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计算机硬件大观－cpu篇（新）

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发表于： 2009-08-25 15:39 | 显示全部 短消息 资料
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计算机硬件大观－cpu篇（新）

前言


    本篇本着“不负责任”的态度 ，以自己所了解的知识，以平常人的视点来“观”电脑的主要硬件。
    本文其实是对于硬件一些常见的名词解释，但尽量不引用生涩难懂的专业术语，对于经常接触硬件，但对名词概念比较模糊的朋友们应有较大的帮助。但本人知识有限，难免出现疏漏以及偏差，请大家踊跃补充和指正。如果您有兴趣继续钻研，建议您去阅读一些有关的高级教材。
    最后，在您观看文章时最好将整篇文章全部看完后，再看括号中的注释。

Cpu（中央处理器）篇






    简单说，Cpu是一由块纯净的硅（一种半导体材料），通过光刻蚀和掺杂等方法使纯净硅形成门电路，经过测试封装后就是我们见到的cpu了。
    cpu在电脑中的主要作用就是将用户的命令进行运算（运算不单指数xxx算，还包括图形运算、逻辑运算等，这里将cpu的所有工作统称为“运算”）（没有看错，虽然现在显卡负担了大部分的图形运算，但仍有cpu参与），然后将运算结果反馈并由相关硬件输出结果。
    首先，cpu经过这么多年发展，已经产生N代的产品，cpu不同代产品在表面都标有对应的型号，可搜索“cpu型号表”来查询。另外不细分的话还有一个最简单的区分方法就是看接口类型了（还是有相同接口类型但是分代的产品），例如现在AMD主流的AM2接口，因为cpu下面有940根插针（没数过），我们又常叫它940接口。还有intel主流的SOCKET 775接口，不过它的cpu下面却都是触点，775个（仍没数过）触脚都在主板上，当然，也例行的称它为775接口。早期还有：（从奔腾时代开始，更早的X86系列接触过少。另全以针脚数来区分，熟悉SOCKET和SLOT接口的朋友可以给出对应表）
321接口：代表有奔腾mmx；AMD K6等等
370接口：代表有intel奔腾2、奔腾3；via C3等等
423接口：最早的奔腾4采用此接口
462接口：代表有amd早期K7、雷鸟、毒龙，近期的速龙，闪龙等等，此接口amd使用了相当长的时间
478接口：代表有intel 478奔腾4全系列
754接口：amd速龙64、fx系列
939接口：754的升级接口，amd速龙64、fx系列。940接口的上代产品，上市时间相当短，然后就被940所取代
    其实还有相当多的接口类型，但不常见或使用在服务器上，有兴趣的朋友可以查阅资料。
    cpu的主频是用外频*倍频得出的，是用来表示cpu的运算、处理数据的速度。虽然主频是越高越好，但主频不过是其中的一个参数，是不能完全代表CPU的性能的（没记错的话，主频是指cpu每秒计算加法的次数）。
    外频是cpu的基准频率，不过外频的意义在于它决定了主板的运行速度。对于服务器，主板须和cpu外频同步（同步是指工作频率相同），以免因为异步产生的不稳定（不过多数的台式机主板是支持异步的，不然怎么超频）。通常情况下，外频也是内存与主板之间的运行速度，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CPU与内存同步。（CPU、主板和内存都同步的配置，个人认为是最理想的）（早期的CPU外频和前端总线是相同的，所说的外频或前端总线是同一意思，但两者的意义并不相同）
    前端总线（fsb）通常是用来计算cpu与内存之间带宽用的，公式是：数据带宽＝(总线频率×数据位宽)/8（例如一个64位，100MHz的前端总线，数据带宽=100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s，这个数据就是CPU每秒钟可接受的数据传输量）。简单解释下带宽，带宽并不是指传输的数据多少，而是给数据一个“通道”，这个“通道”所能通过的大小叫做带宽的大小。计算机中带宽的大小是指单位时间里，能吞吐最大数据量，所以大家不要把带宽和硬件处理数据量搞混了。当然了，如果带宽大小不能满足硬件的处理数据量，就会形成瓶颈，影响硬件性能发挥了。相对前端总线，HyperTransport是近几年AMD CPU所使用的一种架构，单位也为MHZ，仍是用来计算带宽的（不同于前端总线，HyperTransport是为主板上的集成电路互连而设计的端到端总线技术，可以在内存控制器、磁盘控制器以及PCI总线控制器之间提供更高的数据传输带宽）。HyperTransport I/O总线体系结构让AMD的CPU整合了内存控制器，使处理器不通过系统总线传给芯片组而直接和内存交换数据。对于这样的情况，前端总线(FSB)频率在使用HyperTransport架构的AMD处理器中就不存在了。
    关于CPU的倍频，从计算CPU主频的公式上就可以看出，倍频即主频与外频之比的倍数，和性能基本无关。在相同的外频下，倍频越大，CPU的主频也就越高，但既然外频不变，CPU与系统之间数据传输速度有限，就会形成系统提供的数据不能满足CPU运算速度的瓶颈。
    缓存对CPU的性能有直接的影响。在实际工作中，CPU经常需要重复读取同样的数据块，而有了缓存后，就可以把这类数据存放在缓存里，而且因为CPU缓存的速度远远高于内存和硬盘，所以可以大幅度提升CPU性能，但因为芯片面积（CPU外壳大小不过几厘米见方，核心就更小了）和成本（比内存贵多了）限制，缓存都不大。缓存分有一级缓存、二级缓存和三级缓存。一级缓存是一种“静态RAM”（对于RAM和rom，在内存篇中介绍），分有数据缓存区和指令缓存区，分别用来存放数据和处理数据的指令。二级缓存采用的是“高速动态ram”（比普通“动态ram”速度要快）,性能不如“静态ram”，但有更高的集成度（占据空间小，静态是动态体积的6倍左右）和相对比较低的成本（静态是动态的4倍左右），是一种提升性能，但控制成本的办法。三级缓存的功能和二级缓存几乎相同，就不再单独介绍。从理论上讲，在一颗拥有二级缓存的CPU中，首先读取一级缓存，命中率约为80%。也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据约占数据总量的80%，然后剩下的20%从二级缓存中读取，命中率约16%，如果还找不到就只能到内存中找。所以在CPU核心不变的情况下，增加二级缓存可以大幅提升CPU性能。
    下面介绍个简单的知识：cpu的位。在电脑中采用的是二进制，代码只有“0”和“1”，所有的程序都是0和1这两个代码组成，每一个代码在CPU中都是一“位”。在电脑单位换算中，1字节=8位（位是电脑最小的单位。1kB=1024字节，1MB=1024kb，1gb=1024mb，1tb=1024gb）。下面就好理解了，32位cpu就代表单位时间内能处理32位，等于4个字节，64位就是能处理64位，等于8个字节了。
    常说的多核心，指单芯片多处理器（多个CPU共同工作的组成方式常在服务器或大型、巨型计算机上使用，例如“银河”超级计算机），也就是将多个处理器集成在同一个芯片内，各个处理器并行（同时）执行不同的进程。这的好处是多个程序一起运行时，多个处理器分别处理，效率远远高于单个CPU（可以理解成有好多事情，多人干要比一个人干快），不过对于运行单独程序，多核并没有明显的性能优势。
    说起多核，想到早先时候，Intel所使用的“超线程”技术，虽然在“任务管理器”中也是显示2个CPU，但并不是实际上的双核，而是利用CPU的剩余资源（有超线程技术的cpu都在2G以上，处理普通的程序往往只用不到百分之50的资源），通过主板芯片、操作系统等的支持，来模拟出另一个CPU。对于简单的多程序运行，“超线程”还是体现出一些优势。（大型程序？1个程序就把CPU资源占完了，这个时候”超线程”就完全没有意义了）
    每次cpu的升级换代，都是核心电路设计的进步。对于核心我们可以简单的理解为，核心设计的越好，cpu的执行效率越高。这样在相同的频率下，核心越好，处理命令的速度越快。例如频率相同（当然还有缓存的区别，但不能算主要原因）的奔腾2和奔腾3（指接口相同并且可用在同一主板上早期产品）在处理同一任务时，奔腾3处理速度明显领先于奔腾2。（这也是奔腾4时代，为什么amd的低频率cpu丝毫不逊于intel高频cpu的主要原因，虽然也有硬件软件方面对奔腾4支持不好的原因）
    集成在cpu中的扩展指令集，作用是增强cpu执行对应程序的效率，最有名的应属intel的奔腾mmx（增强CPU在音像、图形和通信应用方面的性能）和AMD的3DNow!了（作用是增强cpu的3D运算性能，尤其在3DMAX等软件应用时）。当年intel独大时，AMD就是靠3DNow!扩展指令集（当然不单单是）抢占了一部分市场。不少人都认为，如果当初没有3DNow!指令集，amd能否存活并发展到能几乎能和intel比肩的如此高度。
    这里还有一个大家不太关注的地方，那就是cpu的功耗了，功耗越小，发热量就越小（当初754接口的amd部分cpu就是靠低功耗的市场宣传占据了不少的市场。实际测试，十几分钟不用散热器真没问题，长时间没敢试），耗电也跟着降低了。



    对于cpu，以上只是大家常见到的一些名词的解释，而像“指令集”这类能写一本书的“非主流”知识，大家都可通过搜索资料来自行学习。

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最后编辑追光 最后编辑于 2009-08-25 15:42:14
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发表于： 2009-08-25 15:46 | 显示全部 短消息 资料
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相较第一篇发表的文章，这次增加了更多的知识，但相对较为难理解的术语也多了起来。
    不管怎么说，对于上次推迟所做的承诺终于兑现了，一身轻松，一身轻松。
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引用:
原帖由 sinoer 于 2009-8-25 15:41:00 发表
想了解这方面的知识，去intel、IBM、amd等厂商的网站看技术白皮书会更有收获

      是的，想了解更专业的知识，请查阅编辑严谨，资料丰富的官方“白皮书”。
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引用:
原帖由 sinoer 于 2009-8-25 15:47:00 发表
欢迎更新，多讲讲工艺、架构、指令集、能效等等

      要这种专业东西最好办了，到网上来个复制粘贴就成了 。不过，这种复制粘贴没意义的事情，好没动力地。
      下篇是内存，随后还有显卡、主板、硬盘等常见硬件名词的介绍。发表完后，我去翻翻相关资料，如果自认能对你所说知识有独到见解，我也就不私藏了，“大放厥词”一下，博大家一观。
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