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從CPU的技術參數認識CPU

時間:2004/10/8 15:32:00來源:本站整理作者:藍點我要評論(0)


一、CPU的內部結構與工作原理

  CPU是Central Processing Unit—中央處理器的縮寫,它由運算器和控制器組成,CPU的內部結構可分為控制單元,邏輯單元和存儲單元三大部分。

  CPU的工作原理就像一個工廠對產品的加工過程:進入工廠的原料(指令),經過物資分配部門(控制單元)的調度分配,被送往生產線(邏輯運算單元),生產出成品(處理后的數據)后,再存儲在倉庫(存儲器)中,最后等著拿到市場上去賣(交由應用程序使用)。

二、CPU的相關技術參數

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。很多人以為認為CPU的主頻指的是CPU運行的速度,實際上這個認識是很片面的。CPU的主頻表示在CPU內數字脈沖信號震蕩的速度,與CPU實際的運算能力是沒有直接關系的。

  當然,主頻和實際的運算速度是有關的,但是目前還沒有一個確定的公式能夠實現兩者之間的數值關系,而且CPU的運算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標。由于主頻并不直接代表運算速度,所以在一定情況下,很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象。因此主頻僅僅是CPU性能表現的一個方面,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。外頻是CPU與主板之間同步運行的速度,而且目前的絕大部分電腦系統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,實現兩者間的同步運行狀態。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與內存直接數據交換速度。由于數據傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率,即數據帶寬=(總線頻率×數據帶寬)/8。

  外頻與前端總線(FSB)頻率的區別:前端總線的速度指的是數據傳輸的速度,外頻是CPU與主板之間同步運行的速度。也就是說,100MHz外頻特指數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可接受的數據傳輸量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。

4.倍頻系數

  倍頻系數是指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與系統之間數據傳輸速度是有限的,一味追求高倍頻而得到高主頻的CPU就會出現明顯的“瓶頸”效應—CPU從系統中得到數據的極限速度不能夠滿足CPU運算的速度。

5.緩存

  緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器,它先于內存與CPU交換數據,因此速度很快。L1 Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存。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1MB-3MB。

6.CPU擴展指令集

  CPU擴展指令集指的是CPU增加的多媒體或者是3D處理指令,這些擴展指令可以提高CPU處理多媒體和3D圖形的能力。著名的有MMX(多媒體擴展指令)、SSE(因特網數據流單指令擴展)和3DNow!指令集。

7.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。其中內核電壓的大小是根據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1.6~3V。低電壓能解決耗電過大和發熱過高的問題。

8.制造工藝

  指在硅材料上生產CPU時內部各元器材的連接線寬度,一般用微米表示。微米值越小制作工藝越先進,CPU可以達到的頻率越高,集成的晶體管就可以更多。目前Intel的P4和AMD的XP都已經達到了0.13微米的制造工藝,明年將達到0.09微米的制作工藝。

第一部分為處理器的類型,其中Processor(處理器)為AMD Athlon XP CPU;Platform(封裝)是Scoket 462插腳;Vendor String(廠商)為AMD;Family、Model、Stepping ID組成系列號,可以用來識別CPU的型號;Name String(名稱)為AMD的Athlon系列CPU。

  第二部分為處理器的頻率參數。其中Internal Clock即CPU的主頻,可以看到這款CPU的主頻為2079.54MHz,即2.0G;System Bus即前端總線,這款為332.73,并非標準的前端總線,因此是超了外頻的CPU;System Clock即外頻,即為166.36MHz,是超了外頻的CPU; Multiplier即倍頻,這款CPU的倍頻為12.5。

  第三部分為處理器的緩存情況。L1 I-Cache:L1 I-緩存,這款CPU為64k;L1 D-Cache:L1 D-緩存,同樣為64K;L2 Cache:L2 緩存,這款CPU的L2 緩存達到256K;L2 Speed:L2 速度,和CPU的主頻一樣。

  第四部分為處理器所支持的多媒體擴展指令集,可以看到這款CPU所支持的指令集有MMX、MMX+、SSE、3DNOW!、3DNOW!+,但是不支持SSE2指令。

9.指令集

(1)X86指令集

  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據處理能力而增加了X87芯片,以后就將X86指令集和X87指令集統稱為X86指令集。

  雖然隨著CPU技術的不斷發展,Intel陸續研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下簡為P4)系列,但為了保證電腦能繼續運行以往開發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。

(2)RISC指令集

  RISC指令集是以后高性能CPU的發展方向。它與傳統的CISC(復雜指令集)相對。相比而言,RISC的指令格式統一,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。而且RISC指令集還兼容原來的X86指令集。

10.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的位數叫字長。所以能處理字長為8位數據的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位的二進制數據。當前的CPU都是32位的CPU,但是字長的最佳是CPU發展的一個趨勢。AMD未來將推出64位的CPU-Atlon64。未來必然是64位CPU的天下。

11.IA-32、IA-64架構

  IA是Intel Architecture(英特爾體系結構)的英語縮寫,IA-32或IA-64是指符合英特爾結構字長為32或64位的CPU,其他公司所生產的與Intel產品相兼容的CPU也包括在這一范疇。當前市場上所有的X86系列CPU仍屬IA-32架構。AMD即將推出Athlon64是IA-64架構的CPU。

12.流水線與超流水線

  流水線(pipeline)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行,這樣就能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令,因此提高CPU的運算速度。

  超流水線(superpiplined)是指某型CPU內部的流水線超過通常的5—6步以上,例如Pentium pro的流水線就長達14步。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,很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象,Intel的奔騰4就出現了這種情況,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。

13.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封裝技術的發展方向以節約成本為主。

作者:dongge 

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