电脑CPU详细系统知识讲解.docx

1、电脑CPU详细系统知识讲解我们就从电脑传统的“三大件”讲起。电脑“三大件”是指电脑的CPU、内存、硬盘，它们也是电脑运行的最基本组成部分，现在我们就分别为大家详细讲解这三个部分。【CPU 篇】CPU又称中央处理器，英文全称Central Processing Unit，它是一块超大规模集成电路芯片，内部是几千万个到数十亿个晶体管元件组成的十分复杂的电路，其中包括运算器、寄存器、控制器和总线（包括数据、控制、地址总线）等。它通过指令来进行运算和控制系统，它是整个系统的核心元件。 现在使用最多的CPU有Intel和AMD（Advance MicroDevices,Inc.)。最初的是16位处理器，

2、从386开始到了32位处理器，而且后来的32位处理器能够运行在16位处理器上运行的程序指令，就统称为x86系列处理器。现在桌面上已经开始普遍使用64位（x64）处理器了。一、CPU基础知识1、CPU核心简介CPU基础知识：CPU核心类型介绍核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核

3、心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。不同的CPU（不同系列或同一系列）都会有不同的核心类型（例如Pentium 4的Northwood，Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50以及最新酷睿2的Conroe等等），甚至同一种核心都会有不同版本的类型（例如Northwood核心就分为B0和C1等版本），核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误，并提升一定的性能，而这些变化普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺（例如0.25um、0.18um、0.13um、0.09um以及最新的65nm、45nm等）、核心面积（这是决定CPU成本的关键因

4、素，成本与核心面积基本上成正比）、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集（这两点是决定CPU实际性能和工作效率的关键因素）、功耗和发热量的大小、封装方式（例如S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等等）、接口类型（例如Socket 370，Socket A，Socket 478，Socket T，Slot 1，Socket 940，Socket AM2，LGA775等等）、前端总线频率（FSB）等等。因此，核心类型在某种程度上决定了CPU的工作性能。一般说来，新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能（例如同频的Northwood核心Pe

5、ntium 4 1.8A GHz就要比Willamette核心的Pentium4 1.8GHz性能要高），但这也不是绝对的，这种情况一般发生在新核心类型刚推出时，由于技术不完善或新的架构和制造工艺不成熟等原因，可能会导致新的核心类型的性能反而还不如老的核心类型的性能。例如，早期Willamette核心Socket 423接口的Pentium 4的实际性能不如Socket 370接口的Tualatin核心的Pentium III和赛扬，现在的低频Prescott核心Pentium 4的实际性能不如同频的Northwood核心Pentium 4等等，但随着技术的进步以及CPU制造商对新核心的不断改

6、进和完善，新核心的中后期产品的性能必然会超越老核心产品。目前市面上的英特尔酷睿2和AMD羿龙（Phenom）甚至最新的英特尔Core i7都是非常优秀的CPU。CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积（这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU的销售价格）、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能（例如集成内存控制器等等）以及双核心和多核心（也就是1个CPU内部有2个或更多个核心）等。CPU核心的进步对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。2、CPU主频CPU基础知识：CPU主频在

7、电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫）。电脑中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz（赫）、KHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1KHz=1000Hz。计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、s

8、（微秒）、ns（纳秒），其中：1s=1000ms，1 ms=1000s，1s=1000ns。CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。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”。很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然。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。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集，CPU的位数等等）。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下

9、，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。比如以往AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能以较低的主频，达到英特尔公司的Pentium 4系列CPU较高主频的CPU性能，所以AthlonXP系列CPU才以PR值的方式来命名。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。如今的CPU（如酷睿2）工艺先进，运算流水线短，其主频的高低在一定意义上又可以体现CPU性能的高低。不过现在Intel和AMD如今的命名方式都不以主频来命名，因此主频可以作为购买CPU的参考指数之一。CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。举个例子来说，

10、假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在1GHz主频时，将比它运行在500MHz主频时速度快一倍。因为1GHz的时钟周期比500MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在1GHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为1ns比工作在500MHz主频时的2ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。由于CPU是在半导体硅片上制造

11、的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。因此制造工艺的限制，是CPU主频发展的最大障碍之一。如今CPU制造工艺已经达到了45nm（如英特尔酷睿2系列），并且向更先进的制造工艺迈进。3、CPU外频CPU基础知识：CPU外频外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。在台式机中，我们所说的超频，都是超CPU的外频（当然一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服务器CPU来讲，超频是绝对不允许的。前面说到CPU决定着主板的运行速度，两者是同步运行的

12、，如果把服务器CPU超频了，改变了外频，会产生异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务器系统的不稳定。 目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度，在这种方式下，可以理解为CPU的外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。外频与前端总线(FSB)频率很容易被混为一谈，下面的前端总线介绍我们谈谈两者的区别。外频与前端总线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

13、总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技术（4倍并发），或者其他类似的技术实现。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，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。在外频仍然是133MHz的时候，前端总线的速度增加4倍变成了133X4=533MHz，当外频升到200MHz，前端总线变成800MHz。又如现在的酷睿2 E7200外频为266MHz，前端总线为266MHzX4=1066MHz。4、CPU前端总线CPU基础知识：CPU前端总线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。

14、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。选购主板和CPU时，要注意两者搭配问题，一般来说，如果CPU不超频，那么前端总线是由CPU决定的，如果主板不支持CPU所需要的前端总线，系统就无法工作。也就是说，需要主板和CPU都支持某个前端总线，系统才能工作，只不过一个CPU默认的前端总线是唯一的，因此看一个系统的前端总线主要看CPU就可以。北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过

15、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。如今PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz等几种，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

16、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。显然同等条件下，前端总线越快，系统性能越好。外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度指的是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PCI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

17、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QDR（Quad Date Rate）技术，或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。此外，在前端总线中比较特殊的是AMD的HyperTransport。5、CPU缓存（Cache）CPU基础知识：CPU缓存缓存大小是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于

18、系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存往往比较小。 L1 Cache（一级高速缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32256KB。 L2 Cache（二级高速缓存）是CPU的第二层高速缓存，

19、分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量一般都在的是256KB以上，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达更高。而酷睿2双核处理器则采用共享二级缓存的方式，如E7200的共享二级缓存为3MB。 L3 Cache（三级高速缓存），分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的

20、提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。三级缓存往往在高级甚至顶级CPU上才能看到。其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上，当时的L3缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。接着就是P4EE和至强MP。Intel Itanium2处理器采用9MB以上的L3缓存。但基本上L3缓存对处理

21、器的性能提高显得不是很重要，比方配备1MB L3缓存的Xeon MP处理器却仍然不是Opteron的对手，而前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升。6、CPU类型CPU基础知识：CPU适用类型“CPU适用类型”是指该处理器所适用的应用类型，针对不同用户的不同需求、不同应用范围，CPU被设计成各不相同的类型，即分为嵌入式和通用式、微控制式。嵌入式CPU主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，其应用极其广泛，像移动电话、DVD、机顶盒等都是使用嵌入式CPU。微控制式CPU主要用于汽车空调、自动机械等自控设备领域。而通用式CPU追求高性能，主要用于高性能个人计算机系统（即P

22、C台式机）、服务器（工作站）以及笔记本三种。台式机的CPU，就是平常大部分场合所提到的应用于PC的CPU，平常所说Intel的奔腾4、赛扬、AMD的AthlonXP等等都属于此类CPU。应用于服务器和工作站上的CPU，因其针对的应用范围，所以此类CPU在稳定性、处理速度、同时处理任务的数量等方面的要求都要高于单机CPU。其中服务器（工作站）CPU的高可靠性是普通CPU所无法比拟的，因为大多数的服务器都要满足每天24小时、每周7天的满负荷工作要求。由于服务器（工作站）数据处理量很大，需要采用多CPU并行处理结构，即一台服务器中安装2、4、8等多个CPU，需要注意的是，并行结构需要的CPU必须为偶

23、数个。对于服务器而言，多处理器可用于数据库处理等高负荷高速度应用；而对于工作站，多处理器系统则可以用于三维图形制作和动画文件编码等单处理器无法实现的高处理速度应用。另外许多CPU的新技术都是率先开发应用于服务器（工作站）CPU中。在最早期的CPU设计中并没有单独的笔记本CPU，均采用与台式机的CPU，后来随着笔记本电脑的散热和体积成为发展的瓶颈时，才逐渐生产出笔记本专用CPU。受笔记本内部空间、散热和电池容量的限制，笔记本CPU在外观尺寸、功耗（耗电量）方面都有很高的要求。笔记本电池性能是十分重要的性能，CPU的功耗大小对电池使用时间有着最直接的影响，所以为了降低功耗笔记本处理器中都包含有一些

24、节能技术。在无线网络将要获得更多应用的现在，笔记本CPU还增加了一些定制的针对无线通信的功能。服务器CPU和笔记本CPU都包含有各自独特的专有技术，都是为了更好的在各自的工作条件下发挥出更好的性能。比如服务器的多CPU并行处理，以及多核多线程技术；笔记本CPU的SpeedStep（可自动调整工作频率及电压）节能技术。封装方式三者也有不同之处，笔记本CPU是三者中最小最薄的一种，因为笔记本处理器的体积需要更小，耐高温的性能要更佳，因此在制造工艺上要求也就更高。三者在稳定性中以服务器CPU最强，因为其设计时就要求有极低的错误率，部分产品甚至要求全年满负荷工作，故障时间不能超过5分钟。台式机CPU工

25、作电压和功耗都高于笔记本CPU，通常台式机CPU的测试温度上限为75摄氏度，超过75摄氏度，工作就会不稳定，甚至出现问题；而笔记本CPU的测试温度上限为100摄氏度；服务器CPU需要长时间的稳定工作，在散热方面的要求就更高了。在选购整机尤其是有特定功能的计算机（如笔记本、服务器等）时，需要注意CPU的适用类型，选用不适合的CPU类型，一方面会影响整机的系统性能，另一方面会加大计算机的维护成本。单独选购CPU时候也要注意CPU的适用类型，建议按照具体应用的需求来购买CPU。7、了解CPU的生产制造过程普及讲座：了解CPU的生产制造过程现在市场上产品丰富，琳琅满目，当你使用着配置了最新款CPU的电

26、脑在互联网上纵横驰骋，在各种程序应用之间操作自如的时候，有没有兴趣去想一想这个头不大、功能不小的CPU是怎么制作出来的呢。在今天的半导体制造业中，计算机中央处理器无疑是受关注程度最高的领域，而这个领域中众所周知的两大巨头，其所遵循的处理器架构均为x86，而另外一家号称信息产业的蓝色巨人的IBM，也拥有强大的处理器设计与制造能力，它们最先发明了应变硅技术，并在90纳米的处理器制造工艺上走在最前列。在今天的文章中，我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。制造CPU的基本原料如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案是硅。这是不假，但硅又来自哪里

27、呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗？除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料，而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的，在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜。所谓电迁移问题，就是指当大量电子流

28、过一段导体时，导体物质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位，空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置，会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用。这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS(北木暴毕综合症)的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成，大幅提高芯片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪。这就是intel首次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进。不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积，同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快。除了这两样主要的材料之外，在芯片的

29、设计过程中还需要一些种类的化学原料，它们起着不同的作用，这里不再赘述。CPU制造的准备阶段在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作。而作为最主要的原料，硅的处理工作至关重要。首先，硅原料要进行化学提纯，这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。而后，将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过，许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此。为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净，及单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式

30、将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看，硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，不过只要企业肯投入大批资金来研究，还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程。单晶硅锭 在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭

31、切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要，它直接决定了成品CPU的质量。新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料，而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙，彼此之间发生原子力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性。今天的半导体制造多选择CMOS工艺(互补型金属氧化物半导体)。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下，切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上

32、刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计，这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下，必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造过程的后期，需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成。在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度，空气成分和加温时间，该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分，晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制，电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小。准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在