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1、最新CPU基本参数知识详解2012CPU基本参数知识详解在电子技术中， 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=

2、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（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

3、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，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 AMD公司的AthlonXP 系列 CPU大多都能已较低的主频，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。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， 假设某个 CPU在一个时钟周期内执行一条运

4、算指令，那么当 CPU运行在 100MHz主频时，将比它运行在 50MHz主频时速度快一倍。因为 100MHz的时钟周期比 50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在 100MHz主频的 CPU执行一条运算指令所需时间仅为 10ns 比工作在 50MHz主频时的 20ns 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

5、片上制造的， 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。什么是总线？微机中总线一般有内部总线、 系统总线和外部总线。 内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线， 用于芯片一级的互连； 而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。什么是前端总线：“前端总线”这个名称是由 AMD在推出 K7 CPU时提出

6、的概念，但是一直以来都被大家误认为这个名词不过是外频的另一个名称。我们所说的外频指的是 CPU与主板连接的速度， 这个概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的， 而前端总线的速度指的是数据传输的速度， 由于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、 1066MHz、1333MHz几种，前端总线频率越大，代表着 CPU与内存之间的数据传输量越大， 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

7、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。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

8、量最大的部件， 并和南桥芯片连接。 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 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

9、。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。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数据传输的速度，外频是 CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说， 100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而 100MHz前端总线指的是每秒钟 CPU可接受的数据传输量是100MHz64bit=6400Mbit/s=800MByte/s （ 1Byte=8bit ）。二级缓存CPU缓存（ Cache

10、Memoney）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

11、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

12、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 （I-Cache ）和指令缓存（D-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，还新增了一种一级追踪缓存，容量为 12KB.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。

13、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

14、 80%，剩下的 20%从二级缓存中读取。 由于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

15、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 18KB之间，二级缓存的容量则分为 128KB、256KB、512KB、1MB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。

16、双核心 CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单核心 CPU相比，最重要的就是两个内核的缓存所保存的数据要保持一致， 否则就会出现错误，为了解决这个问题不同的 CPU使用了不同的办法：Intel 双核心处理器的二级缓存目前 Intel 的双核心 CPU主要有 Pentium D、Pentium EE、Core Duo三种，其中 Pentium D 、Pentium EE 的二级缓存方式完全相同。 Pentium D 和 Pentium EE 的二级缓存都是 CPU内部两个内核具有互相独立的二级缓存，其中， 8xx 系列的 Smithfield 核心 CPU为每核心 1MB，而 9xx 系列的 Pr

17、esler 核心 CPU为每核心 2MB。这种 CPU内部的两个内核之间的缓存数据同步是依靠位于主板北桥芯片上的仲裁单元通过前端总线在两个核心之间传输来实现的， 所以其数据延迟问题比较严重，性能并不尽如人意。Core Duo使用的核心为 Yonah，它的二级缓存则是两个核心共享 2MB的二级缓存，共享式的二级缓存配合 Intel 的“ Smart cache”共享缓存技术， 实现了真正意义上的缓存数据同步， 大幅度降低了数据延迟，减少了对前端总线的占用，性能表现不错，是目前双核心处理器上最先进的二级缓存架构。 今后 Intel 的双核心处理器的二级缓存都会采用这种两个内核共享二级缓存的“ Sm

18、art cache ”共享缓存技术。AMD双核心处理器的二级缓存Athlon 64 X2 CPU 的核心主要有 Manchester 和 Toledo 两种，他们的二级缓存都是 CPU内部两个内核具有互相独立的二级缓存， 其中， Manchester 核心为每核心 512KB，而 Toledo 核心为每核心 1MB。处理器内部的两个内核之间的缓存数据同步是依靠 CPU内置的System Request Interface( 系统请求接口， SRI) 控制，传输在 CPU内部即可实现。这样一来，不但 CPU资源占用很小，而且不必占用内存总线资源，数据延迟也比 Intel 的 Smithfield

19、 核心和 Presler 核心大为减少，协作效率明显胜过这两种核心。不过，由于这种方式仍然是两个内核的缓存相互独立， 从架构上来看也明显不如以 Yonah核心为代表的 Intel 的共享缓存技术 Smart Cache。CPU封装技术所谓“ CPU封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。 以 CPU为例，我们实际看到的体积和外观并不是真正的 CPU内核的大小和面貌，而是 CPU内核等元件经过封装后的产品。CPU封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于

20、封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的 PCB（印制电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用， 而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上， 这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。 因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。目前采用的 CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来， 能起着密封和提高芯片电热性能的作用。 由于现在处理器芯片的内频越来越高，功能越来越强，引脚数越来越多， 封装的外形也不断在

21、改变。封装时主要考虑的因素：芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近 1:1引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能基于散热的要求，封装越薄越好作为计算机的重要组成部分， CPU的性能直接影响计算机的整体性能。而 CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是 CPU的封装技术，采用不同封装技术的 CPU，在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的 CPU产品。CPU芯片的封装技术：DIP 封装DIP 封装（ Dual In-line Package），也叫双列直插式封装技术，指采用双列直插形式封装的集成电路芯片， 绝大多数中小规模集成电路均采用这

22、种封装形式，其引脚数一般不超过 100。DIP 封装的 CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP 结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。 DIP 封装结构形式有： 多层陶瓷双列直插式 DIP，单层陶瓷双列直插式 DIP，引线框架式 DIP（含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式）等。DIP 封装具有以下特点：1.适合在 PCB(印刷电路板 ) 上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。最早的 4004、8008、8086、8088 等 CPU

23、都采用了 DIP 封装，通过其上的两排引脚可插到主板上的插槽或焊接在主板上。QFP封装这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术 （Plastic Quad Flat Pockage），该技术实现的 CPU芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式， 其引脚数一般都在 100 以上。该技术封装 CPU时操作方便，可靠性高；而且其封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用；该技术主要适合用SMT表面安装技术在 PCB上安装布线。QFP封装这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术 （Plastic Quad FlatPockage），该技术实现的 CPU芯片引脚之间距

24、离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式， 其引脚数一般都在 100 以上。该技术封装 CPU时操作方便，可靠性高；而且其封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用；该技术主要适合用SMT表面安装技术在 PCB上安装布线。PFP封装该技术的英文全称为 Plastic Flat Package ，中文含义为塑料扁平组件式封装。 用这种技术封装的芯片同样也必须采用 SMD技术将芯片与主板焊接起来。 采用 SMD安装的芯片不必在主板上打孔， 一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊盘。 将芯片各脚对准相应的焊盘，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很

25、难拆卸下来的。 该技术与上面的 QFP技术基本相似， 只是外观的封装形状不同而已。PGA封装该技术也叫插针网格阵列封装技术（ Ceramic Pin Grid Arrau Package），由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成 25 圈。安装时，将芯片插入专门的 PGA插座。为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸， 从 486 芯片开始，出现了一种 ZIF CPU插座，专门用来满足 PGA封装的 CPU在安装和拆卸上的要求。 该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。BGA封装BGA技术（ Ball Grid Arr

26、ay Package ）即球栅阵列封装技术。该技术的出现便成为 CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。 但 BGA封装占用基板的面积比较大。 虽然该技术的 I/O 引脚数增多，但引脚之间的距离远大于 QFP，从而提高了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接， 从而可以改善它的电热性能。 另外该技术的组装可用共面焊接， 从而能大大提高封装的可靠性；并且由该技术实现的封装 CPU信号传输延迟小， 适应频率可以提高很大。BGA封装具有以下特点：1.I/O 引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于 QFP封装方式，提高了成品率2.虽然 BGA的功耗增加， 但由于采用的是

27、可控塌陷芯片法焊接， 从而可以改善电热性能3.信号传输延迟小，适应频率大大提高4.组装可用共面焊接，可靠性大大提高目前较为常见的封装形式：OPGA封装OPGA（Organic pin grid Array ，有机管脚阵列）。这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似印刷电路板上的材料。 此种封装方式可以降低阻抗和封装成本。 OPGA封装拉近了外部电容和处理器内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。 AMD公司的AthlonXP系列CPU大多使用此类封装。mPGA封装mPGA，微型 PGA封装，目前只有 AMD公司的 Athlon 64 和英特尔公司的 Xeon（至强）系列 CPU等少数产品

28、所采用，而且多是些高端产品，是种先进的封装形式。CPGA封装CPGA也就是常说的陶瓷封装，全称为 Ceramic PGA。主要在 Thunderbird （雷鸟）核心和“ Palomino ”核心的 Athlon 处理器上采用。FC-PGA封装FC-PGA封装是反转芯片针脚栅格阵列的缩写，这种封装中有针脚插入插座。 这些芯片被反转， 以至片模或构成计算机芯片的处理器部分被暴露在处理器的上部。 通过将片模暴露出来， 使热量解决方案可直接用到片模上， 这样就能实现更有效的芯片冷却。 为了通过隔绝电源信号和接地信号来提高封装的性能， FC-PGA处理器在处理器的底部的电容放置区域（处理器中心）安有离

29、散电容和电阻。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。 此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。 FC-PGA封装用于奔腾 III 和英特尔 赛扬 处理器，它们都使用 370 针。FC-PGA2封装FC-PGA2 封装与 FC-PGA 封装类型很相似， 除了这些处理器还具有集成式散热器 (IHS) 。集成式散热器是在生产时直接安装到处理器片上的。由于 IHS 与片模有很好的热接触并且提供了更大的表面积以更好地发散热量， 所以它显著地增加了热传导。 FC-PGA2封装用于奔腾 III 和英特尔赛扬处理器（370 针）和奔腾 4 处理器（478 针）。OOI封装OOI 是 OLGA 的简写。

30、OLGA代表了基板栅格阵列。 OLGA芯片也使用反转芯片设计， 其中处理器朝下附在基体上， 实现更好的信号完整性、更有效的散热和更低的自感应。 OOI 有一个集成式导热器(IHS)，能帮助散热器将热量传给正确安装的风扇散热器。OOI用于奔腾4处理器，这些处理器有423 针。PPGA封装“PPGA”的英文全称为“ Plastic Pin Grid Array ”，是塑针栅格阵列的缩写，这些处理器具有插入插座的针脚。为了提高热传导性，PPGA在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。 此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。S.E.C.C. 封装“S.E.C.C. ”