电脑硬件入门知识全解之二CPU篇#.docx

1、电脑硬件入门知识全解之二CPU篇#电脑硬件入门知识全解之一CPU篇.txt看一个人的的心术，要看他的眼神；看一个人的身价，要看他的对手；看一个人的底牌，要看他的朋友。明天是世上增值最快的一块土地，因它充满了希望。电脑硬件入门知识全解之一：CPU篇！2018-01-12 00:57电脑硬件入门知识全解之一：CPU篇！因为内容很全，篇幅较大。根据不同同学对于不同硬件知识的需要，还有原帖中的一些知识比较老了，我做了一定的修改编辑，以后还会定期编辑，希望大家看起来更加方便。里面的知识都是比较实际的，可以说是初学者的超级福音！老玩家们的进阶天堂。如果能慢慢地把它看完，大家的硬件知识肯定能有很大的提高。硬

2、件不仅仅是高手们的专利，新手们也是很有必要了解的象我自己得到的知识就很多）。希望所有同学的硬件知识都能富起来，希望大家能接收。总索引是CPU，内存，显卡，主板，大家不要被篇幅吓了而不看啊，呵呵，里边东西很实在的说，看看吧。一，CPU篇顺序为主频，外频，倍频，CPU流水线，缓存，前端总线，核心类型，工艺，CPU技术，超线程，前端总线，零碎的CPU知识一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CPU Clock Speed）。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

3、，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：主频外频*倍频。=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，

4、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。=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

5、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。=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=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. 假设每个步骤需要1小时,那么如果我们让1大

6、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

7、相通的。=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,因为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

8、是:长流水线会让CPU轻易达到很高的运行频率,但在这2G,3G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=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(north

9、woog北木核心,这个核心有20级流水线,因为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( 普雷斯科特核心,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

10、,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.=CPU缓存：CPU缓存Cache Memory）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

11、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

12、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Data Cache，D-Cache）和指令缓存Instruction Cache，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Pentium 4处理器时，用新增的一种一级追踪缓存替

13、代指令缓存，容量为12KOps，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

14、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一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。因为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-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

15、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

16、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=前端总线：前端总线是处理器与主板北桥芯片或内存控制集线器之间的数据通道，其频率高低直接影响CPU访问内存的速度；BIOS可看作是一个记忆电脑相关设定的软件，可以通过它调整相关设定。BIOS存储于板卡上一块芯片中，这块芯片的名字叫COMS RAM。但就像ATA与IDE一样，大多人都将它们混为一谈。 因为主板直接影响到整个系统的性能、稳定、功能与扩展性，其重要性不言而喻。主板的选购看似简单，其实要注意的东西很多。选购时当留意产品的芯片组、做工用料、功能接口甚至使用简便性，这就要求

17、对主板具备透彻的认识，才能选择到满意的产品。 总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多，前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。 CPU就是通过前端总线FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够快的前端总线，再强的

18、CPU也不能明显提高计算机整体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽总线频率数据位宽）8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。 CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念

19、是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次，它更多的影响了PIC及其他总线的频率。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDRQuad Date Rate）技术，或者其他类似的技术实现这个目前。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X，它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之

20、后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。=再说说CPU的核心类型Athlon XP的核心类型 Athlon XP有4种不同的核心类型，但都有共同之处：都采用Socket A接口而且都采用PR标称值标注。Palomino 这是最早的Athlon XP的核心，采用0.18um制造工艺，核心电压为1.75V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz。 Thoroughbred 这是第一种采用0.13um制造工艺的Athlon XP核心，又分为Thoroughbred-A和Thoroughbred-B两种版本，核心电压1.65V-1.75V左右，二级缓存为256K

21、B，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz和333MHz。 Thorton 采用0.13um制造工艺，核心电压1.65V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为333MHz。可以看作是屏蔽了一半二级缓存的Barton。 Barton 采用0.13um制造工艺，核心电压1.65V左右，二级缓存为512KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为333MHz和400MHz。 新Duron的核心类型 AppleBred 采用0.13um制造工艺，核心电压1.5V左右，二级缓存为64KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz。没有采用PR标称值标注而以实际频

22、率标注，有1.4GHz、1.6GHz和1.8GHz三种。 Athlon 64系列CPU的核心类型 Clawhammer 采用0.13um制造工艺，核心电压1.5V左右，二级缓存为1MB，封装方式采用mPGA，采用Hyper Transport总线，内置1个128bit的内存控制器。采用Socket 754、Socket 940和Socket 939接口。 Newcastle 其与Clawhammer的最主要区别就是二级缓存降为512KB L2缓存及执行单元。除了多出一个核芯之外，从架构上相对于目前Athlon 64在架构上并没有任何重大的改变。 双核心Athlon 64 X2的大部分规格、功能

23、与我们熟悉的Athlon 64架构没有任何区别，也就是说新推出的Athlon 64 X2双核心处理器仍然支持1GHz规格的HyperTransport总线，并且内建了支持双通道设置的DDR内存控制器。 与Intel双核心处理器不同的是，Athlon 64 X2的两个内核并不需要经过MCH进行相互之间的协调。AMD在Athlon 64 X2双核心处理器的内部提供了一个称为System Request Queue(系统请求队列的技术，在工作的时候每一个核心都将其请求放在SRQ中，当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心，也就是说所有的处理过程都在CPU核心范围之内完成，并不需要借助外部设备。 对

24、于双核心架构，AMD的做法是将两个核心整合在同一片硅晶内核之中，而Intel的双核心处理方式则更像是简单的将两个核心做到一起而已。与Intel的双核心架构相比，AMD双核心处理器系统不会在两个核心之间存在传输瓶颈的问题。因此从这个方面来说，Athlon 64 X2的架构要明显优于Pentium D架构。 虽然与Intel相比，AMD并不用担心Prescott核心这样的功耗和发热大户，但是同样需要为双核心处理器考虑降低功耗的方式。为此AMD并没有采用降低主频的办法，而是在其使用90nm工艺生产的Athlon 64 X2处理器中采用了所谓的Dual Stress Liner应变硅技术，与SOI技术

25、配合使用，能够生产出性能更高、耗电更低的晶体管。 AMD推出的Athlon 64 X2处理器给用户带来最实惠的好处就是，不需要更换平台就能使用新推出的双核心处理器，只要对老主板升级一下BIOS就可以了，这与Intel双核心处理器必须更换新平台才能支持的做法相比，升级双核心系统会节省不少费用。 英特尔CPU核心 Tualatin 这也就是大名鼎鼎的图拉丁核心，是Intel在Socket 370架构上的最后一种CPU核心，采用0.13um制造工艺，封装方式采用FC-PGA2和PPGA，核心电压也降低到了1.5V左右，主频范围从1GHz到1.4GHz，外频分别为100MHz赛扬）和133MHzPen

26、tium III），二级缓存分别为512KBPentium III-S）和256KBPentium III和赛扬），这是最强的Socket 370核心，其性能甚至超过了早期低频的Pentium 4系列CPU。 Willamette 这是早期的Pentium 4和P4赛扬采用的核心，最初采用Socket 423接口，后来改用Socket 478接口赛扬只有1.7GHz和1.8GHz两种，都是Socket 478接口），采用0.18um制造工艺，前端总线频率为400MHz， 主频范围从1.3GHz到2.0GHzSocket 423）和1.6GHz到2.0GHzSocket 478），二级缓存分别为

27、256KBPentium 4）和128KB赛扬），注意，另外还有些型号的Socket 423接口的Pentium 4居然没有二级缓存！核心电压1.75V左右，封装方式采用Socket 423的PPGA INT2，PPGA INT3，OOI 423-pin，PPGA FC-PGA2和Socket 478的PPGA FC-PGA2以及赛扬采用的PPGA等等。Willamette核心制造工艺落后，发热量大，性能低下，已经被淘汰掉，而被Northwood核心所取代。 Northwood 这是目前主流的Pentium 4和赛扬所采用的核心，其与Willamette核心最大的改进是采用了0.13um制造工

28、艺，并都采用Socket 478接口，核心电压1.5V左右，二级缓存分别为128KB赛扬）和512KBPentium 4），前端总线频率分别为400/533/800MHz赛扬都只有400MHz），主频范围分别为2.0GHz到2.8GHz赛扬），1.6GHz到2.6GHz400MHz FSB Pentium 4），2.26GHz到3.06GHz533MHz FSB Pentium 4）和2.4GHz到3.4GHz800MHz FSB Pentium 4），并且3.06GHz Pentium 4和所有的800MHz Pentium 4都支持超线程技术Hyper-Threading Technolo

29、gy），封装方式采用PPGA FC-PGA2和PPGA。按照Intel的规划，Northwood核心会很快被Prescott核心所取代。 Prescott 这是Intel最新的CPU核心，目前Pentium 4 XXX如Pentium 4 530）和Celeron D采用该核心，还有少量主频在2.8GHz以上的CPU采用该核心。其与Northwood最大的区别是采用了0.09um制造工艺和更多的流水线结构，初期采用Socket 478接口，目前生产的全部转到LGA 775接口，核心电压1.25-1.525V，前端总线频率为533MHz不支持超线程技术）和800MHz支持超线程技术），最高有1066MHz的Pentium 4至尊版。其与Northwood相比，其L1 数据缓存从8KB增加到16KB，而L2缓存则从512KB增加到1MB或