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CPU講解大全

CPU知識大全

1.電源頻率

主頻也叫時鐘頻率,單位是MHz,用來表示CPU的運行速度。CPU主頻=外部頻率×倍頻系數。很多人認為主頻決定了CPU的運行速度,這不僅是片面的,對於服務器來說也是偏頗的。到目前為止,還沒有壹個確定的公式可以實現主頻與實際運行速度之間的數值關系。即使是Intel和AMD這兩大處理器廠商,在這壹點上也有很大的爭議。從英特爾產品的發展趨勢可以看出,英特爾非常重視加強自身主頻的發展。和其他處理器廠商壹樣,曾經有人拿壹個1G的全美達做對比,運行效率相當於2G的Intel處理器。

所以CPU的主頻和CPU的實際運算能力沒有直接關系,主頻表示的是CPU中數字脈沖信號振蕩的速度。在英特爾的處理器產品中,我們也可以看到這樣的例子:1 GHz的安騰芯片幾乎可以和2.66 GHz的至強/驍龍壹樣快,或者說1.5 GHz的安騰2大約和4 GHz的至強/驍龍壹樣快。CPU的運行速度取決於CPU流水線各方面的性能指標。

當然主頻和實際運行速度有關。只能說主頻只是CPU性能的壹個方面,並不代表CPU的整體性能。

2.外部頻率

外部頻率是CPU的參考頻率,單位是MHz。CPU的外接頻率決定了整個主板的運行速度。說白了,在桌面,我們所說的超頻就是超級CPU的外頻(當然壹般來說,CPU的倍頻是鎖定的)。我相信這是很好理解的。但是對於服務器CPU來說,超頻是絕對不允許的。前面說過,CPU決定主板的運行速度,兩者同步運行。如果服務器CPU超頻,改變外部頻率,就會出現異步運行(很多臺式電腦的主板都支持異步運行),造成整個服務器系統的不穩定。

目前大部分電腦系統中的外接頻率也是內存和主板同步運行的速度。這樣就可以理解為CPU的外部頻率直接與內存相連,實現兩者的同步運行。外部頻率和前端總線(FSB)頻率很容易混淆。下面前端總線給我們介紹壹下兩者的區別。

3.FSB頻率

前端總線(FSB)的頻率直接影響CPU與內存直接數據交換的速度。有壹個公式可以計算出來,就是數據帶寬=(總線頻率×數據帶寬)/8,數據傳輸的最大帶寬取決於同時傳輸的所有數據的寬度和傳輸頻率。比如目前支持64位的Xeon Nocona,其前端總線為800MHz。根據公式,其最大數據傳輸帶寬為6.4GB/ s..

外頻和FSB頻率的區別:FSB的速度是指數據傳輸的速度,外頻是指CPU和主板同步運行的速度。換句話說,100MHz的外部頻率意味著數字脈沖信號每秒振蕩1000萬次;100MHz前端總線是指CPU每秒可接受的數據傳輸能力為100 MHz×64 bit÷8 byte/bit = 800 MB/s。

事實上,“HyperTransport”架構的出現在實際意義上改變了FSB的頻率。之前,我們知道IA-32架構必須有三個重要的組件:內存控制器中樞(MCH)、I/O控制器中樞和PCI中樞,比如英特爾的典型芯片組Intel 7501和Intel7505,它們是為雙至強處理器量身定制的。它們所包含的MCH為CPU提供了533MHz頻率的前端總線,配合DDR內存,前端總線的帶寬可以達到4.3GB/。然而,隨著處理器性能的不斷提高,給系統架構帶來了許多問題。“HyperTransport”架構不僅解決了問題,還更有效地提高了總線帶寬,如AMD皓龍處理器。靈活的HyperTransport I/O總線架構允許它集成內存控制器,使處理器可以直接與內存交換數據,而無需通過系統總線傳輸到芯片組。在這種情況下,AMD皓龍處理器中的前端總線(FSB)頻率不知道從哪裏開始。

4.CPU的位和字長

位:在數字電路和計算機技術中,采用二進制編碼,編碼只有“0”和“1”,其中“0”和“1”都是CPU中的壹位。

字長:在計算機技術中,CPU在單位時間內(同時)壹次能處理的二進制數的位數稱為字長。因此,能夠處理字長為8位的數據的CPU通常稱為8位CPU。同樣,32位CPU在單位時間內可以處理32位二進制數據。字節和字長的區別:由於常用的英文字符可以用8位二進制來表示,所以8位通常稱為壹個字節。字長的長度不是固定的,對於不同的CPU和字長是不壹樣的。8位CPU壹次只能處理壹個字節,而32位CPU壹次可以處理四個字節。同樣,字長為64位的CPU壹次可以處理8個字節。

5.倍頻系數

倍頻系數是指CPU主頻與外部頻率的相對比例關系。在外部頻率相同的情況下,倍頻越高,CPU頻率越高。但實際上,在外部頻率相同的前提下,高倍頻的CPU本身意義不大。這是因為CPU與系統之間的數據傳輸速度是有限的,壹味追求高倍頻來獲取高頻的CPU會有明顯的“瓶頸”效應——CPU從系統獲取數據的極限速度無法滿足CPU運行的速度。壹般英特爾的CPU除了工程版,都是用倍頻鎖定的,而AMD之前是不鎖定的。

緩存

緩存大小也是CPU的重要指標之壹,緩存的結構和大小對CPU的速度影響很大。CPU中的緩存運行頻率非常高,通常與處理器同頻,工作效率遠大於系統內存和硬盤。在實際工作中,CPU經常需要重復讀取同壹個數據塊,緩存容量的增加可以大大提高CPU內部讀取數據的命中率,而無需在內存或硬盤中尋找,從而提高系統性能。但是由於CPU芯片面積和成本的因素,緩存很小。

L1緩存是CPU的第壹層緩存,分為數據緩存和指令緩存。內置L1緩存的容量和結構對CPU的性能影響很大。然而,高速緩沖存儲器都是由靜態RAM構成的,並且結構復雜。在CPU的管芯面積不能太大的情況下,L1級緩存的容量不能做得太大。壹般服務器CPU的L1緩存容量通常為32-256 KB。

L2緩存是CPU的二級緩存,分為內部和外部芯片。內部芯片二級緩存運行速度與主頻相同,而外部二級緩存只有主頻的壹半。L2緩存容量也會影響CPU的性能。原則是CPU越大越好。目前國內最大的CPU容量為512KB,而服務器和工作站使用的CPU L2緩存高達256-1MB,有的高達2MB或3MB。

L3緩存(三級緩存)分為兩種,早期的外置,現在的內置。其實際作用在於,L3緩存的應用可以進壹步降低內存延遲,提高處理器在計算大數據量時的性能。降低內存延遲,提高大數據的計算能力,對遊戲很有幫助。但是,通過在服務器領域添加L3緩存,性能仍有顯著提高。例如,具有較大L3緩存的配置可以更有效地使用物理內存,因此它可以比較慢的磁盤I/O子系統處理更多的數據請求。具有更大L3緩存的處理器提供了更高效的文件系統緩存行為以及更短的消息和處理器隊列長度。

其實最早的L3緩存應用在AMD發布的K6-III處理器上。當時L3緩存並沒有集成到芯片中,而是由於制造工藝的原因集成到主板中。L3緩存,只能和系統總線頻率同步,和主存區別不大。後來,L3緩存是英特爾為服務器市場推出的安騰處理器。然後是P4EE和至強MP。英特爾還計劃在未來推出9MB三級高速緩存的Itanium2處理器和24MB三級高速緩存的雙核Itanium2處理器。

但是L3緩存對於提高處理器的性能並不是很重要。比如配備1MB三級緩存的至強MP處理器,依然不是驍龍的對手,這說明前端總線的增加會比緩存的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,每個CPU都設計有壹系列與其硬件電路相匹配的指令系統。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最有效的工具之壹。從目前的主流架構來看,指令集可分為復雜指令集和簡化指令集兩部分,而從具體應用來看,如英特爾的MMX(多媒體擴展)、SSE、SSE 2(流-單指令多數據-擴展2)、SEE3和AMD的3DNow!它們都是CPU的擴展指令集,分別增強了CPU的多媒體、圖形圖像和互聯網的處理能力。我們通常把CPU的擴展指令集稱為“CPU指令集”。SSE3指令集也是目前最小的指令集。以前,MMX包含57個命令,SSE包含50個命令,SSE2包含144個命令,SSE3包含13個命令。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將在未來的雙核處理器中加入對SSE3指令集的支持,全美達處理器也將支持該指令集。

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。通常,CPU的核心電壓小於或等於I/O電壓。其中,內核電壓的大小取決於CPU的生產工藝。壹般生產工藝越小,內核的工作電壓越低。I/O電壓壹般為1.6~5V。低電壓可以解決功耗過大和發熱量過大的問題。

9.制造工藝

制造工藝的微米是指集成電路中電路之間的距離。制造技術的趨勢是向更高密度發展。IC電路設計的密度越高,就意味著在相同尺寸和面積的IC中,妳可以擁有更高密度和更復雜功能的電路設計。現在主要的180nm,130nm,90nm。最近官方已經表示有65nm的制造工藝。

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