這18條背下來沒人敢和你忽悠CPU

2020-07-16 13:17:21

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1.主頻
　　主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz，用來表示CPU的運算速度。CPU的主頻＝外頻×倍頻系數(shù)。很多人認為主頻就決定著CPU的運行速度，這不僅是個片面的，而且對于服務器來講，這個認識也出現(xiàn)了偏差。至今，沒有一條確定的公式能夠實現(xiàn)主頻和實際的運算速度兩者之間的數(shù)值關系，即使是兩大處理器廠家Intel和AMD，在這點上也存在著很大的爭議，我們從Intel的產品的發(fā)展趨勢，可以看出Intel很注重加強自身主頻的發(fā)展。像其他的處理器廠家，有人曾經拿過一快1G的全美達來做比較，它的運行效率相當于2G的Intel處理器。
　　
　　所以，CPU的主頻與CPU實際的運算能力是沒有直接關系的，主頻表示在CPU內數(shù)字脈沖信號震蕩的速度。在Intel的處理器產品中，我們也可以看到這樣的例子：1 GHz Itanium芯片能夠表現(xiàn)得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一樣快，或是1.5 GHz Itanium 2大約跟4 GHz Xeon/Opteron一樣快。CPU的運算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標。
　　當然，主頻和實際的運算速度是有關的，只能說主頻僅僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，而不代表CPU的整體性能。
　　
　　2.外頻
　　外頻是CPU的基準頻率，單位也是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。說白了，在臺式機中，我們所說的超頻，都是超CPU的外頻（當然一般情況下，CPU的倍頻都是被鎖住的）相信這點是很好理解的。但對于服務器CPU來講，超頻是絕對不允許的。前面說到CPU決定著主板的運行速度，兩者是同步運行的，如果把服務器CPU超頻了，改變了外頻，會產生異步運行，（臺式機很多主板都支持異步運行）這樣會造成整個服務器系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
　　
　　目前的絕大部分電腦系統(tǒng)中外頻也是內存與主板之間的同步運行的速度，在這種方式下，可以理解為CPU的外頻直接與內存相連通，實現(xiàn)兩者間的同步運行狀態(tài)。外頻與前端總線(FSB)頻率很容易被混為一談，下面的前端總線介紹我們談談兩者的區(qū)別。
　　
　　3.前端總線(FSB)頻率
　　前端總線(FSB)頻率(即總線頻率)是直接影響CPU與內存直接數(shù)據(jù)交換速度。有一條公式可以計算，即數(shù)據(jù)帶寬＝(總線頻率×數(shù)據(jù)帶寬)/8，數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率。比方，現(xiàn)在的支持64位的至強Nocona，前端總線是800MHz，按照公式，它的數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬是6.4GB/秒。
　　
　　外頻與前端總線(FSB)頻率的區(qū)別：前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋忸l是CPU與主板之間同步運行的速度。也就是說，100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號在每秒鐘震蕩一千萬次；而100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。
　　
　　其實現(xiàn)在“HyperTransport”構架的出現(xiàn)，讓這種實際意義上的前端總線(FSB)頻率發(fā)生了變化。之前我們知道IA-32架構必須有三大重要的構件：內存控制器Hub (MCH) ,I/O控制器Hub和PCI Hub，像Intel很典型的芯片組 Intel 7501、Intel7505芯片組，為雙至強處理器量身定做的，它們所包含的MCH為CPU提供了頻率為533MHz的前端總線，配合DDR內存，前端總線帶寬可達到4.3GB/秒。但隨著處理器性能不斷提高同時給系統(tǒng)架構帶來了很多問題。而“HyperTransport”構架不但解決了問題，而且更有效地提高了總線帶寬，比方AMD Opteron處理器，靈活的HyperTransport I/O總線體系結構讓它整合了內存控制器，使處理器不通過系統(tǒng)總線傳給芯片組而直接和內存交換數(shù)據(jù)。這樣的話，前端總線(FSB)頻率在AMD Opteron處理器就不知道從何談起了。
　　
　　4、CPU的位和字長
　　位：在數(shù)字電路和電腦技術中采用二進制，代碼只有“0”和“1”，其中無論是 “0”或是“1”在CPU中都是一“位”。
　　字長：電腦技術中對CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以能處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時間內處理字長為32位的二進制數(shù)據(jù)。字節(jié)和字長的區(qū)別：由于常用的英文字符用8位二進制就可以表示，所以通常就將8位稱為一個字節(jié)。字長的長度是不固定的，對于不同的CPU、字長的長度也不一樣。8位的CPU一次只能處理一個字節(jié)，而32位的CPU一次就能處理4個字節(jié)，同理字長為64位的CPU一次可以處理8個字節(jié)。
　　
　　5.倍頻系數(shù)
　　倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關系。在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。但實際上，在相同外頻的前提下，高倍頻的CPU本身意義并不大。這是因為CPU與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸速度是有限的，一味追求高倍頻而得到高主頻的CPU就會出現(xiàn)明顯的“瓶頸”效應―CPU從系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)的極限速度不能夠滿足CPU運算的速度。一般除了工程樣版的Intel的CPU都是鎖了倍頻的，而AMD之前都沒有鎖。
　　
　　6.緩存
　　緩存大小也是CPU的重要指標之一，而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統(tǒng)內存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來考慮，緩存都很小。
　　
　　L1　Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內置的L1高速緩存的容量和結構對CPU的性能影響較大，不過高速緩沖存儲器均由靜態(tài)RAM組成，結構較復雜，在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級高速緩存的容量不可能做得太大。一般服務器CPU的L1緩存的容量通常在32―256KB。
　　L2　Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內部和外部兩種芯片。內部的芯片二級緩存運行速度與主頻相同，而外部的二級緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會影響CPU的性能，原則是越大越好，現(xiàn)在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服務器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高達256-1MB，有的高達2MB或者3MB。
　　
　　L3　Cache(三級緩存)，分為兩種，早期的是外置，現(xiàn)在的都是內置的。而它的實際作用即是，L3緩存的應用可以進一步降低內存延遲，同時提升大數(shù)據(jù)量計算時處理器的性能。降低內存延遲和提升大數(shù)據(jù)量計算能力對游戲都很有幫助。而在服務器領域增加L3緩存在性能方面仍然有顯著的提升。比方具有較大L3緩存的配置利用物理內存會更有效，故它比較慢的磁盤I/O子系統(tǒng)可以處理更多的數(shù)據(jù)請求。具有較大L3緩存的處理器提供更有效的文件系統(tǒng)緩存行為及較短消息和處理器隊列長度。
　　
　　其實最早的L3緩存被應用在AMD發(fā)布的K6-III處理器上，當時的L3緩存受限于制造工藝，并沒有被集成進芯片內部，而是集成在主板上。在只能夠和系統(tǒng)總線頻率同步的L3緩存同主內存其實差不了多少。后來使用L3緩存的是英特爾為服務器市場所推出的Itanium處理器。接著就是P4EE和至強MP。Intel還打算推出一款9MB L3緩存的Itanium2處理器，和以后24MB L3緩存的雙核心Itanium2處理器。
　　
　　但基本上L3緩存對處理器的性能提高顯得不是很重要，比方配備1MB L3緩存的Xeon MP處理器卻仍然不是Opteron的對手，由此可見前端總線的增加，要比緩存增加帶來更有效的性能提升。
　　
　　7.CPU擴展指令集
　　CPU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強弱也是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結構講，指令集可分為復雜指令集和精簡指令集兩部分，而從具體運用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的擴展指令集，分別增強了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會把CPU的擴展指令集稱為"CPU的指令集"。SSE3指令集也是目前規(guī)模最小的指令集，此前MMX包含有57條命令，SSE包含有50條命令，SSE2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。目前SSE3也是最先進的指令集，英特爾Prescott處理器已經支持SSE3指令集，AMD會在未來雙核心處理器當中加入對SSE3指令集的支持，全美達的處理器也將支持這一指令集。
　　
　　8.CPU內核和I/O工作電壓
　　從586CPU開始，CPU的工作電壓分為內核電壓和I/O電壓兩種，通常CPU的核心電壓小于等于I/O電壓。其中內核電壓的大小是根據(jù)CPU的生產工藝而定，一般制作工藝越小，內核工作電壓越低；I/O電壓一般都在1.6~5V。低電壓能解決耗電過大和發(fā)熱過高的問題。
　　
　　9.制造工藝
　　制造工藝的微米是指IC內電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發(fā)展。密度愈高的IC電路設計，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計?，F(xiàn)在主要的180nm、130nm、90nm。最近官方已經表示有65nm的制造工藝了。
　　10.指令集
　　
　　（1）CISC指令集
　　CISC指令集，也稱為復雜指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的縮寫）。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。其實它是英特爾生產的x86系列（也就是IA-32架構）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是現(xiàn)在新起的X86-64（也被成AMD64）都是屬于CISC的范疇。
　　
　　要知道什么是指令集還要從當今的X86架構的CPU說起。X86指令集是Intel為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發(fā)的，IBM1981年推出的世界第一臺PC機中的CPU―i8088(i8086簡化版)使用的也是X86指令，同時電腦中為提高浮點數(shù)據(jù)處理能力而增加了X87芯片，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。
　　雖然隨著CPU技術的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486直到過去的PII至強、PIII至強、Pentium 3，最后到今天的Pentium 4系列、至強（不包括至強Nocona），但為了保證電腦能繼續(xù)運行以往開發(fā)的各類應用程序以保護和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU（如AMD Athlon MP、）都使用X86指令集，所以就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。x86CPU目前主要有intel的服務器CPU和AMD的服務器CPU兩類。
　　
　?。?）RISC指令集
　　RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的縮寫，中文意思是“精簡指令集”。它是在CISC指令系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，有人對CISC機進行測試表明，各種指令的使用頻度相當懸殊，最常使用的是一些比較簡單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20％，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80％。復雜的指令系統(tǒng)必然增加微處理器的復雜性，使處理器的研制時間長，成本高。并且復雜指令需要復雜的操作，必然會降低計算機的速度?；谏鲜鲈?，20世紀80年代RISC型CPU誕生了，相對于CISC型CPU ,RISC型CPU不僅精簡了指令系統(tǒng)，還采用了一種叫做“超標量和超流水線結構”，大大增加了并行處理能力。RISC指令集是高性能CPU的發(fā)展方向。它與傳統(tǒng)的CISC(復雜指令集)相對。相比而言，RISC的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復雜指令集少。當然處理速度就提高很多了。目前在中高檔服務器中普遍采用這一指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。RISC指令系統(tǒng)更加適合高檔服務器的操作系統(tǒng)UNIX，現(xiàn)在Linux也屬于類似UNIX的操作系統(tǒng)。RISC型CPU與Intel和AMD的CPU在軟件和硬件上都不兼容。
　　
　　目前，在中高檔服務器中采用RISC指令的CPU主要有以下幾類：PowerPC處理器、SPARC處理器、PA-RISC處理器、MIPS處理器、Alpha處理器。
　　
　　（3）IA-64
　　
　　EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精確并行指令計算機）是否是RISC和CISC體系的繼承者的爭論已經有很多，單以EPIC體系來說，它更像Intel的處理器邁向RISC體系的重要步驟。從理論上說，EPIC體系設計的CPU，在相同的主機配置下，處理Windows的應用軟件比基于Unix下的應用軟件要好得多。
　　
　　Intel采用EPIC技術的服務器CPU是安騰Itanium（開發(fā)代號即Merced）。它是64位處理器，也是IA－64系列中的第一款。微軟也已開發(fā)了代號為Win64的操作系統(tǒng)，在軟件上加以支持。在Intel采用了X86指令集之后，它又轉而尋求更先進的64-bit微處理器，Intel這樣做的原因是，它們想擺脫容量巨大的x86架構,從而引入精力充沛而又功能強大的指令集，于是采用EPIC指令集的IA-64架構便誕生了。IA-64 在很多方面來說，都比x86有了長足的進步。突破了傳統(tǒng)IA32架構的許多限制，在數(shù)據(jù)的處理能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可用性、可觀理性等方面獲得了突破性的提高。
　　
　　IA-64微處理器最大的缺陷是它們缺乏與x86的兼容，而Intel為了IA-64處理器能夠更好地運行兩個朝代的軟件，它在IA-64處理器上（Itanium、Itanium2 ……)引入了x86-to-IA-64的解碼器，這樣就能夠把x86指令翻譯為IA-64指令。這個解碼器并不是最有效率的解碼器，也不是運行x86代碼的最好途徑（最好的途徑是直接在x86處理器上運行x86代碼），因此Itanium 和Itanium2在運行x86應用程序時候的性能非常糟糕。這也成為X86-64產生的根本原因。
　　
　?。?）X86-64 （AMD64 / EM64T）
　　
　　AMD公司設計，可以在同一時間內處理64位的整數(shù)運算，并兼容于X86-32架構。其中支持64位邏輯定址，同時提供轉換為32位定址選項；但數(shù)據(jù)操作指令默認為32位和8位，提供轉換成64位和16位的選項；支持常規(guī)用途寄存器，如果是32位運算操作，就要將結果擴展成完整的64位。這樣，指令中有“直接執(zhí)行”和“轉換執(zhí)行”的區(qū)別，其指令字段是8位或32位，可以避免字段過長。
　　
　　x86-64（也叫AMD64）的產生也并非空穴來風，x86處理器的32bit尋址空間限制在4GB內存，而IA-64的處理器又不能兼容x86。AMD充分考慮顧客的需求，加強x86指令集的功能，使這套指令集可同時支持64位的運算模式，因此AMD把它們的結構稱之為x86-64。在技術上AMD在x86-64架構中為了進行64位運算，AMD為其引入了新增了R8-R15通用寄存器作為原有X86處理器寄存器的擴充，但在而在32位環(huán)境下并不完全使用到這些寄存器。原來的寄存器諸如EAX、EBX也由32位擴張至64位。在SSE單元中新加入了8個新寄存器以提供對SSE2的支持。寄存器數(shù)量的增加將帶來性能的提升。與此同時，為了同時支持32和64位代碼及寄存器，x86-64架構允許處理器工作在以下兩種模式：Long Mode(長模式)和Legacy Mode(遺傳模式)，Long模式又分為兩種子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。該標準已經被引進在AMD服務器處理器中的Opteron處理器。
　　
　　而今年也推出了支持64位的EM64T技術，再還沒被正式命為EM64T之前是IA32E，這是英特爾64位擴展技術的名字,用來區(qū)別X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode，和AMD的X86-64技術類似，采用64位的線性平面尋址，加入8個新的通用寄存器（GPRs），還增加8個寄存器支持SSE指令。與AMD相類似，Intel的64位技術將兼容IA32和IA32E，只有在運行64位操作系統(tǒng)下的時候，才將會采用IA32E。IA32E將由2個sub-mode組成：64位sub-mode和32位sub-mode，同AMD64一樣是向下兼容的。Intel的EM64T將完全兼容AMD的X86-64技術。現(xiàn)在Nocona處理器已經加入了一些64位技術，Intel的Pentium 4E處理器也支持64位技術。
　　
　　應該說，這兩者都是兼容x86指令集的64位微處理器架構，但EM64T與AMD64還是有一些不一樣的地方，AMD64處理器中的NX位在Intel的處理器中將沒有提供。
　　
　　11.超流水線與超標量
　　在解釋超流水線與超標量前，先了解流水線(pipeline)。流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產上的裝配流水線。在CPU中由5―6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5―6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級流水，即指令預取、譯碼、執(zhí)行、寫回結果，浮點流水又分為八級流水。
　　
　　超標量是通過內置多條流水線來同時執(zhí)行多個處理器，其實質是以空間換取時間。而超流水線是通過細化流水、提高主頻，使得在一個機器周期內完成一個甚至多個操作，其實質是以時間換取空間。例如Pentium 4的流水線就長達20級。將流水線設計的步(級)越長，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應工作主頻更高的CPU。但是流水線過長也帶來了一定副作用，很可能會出現(xiàn)主頻較高的CPU實際運算速度較低的現(xiàn)象，Intel的奔騰4就出現(xiàn)了這種情況，雖然它的主頻可以高達1.4G以上，但其運算性能卻遠遠比不上AMD 1.2G的速龍甚至奔騰III。
　　
　　12.封裝形式
　　CPU封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設計，從大的分類來看通常采用Socket插座進行安裝的CPU使用PGA(柵格陣列)方式封裝，而采用Slot x槽安裝的CPU則全部采用SEC(單邊接插盒)的形式封裝?，F(xiàn)在還有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術。由于市場競爭日益激烈，目前CPU封裝技術的發(fā)展方向以節(jié)約成本為主。
　　
　　
　　13、多線程
　　
　　同時多線程Simultaneous multithreading，簡稱SMT。SMT可通過復制處理器上的結構狀態(tài)，讓同一個處理器上的多個線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可最大限度地實現(xiàn)寬發(fā)射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關或Cache未命中帶來的訪問內存延時。當沒有多個線程可用時，SMT處理器幾乎和傳統(tǒng)的寬發(fā)射超標量處理器一樣。SMT最具吸引力的是只需小規(guī)模改變處理器核心的設計，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術則可以為高速的運算核心準備更多的待處理數(shù)據(jù)，減少運算核心的閑置時間。這對于桌面低端系統(tǒng)來說無疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz Pentium 4開始，所有處理器都將支持SMT技術。
　　
　　14、多核心
　　
　　多核心，也指單芯片多處理器（Chip multiproces

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