGA 1567。第三位和第四位为性能区分用。
• 最后的v与数字代表微架构，如v2代表此处理器为Ivy Bridge微架构，v3代表Haswell微架构，以此类推。代表Sandy Bridge微架构的v1通常省略，不标注。

以E5-2650 v2为例，E5代表处理器的定位为中高端工作站，2代表此处理器最高支持双路工作，6代表此处理器的插槽为LGA 2011，50为性能区分用，最后的v2代表此处理器采用Ivy Bridge微架构。