处理器技术参数概念了解.pptx

CPUCPU是中央处理单元是中央处理单元(Central Process(Central Process Unit)Unit)的缩写，它可以被简称做微处理器的缩写，它可以被简称做微处理器（Microprocessor)Microprocessor)，不过经常被人们直，不过经常被人们直接称为接称为处理器处理器(processor)(processor)。CPUCPU是计算机的核心，作用和大脑相似，它是计算机的核心，作用和大脑相似，它负责处理、运算负责处理、运算计算机内部的绝大部分数据计算机内部的绝大部分数据，而，而主板芯片组主板芯片组则更像是心脏，则更像是心脏，它它控制着数据的交换控制着数据的交换。CPUCPU的种类决定了使用的操作系统和的种类决定了使用的操作系统和相应的软件相应的软件。CPUCPU主要由主要由运算器运算器、控制器控制器、寄存器组寄存器组和和内部内部总线总线等构成，是等构成，是PCPC的核心。的核心。CPUCPU主要的性能指标：主要的性能指标：1.1.主频主频主频也叫时钟频率，单位是主频也叫时钟频率，单位是MHzMHz，用来表示，用来表示CPUCPU的运算的运算速度。速度。CPUCPU的主频外频的主频外频倍频系数。倍频系数。很多人认为主频就决很多人认为主频就决定着定着CPUCPU的运行速度，这不仅是个片面的，而且对于服务器的运行速度，这不仅是个片面的，而且对于服务器来讲，这个认识也出现了偏差。至今，没有一条确定的公来讲，这个认识也出现了偏差。至今，没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值关系，式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值关系，即使是两大处理器厂家即使是两大处理器厂家IntelIntel和和AMDAMD，在这点上也存在着很，在这点上也存在着很大的争议。大的争议。CPUCPU的主频与的主频与CPUCPU实际的运算能力是没有直接关系的，实际的运算能力是没有直接关系的，主主频表示在频表示在CPUCPU内数字脉冲信号震荡的速度内数字脉冲信号震荡的速度。在。在IntelIntel的处理器的处理器产品中，我们也可以看到这样的例子：产品中，我们也可以看到这样的例子：1 GHz Itanium1 GHz Itanium芯片芯片能够表现得差不多跟能够表现得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron2.66 GHz Xeon/Opteron一样快，或是一样快，或是1.5 GHz Itanium 21.5 GHz Itanium 2大约跟大约跟4 GHz Xeon/Opteron4 GHz Xeon/Opteron一样快。一样快。CPUCPU的运算速度还要看的运算速度还要看CPUCPU的流水线的各方面的性能指标。的流水线的各方面的性能指标。当然，主频和实际的运算速度是有关的，只能说主频仅当然，主频和实际的运算速度是有关的，只能说主频仅仅是仅是CPUCPU性能表现的一个方面，而不代表性能表现的一个方面，而不代表CPUCPU的整体性能。的整体性能。2.2.外频外频外频是外频是CPUCPU的基准频率，单位也是的基准频率，单位也是MHzMHz。CPUCPU的外频决定着整块的外频决定着整块主板的运行速度主板的运行速度。说白了，在台式机中，我们所说的超频，。说白了，在台式机中，我们所说的超频，都是超都是超CPUCPU的外频（当然一般情况下，的外频（当然一般情况下，CPUCPU的倍频都是被锁住的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服务器的）相信这点是很好理解的。但对于服务器CPUCPU来讲，超频是来讲，超频是绝对不允许的。前面说到绝对不允许的。前面说到CPUCPU决定着主板的运行速度，两者是决定着主板的运行速度，两者是同步运行的，如果把服务器同步运行的，如果把服务器CPUCPU超频了，改变了外频，会产生超频了，改变了外频，会产生异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务器系统的不稳定。整个服务器系统的不稳定。目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度同步运行的速度，在这种方式下，可以理解为，在这种方式下，可以理解为CPUCPU的外频直的外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。外频与前端接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。外频与前端总线总线(FSB)(FSB)频率很容易被混为一谈，下面的前端总线介绍我频率很容易被混为一谈，下面的前端总线介绍我们谈谈两者的区别。们谈谈两者的区别。3.3.前端总线前端总线(FSB)(FSB)频率频率前端总线前端总线(FSB)(FSB)频率频率(即总线频率即总线频率)是是直接影响直接影响CPUCPU与与内存直接数据交换速度内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即。有一条公式可以计算，即数据带宽数据带宽(总线频率总线频率数据位宽数据位宽)/8)/8，数据传输最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大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率率。比方，现在的支持。比方，现在的支持6464位的至强位的至强NoconaNocona，前端总，前端总线是线是800MHz800MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4GB/6.4GB/秒。秒。外频与前端总线外频与前端总线(FSB)(FSB)频率的区别：频率的区别：前端总线的前端总线的速度指的是数据传输的速度速度指的是数据传输的速度，外频是外频是CPUCPU与主板之间与主板之间同步运行的速度同步运行的速度。也就是说，。也就是说，100MHz100MHz外频特指数字外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100MHz100MHz前端总前端总线指的是每秒钟线指的是每秒钟CPUCPU可接受的数据传输量是可接受的数据传输量是100MHz64bit8bit/Byte=800MB/s100MHz64bit8bit/Byte=800MB/s。4 4、CPUCPU的位和字长的位和字长位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0 0”和和“1 1”，其中无论是，其中无论是 “0 0”或是或是“1 1”在在CPUCPU中都是中都是 一一“位位”。字长：电脑技术中对字长：电脑技术中对CPUCPU在单位时间内在单位时间内(同一时间同一时间)能一次处能一次处理的二进制数的位数叫字长理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为。所以能处理字长为8 8位数据的位数据的CPUCPU通常就叫通常就叫8 8位的位的CPUCPU。同理。同理3232位的位的CPUCPU就能在单位时间内处理字长就能在单位时间内处理字长为为3232位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字符用符用8 8位二进制就可以表示，所以通常就将位二进制就可以表示，所以通常就将8 8位称为一个字节位称为一个字节。字长的长度是不固定的，对于不同的字长的长度是不固定的，对于不同的CPUCPU、字长的长度也不一样。、字长的长度也不一样。8 8位的位的CPUCPU一次只能处理一个字节，而一次只能处理一个字节，而3232位的位的CPUCPU一次就能处理一次就能处理4 4个字节，同理个字节，同理字长为字长为6464位的位的CPUCPU一次可以处理一次可以处理8 8个字节个字节。5.5.倍频系数倍频系数倍频系数是指倍频系数是指CPUCPU主频与外频之间的相对比例关系。主频与外频之间的相对比例关系。CPUCPU的主频外频的主频外频倍频系数。倍频系数。在相同的外频下，倍频越高在相同的外频下，倍频越高CPUCPU的的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPUCPU本身意义并不大。这是因为本身意义并不大。这是因为CPUCPU与系统之间数据传输速度是有与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高倍频而得到高主频的限的，一味追求高倍频而得到高主频的CPUCPU就会出现明显的就会出现明显的“瓶颈瓶颈”效应效应CPUCPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPUCPU运算的速度。一般除了工程样版的运算的速度。一般除了工程样版的IntelIntel的的CPUCPU都是锁了倍频的，都是锁了倍频的，而而AMDAMD之前都没有锁，现在之前都没有锁，现在AMDAMD推出了黑盒版推出了黑盒版CPUCPU（即不锁倍频（即不锁倍频版本，用户可以自由调节倍频，调节倍频的超频方式比调节外版本，用户可以自由调节倍频，调节倍频的超频方式比调节外频稳定得多。）频稳定得多。）6.6.缓存缓存缓存大小也是缓存大小也是CPUCPU的重要指标之一，而且的重要指标之一，而且缓存的结构和大小缓存的结构和大小对对CPUCPU速度的影响非常大速度的影响非常大，CPUCPU内缓存的运行频率极高，一般是内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际。实际工作时，工作时，CPUCPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升大，可以大幅度提升CPUCPU内部读取数据的命中率，而不用再到内内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPUCPU芯片面积芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。和成本的因素来考虑，缓存都很小。L1L1Cache(Cache(一级缓存一级缓存)是是CPUCPU第一层高速缓存，分为数据第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的缓存和指令缓存。内置的L1L1高速缓存的容量和结构对高速缓存的容量和结构对CPUCPU的的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAMRAM组成，结组成，结构较复杂，在构较复杂，在CPUCPU管芯面积不能太大的情况下，管芯面积不能太大的情况下，L1L1级高速缓级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器存的容量不可能做得太大。一般服务器CPUCPU的的L1L1缓存的容量缓存的容量通常在通常在3232256KB256KB。L2L2Cache(Cache(二级缓存二级缓存)是是CPUCPU的第二层高速缓存，分内部的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2L2高速缓存容量也会高速缓存容量也会影响影响CPUCPU的性能，原则是越大越好的性能，原则是越大越好，以前家庭用，以前家庭用CPUCPU容量最大容量最大的是的是512KB512KB，现在笔记本电脑中也可以达到，现在笔记本电脑中也可以达到2M2M，而服务器和，而服务器和工作站上用工作站上用CPUCPU的的L2L2高速缓存更高，可以达到高速缓存更高，可以达到8M8M以上。以上。L3L3Cache(Cache(三级缓存三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，的都是内置的。而它的实际作用即是，L3L3缓存的应用可以进缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加而在服务器领域增加L3L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大比方具有较大L3L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘较慢的磁盘I/OI/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。和处理器队列长度。但基本上但基本上L3L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，比方配备比方配备1MB L31MB L3缓存的缓存的Xeon MPXeon MP处理器却仍然不是处理器却仍然不是OpteronOpteron的的对手，可见对手，可见前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升能提升。7.CPU7.CPU扩展指令集扩展指令集8.CPU8.CPU内核和内核和I/OI/O工作电压工作电压从从586CPU586CPU开始，开始，CPUCPU的工作电压分为内核电压和的工作电压分为内核电压和I/OI/O电压两种，电压两种，通常通常CPUCPU的核心电压小于等于的核心电压小于等于I/OI/O电压。其中内核电压的大小电压。其中内核电压的大小是根据是根据CPUCPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；电压越低；I/OI/O电压一般都在电压一般都在1.65V1.65V。低电压能解决耗电过低电压能解决耗电过大和发热过高的问题大和发热过高的问题。9.9.制造工艺制造工艺制造工艺的微米是指制造工艺的微米是指ICIC内电路与电路之间的距离内电路与电路之间的距离。制造工艺的。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的ICIC电路设计，意电路设计，意味着在同样大小面积的味着在同样大小面积的ICIC中，可以拥有密度更高、功能更复杂中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。现在主要的的电路设计。现在主要的180nm180nm、130nm130nm、90nm90nm、65nm65nm、45nm45nm。10.10.指令集指令集（1 1）CISCCISC指令集指令集（2 2）RISCRISC指令集指令集（3 3）IA-64IA-64（4 4）X86-64 X86-64（AMD64/EM64TAMD64/EM64T）11.11.超流水线与超标量超流水线与超标量 12.12.封装形式封装形式CPUCPU封装是采用特定的材料将封装是采用特定的材料将CPUCPU芯片或芯片或CPUCPU模块固化在模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPUCPU才能交付才能交付用户使用。用户使用。CPUCPU的封装方式取决于的封装方式取决于CPUCPU安装形式和器件集成设安装形式和器件集成设计计，从大的分类来看通常采用，从大的分类来看通常采用SocketSocket插座进行安装的插座进行安装的CPUCPU使使用用PGA(PGA(栅格阵列栅格阵列)方式封装，而采用方式封装，而采用Slot xSlot x槽安装的槽安装的CPUCPU则全则全部采用部采用SEC(SEC(单边接插盒单边接插盒)的形式封装。现在还有的形式封装。现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land OLGA(Organic Land Grid Array)Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈，目前等封装技术。由于市场竞争日益激烈，目前CPUCPU封装技术的发展方向以节约成本为主。封装技术的发展方向以节约成本为主。1313、多线程、多线程同时多线程同时多线程Simultaneous multithreadingSimultaneous multithreading，简称，简称SMTSMT。SMTSMT可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处理器运算部件的利实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或用率，缓和由于数据相关或CacheCache未命中带来的访问内存延未命中带来的访问内存延时。当没有多个线程可用时，时。当没有多个线程可用时，SMTSMT处理器几乎和传统的宽发处理器几乎和传统的宽发射超标量处理器一样。射超标量处理器一样。SMTSMT最具吸引力的是只需小规模改变最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计，几乎不用增加额外的成本就可以显著地处理器核心的设计，几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。多线程技术则可以为高速的运算核心准备更多的提升效能。多线程技术则可以为高速的运算核心准备更多的待处理数据，减少运算核心的闲置时间。这对于桌面低端系待处理数据，减少运算核心的闲置时间。这对于桌面低端系统来说无疑十分具有吸引力。统来说无疑十分具有吸引力。IntelIntel从从3.06GHz Pentium 43.06GHz Pentium 4开开始，所有处理器都支持始，所有处理器都支持SMTSMT技术。技术。1414、多核心、多核心多核心，也指单芯片多处理器（多核心，也指单芯片多处理器（Chip multiprocessorsChip multiprocessors，简称简称CMPCMP）。）。1515、SMPSMPSMPSMP（Symmetric Multi-ProcessingSymmetric Multi-Processing），对称多处理结构的），对称多处理结构的简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多多CPU),CPU),各各CPUCPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持下，一个服务器系统可以同时运行多个处理器，并共享内存下，一个服务器系统可以同时运行多个处理器，并共享内存和其他的主机资源。和其他的主机资源。1616、NUMANUMA技术技术NUMANUMA即非一致访问分布共享存储技术，它是由若干通过即非一致访问分布共享存储技术，它是由若干通过高速专用网络连接起来的独立节点构成的系统，各个节点可高速专用网络连接起来的独立节点构成的系统，各个节点可以是单个的以是单个的CPUCPU或是或是SMPSMP系统。系统。1717、乱序执行技术、乱序执行技术乱序执行（乱序执行（out-of-orderexecutionout-of-orderexecution），是指），是指CPUCPU允许将允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。这样将根据个电路单元的状态和各指令能否提前理的技术。这样将根据个电路单元的状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然后由应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然后由重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。采用重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。采用乱序执行技术的目的是为了使乱序执行技术的目的是为了使CPUCPU内部电路满负荷运转并相内部电路满负荷运转并相应提高了应提高了CPUCPU的运行程序的速度。分枝技术：（的运行程序的速度。分枝技术：（branchbranch）指）指令进行运算时需要等待结果，一般无条件分枝只需要按指令令进行运算时需要等待结果，一般无条件分枝只需要按指令顺序执行，而条件分枝必须根据处理后的结果，再决定是否顺序执行，而条件分枝必须根据处理后的结果，再决定是否按原先顺序进行。按原先顺序进行。1818、CPUCPU内部的内存控制器内部的内存控制器CPUCPU的厂商的厂商1.Intel1.Intel公司公司 IntelIntel是生产是生产CPUCPU的老大哥，它占有的老大哥，它占有80%80%多的市场份额，多的市场份额，IntelIntel生产的生产的CPUCPU就成了事实上的就成了事实上的x86CPUx86CPU技术规范和标准。最技术规范和标准。最新的酷睿成为新的酷睿成为CPUCPU的首选。的首选。2.AMD2.AMD公司公司 目前使用的目前使用的CPUCPU有好几家公司的产品，除了有好几家公司的产品，除了IntelIntel公司外，公司外，最有力的挑战的就是最有力的挑战的就是AMDAMD公司，公司，AMDAMD是目前唯一可与是目前唯一可与IntelIntel匹匹敌的敌的CPUCPU厂商。厂商。AMDAMD出品之出品之CPUCPU的特点是以较低的核心时脉频的特点是以较低的核心时脉频率产生相对上较高的运算效率。率产生相对上较高的运算效率。3.IBM3.IBM和和CyrixCyrix 美国国家半导体公司美国国家半导体公司IBMIBM和和CyrixCyrix公司合并后，使其终于公司合并后，使其终于拥有了自己的芯片生产线，其成品将会日益完善和完备。现拥有了自己的芯片生产线，其成品将会日益完善和完备。现在的在的MIIMII性能也不错，尤其是它的价格很低。性能也不错，尤其是它的价格很低。4.IDT4.IDT公司公司 IDTIDT是处理器厂商的后起之秀，但现在还不太成熟。是处理器厂商的后起之秀，但现在还不太成熟。5.VIA5.VIA威盛公司威盛公司VIAVIA威盛是台湾一家主板芯片组厂商威盛是台湾一家主板芯片组厂商,收购了前述的收购了前述的 CyrixCyrix和和IDTIDT的的cpucpu部门部门,推出了自己的推出了自己的CPUCPU6.6.国产龙芯国产龙芯LoogsonLoogson，原名，原名GodSon GodSon 小名狗剩小名狗剩,是国有自主知识产权的通是国有自主知识产权的通用处理器用处理器,目前已经有目前已经有2 2代产品。代产品。