CPU知识全面讲解.docx
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CPU知识全面讲解
CPU知识全面讲解
CPU全称“CentralProcessingUnit,中文名为“中央处理器,在大多数网友的印象中,CPL只是一个方形配件,正面是金属盖,背面是一些密密麻麻的针脚或触点,可以说毫无美感可言。
但在这个小块头的东西上,却是汇聚了无数的人类智慧在里面,我们今天能上网、工作、玩游戏等全都离不开这个小小的东西,它可谓是小块头有大智慧。
作为普通用户、网友,我们并不需要解读CPUS的所有“大智慧”,但CPU既然是电脑中最重要的配件、并且直接决定电脑的性能,了解它里面的部分知识还是有必要的。
下面笔者将给大家介绍CPUS最重要的基础知识,让大家对CPU有新的认识。
1、CPU的最重要基础:
CPU架构
CPU架构:
CPI架构,目前没有一个权威和准确的定义,简单来说就是CPU核心的设计
方案。
目前CPU大致可以分为X86IA64、RISC等多种架构,而个人电脑上的CPU架构,其实都是基于X86架构设计的,称为X86下的微架构,常常被简称为CPU架构。
更新CPU架构能有效地提高CPU勺执行效率,但也需要投入巨大的研发成本,因此CPU厂商一般每2-3年才更新一次架构。
近几年比较著名的X86微架构有
Intel的Netburst(Pentium4/PentiumD系列)、Core(Core2系列)、Nehalem(Corei7/⑸i3系列),以及AMD勺K8(Athlon64系列)、K10(Phenom系列)、K10.5(AthlonII/PhenomII系列)。
Tick-TockDevelopmentModel:
SustsmedMicroprocessorLesdership
interMknwcNtMtiMa
Futuf*InW1MknMKhitKtur・
Meronn
Penrvn
Sarid^
Westniere
Bridge
KW
^Snm
MM
1Snm
NW
HFW
J^nm
TOCK
TICK
TOCK
TICK
TUCK
Intel以Tick-Tock钟摆模式更新CPU
自2006年发布Core2系列后,Intel便以“Tick-Tock”钟摆模式更新CPU简单来说就是第一年改进CPUX艺,第二年更新CPU微架构,这样交替进行。
目前Intel正进行“Tick”阶段,即改进CPU的制造工艺,如最新的Westmere架构其实就是Nehalem架构的工艺改进版,下一代SandyBridge架构将是全新架构。
AMDJ面则没有一个固定的更新架构周期,从K7到K8再到K10,大概是3-4
年更新一次。
制造工艺:
更新制作工艺,使同一面积的晶圆可切割出更多CPU芯片
我们常说的CPU制作工艺是指生产CPU勺技术水平,改进制作工艺,就是通过缩短CPU内部电路与电路之间的距离,使同一面积的晶圆上可实现更多功能或更强性能。
制作工艺以纳米(nm为单位,目前CPU主流的制作工艺是45nm和32nm对于普通用户来说,更先进的制作工艺能带来更低的功耗和更好的超频潜力。
32位与64位CPU
32/64位指的是CPU位宽,更大的CPU位宽有两个好处:
一次能处理更大范围的数据运算和支持更大容量的内存。
对于前者,普通用户暂时没法体验到其优势,但对于后者,很多用户都碰到过,一般情况下32位CPU只支持4GB以内的内存,更大容量的内存无法在系统识别(服务器级除外)。
于是就有了64位CPU然后就有了64位操作系统与软件。
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64位CPU勺优势,需要64位操作系统和64软件支持
目前所有主流CPU均支持X86-64技术,但要发挥其64位优势,必须搭配
64位操作系统和64位软件。
遗憾的是目前主流的软件和游戏均是基于32位开发的,采用64位系统难免会有一些兼容性问题,而直接采用64位开发的风险较高,这也是64位在过去7年一直不能普及的原因,但未来64位一定会取代32位成为主流的。
2、决定CPU性能的参数:
频率、核心数、缓存
除了CPU架构外,决定CPU生能的几个重要参数还有频率、核心数、线程数以及缓存。
TDP热设计功耗也是网友关注的参数,下面将为大家介绍这几样参数。
主频、倍频、外频、超频:
CPU盒装会标出主频、缓存等重要参数
CPU主频,就是CPU运算时的工作频率,在单核时代它是决定CPU性能的最重要指标,一般以MHz和GHz为单位,如PhenomIIX4965主频是3.4GHz。
说到CPU主频,就不得不提外频和倍频,由于CPU发展速度远远超出内存、硬盘等配件的速度,于是便提出外频和倍频的概念,它们的关系是:
主频=外频x倍频。
而我们常说的超频,就是通过手动提高外频或倍频来提高主频。
核心数、线程数:
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目前最强CPU拥有4个物理核心、8个逻辑核心
虽然提高频率能有效提高CPU性能,但受限于制作工艺等物理因素,早在2004年,提高频率便遇到了瓶颈,于是Intel/AMD只能另辟途径来提升CPU生能,双核、多核CPU便应运而生。
目前主流CPUt双核、三核和四核,六核也将在今年发布。
其实增加核心数目就是为了增加线程数,因为操作系统是通过线程来执行任务的,一般情况下它们是1:
1对应关系,也就是说四核CPU-般拥有四个线程。
但Intel引入超线程技术后,使核心数与线程数形成1:
2的关系,如四核Corei7支持八线程(或叫作八个逻辑核心),大幅提升了其多任务、多线程性能。
关于超线程技术,后面将有详细介绍。
缓存:
Q
拥有三级缓存(L3Cache)的CPU
缓存,Cache,它也是决定CPU性能的重要指标之一。
为什么要引入缓存?
在解释之前必须先了解程序的执行过程,首先从硬盘执行程序,存放到内存,再给CPU运算与执行。
由于内存和硬盘的速度相比CPU实在慢太多了,每执行一个程序CPU都要等待内存和硬盘,引入缓存技术便是为了解决此矛盾,缓存与CPU速度一致,CPU从缓存读取数据比CPU在内存上读取快得多,从而提升系统性能。
当然,由于CPU芯片面积和成本等原因,缓存都很小。
目前主流级CPU都有一级和二级缓存,高端的甚至有三级缓存。
TDP热设计功
以前的盒装CPU标有TDP热设计功耗
TDP的是“ThermalDesignPower”的简称,即“热设计功耗”,它指的是
CPU达到负荷最大的时候释放出的热量,单位是瓦特,它主要是给散热器厂商的参考标准。
高性能CPU同时也带来了高发热量,例如PhenomllX4965,其TDP达到了140W而主流级的AthlonIIX2250只有65V,对散热器的要求显然不同。
值得注意的是,CPU勺TDP并不是CPU勺实际功耗,CPU勺实际功耗是通过初中学的物理知识来计算的:
功率(P,单位W二电流(I,单位A)x电压(U,单位V。
不要把TDP看成CPU勺实际功耗,CPU的实际功耗必然小于TDP的。
3、提高工作效率:
多媒体指令和虚拟化技术
多媒体指令集:
通过CPU-Z等工具可查看CPU支持的指令集
MMX3DN0W!
SSE均是CPU的多媒体扩展指令集,它们对CPU的运算有力卩速作用,前提是需要软件支持。
如果软件对CPU的多媒体指令集有优化,那么CPU的运算速度会有进一步提升。
对于普通用户而言,目前用得最多的多媒体指令是SSE系列,现在已经发展到SSE4(分为SSE4.1和SSE4.2两个部分)了。
多媒体指令需要软件支持才能体现它的优势
虽然多媒体指令的普及速度相对较慢,但随着时间的推移,支持新指令的软件和游戏会越来越多,例如现在大部分游戏和软件均需要SSE甚至SSE2旨令
支持,否则是运行不了。
值得一提的是,AMDCP支持的SSE4A和IntelCPU支持的SSE4是不完全相同的,可以这样简单理解:
AMDSSE4是IntelSSE4的简化版,主要是精简了为IntelCPU优化的部分。
虚拟化技术:
Windows7中安装XP模式,需要CPU勺虚拟化技术支持
CPU勺虚拟化技术(VirtualizationTechnolegy,简称VT就是单CPU模拟多CPU并允许一个平台同时运行多个操作系统,而应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响,从而显著提高工作效率。
在Windows7中安装XP
模式就是一个很好的例子,当需要使用XP时直接调用,不需要重启切换系统,这点对于程序员来说是非常有用的。
虽然虚拟化可以通过软件实现,但是CPU硬件支持的话,执行效率会大大提升,也可以支持64位操作系统,其中Windows7的XP模式则是必须要CPU勺虚拟化技术支持。
目前Intel/AMD绝大部分CPU都支持虚拟化技术,但对于普通用户而言,虚拟化技术没有实质作用。
如果要用到虚拟化技术,需要先在BIOS开启该技术。
节能技术:
CPU节能技术,空闲时自动降低频率
随着CPU勺性能越来越强大,也带来了更高的功耗,为减少CPU在闲置时的能量浪费,Intel和AMD匀不约而同地为CPU添加节能技术。
Intel方面,采用的节能技术叫“EnhaneeIntelSpeedStepTechnology”,简称EIST,虽然经过多次增强优化,但名字始终没变。
而AMD勺节能技术则是“Cool'n'Quiet”,现在已经发展到3.0版。
简单来说,它们均是在CPU空闲时自动降低CPU的主频,从而降低CPU功耗与发热量,达到节能目的。
kHflkrdDiskBoatPriority
[PressEnter!
FirstBootDevice
CFloppy3
SecondBootDevice
[HardDisk!
ThirdBoatDcmice
rcnnaMj
PasswordChecR
[Setup]
HDDA,R.T.Capabi1ity
[Enabled]
LinitCPUIDMak.to3
CDisabled!
No—ExecuteMemoryProte匚七
EEnabledl
CPUEnhancedHfttt(C1E)
(Enabled]
CZ^CZEStateSupport
EDisabled]
Disabled
RPIIThnrwrt1Mnni-tnr*7fTH?
1
CPUEISTFunction
[Enabled)
uelayForHDDi^ecsi
L01
Fu11ScreenLOGOShou
[Enabled)
P"IIFI
Tp:
羊:
耳J嚣回闻3
节能技术需要在BIOS开启
无论是Intel还是AMD勺节能技术,均需要在BIOS开启才有效,找到类似EIST(IntelCPU)或C'n'Q(AMDCP)的选项进行开启即可。
4、两大特色技术:
超线程和睿频加速
超线程技术和睿频加速技术可以说是IntelCPI两大特色技术,下面我们为大家介绍两种技术。
Hyper-Threading,超线程技术:
英特尔®超线程技术实现更好的多任务处理?
翼特容*超绥程技术使每樓的处理歸昨
•让您做更多工作,更少尊待
,像是•条拥仃多车道而不是单车道的高速公貉
"有了多车遺后,更多的车可跑得更快
Hyper-Threading,超线程技术
在前面我们已提到过超线程技术,本节我们将作详细介绍。
超线程技术
(Hyper-Threading,简称HT,最早出现在2002年的Pentium4上,它是利用特殊的硬件指令,把单个物理核心模拟成两个核心(逻辑核心),让每个核心都能使用线程级并行计算,进而兼容多线程操作系统和软件,减少了CPU的闲置时间,提高CPU的运行效率。
Corei7/i5/i3再次引入超线程技术,使四核的Core
i7可同时处理八个线程操作,而双核的Corei5600、Corei3也可同时处理四线程操作,大幅增强它们多线程性能。
超线程技术使Corei7四核CPU拥有八个逻辑内核
超线程技术只需要消耗很小的核心面积代价,就可以在多任务的情况下提供
显著的性能提升,比起完全再添加一个物理核心来说要划算得多。
相比Pentium
4的第一代HT,Corei7/i5/i3的优势是有更大的缓存和更大的内存带宽,能更
有效地发挥多线程的作用。
根据评测结果显示,支持Corei7/⑸i3开启HT后,
多任务性能提升20-30%。
TurboBoost,睿频加速技术:
英特尔g睿频加速技术
动态提供垠锤性能和能效
胸代产晶
Z-JC-VTU4XJ
側•}:
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TurboBoost,睿频加速技术
TurboBoost是一种动态加速技术,基于Nehalem架构的电源管理技术,通过分析当前CPU的负载情况,智能地完全关闭一些用不上的核心,把能源留给正在使用的核心,并使它们运行在更高的频率,进一步提升性能;相反,需要多个核心时,动态开启相应的核心,智能调整频率。
这样,在不影响CPU的TDP(热
设计功耗)情况下,能把各核心的频率调得更高。
逼讯血涮i硏些函:
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单核渲染时,TurboBoost使主频从2.93G提升到3.2G
举个简单的例子,如果某个游戏或软件只用到一个核心,TurboBoost技术
就会自动关闭其他三个核心,把正在运行游戏或软件的那个核心的频率提高,从
而获得最佳性能。
但与超频不同,TurboBoost是自动完成,也不会改变CPU勺最大功耗。
反观Core2时代,即使是运行只支持的程序,其他核心仍会全速运行,得不到性能提升的同时,也造成了能源的浪费。
目前只有Intel的Corei7/i5支持睿频加速技术,有消息指AMM年发布的PhenomIIX6六核也会引入类似技术。