【专题策划之一】菜鸟成长手册2009——CPU篇

默爱清风 · 发表于 2009-6-2 10:56:06

本帖最后由默爱清风于 2009-6-2 11:04 编辑

CPU基础知识：CPU前端总线
　　总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多，前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。选购主板和CPU时，要注意两者搭配问题，一般来说，如果CPU不超频，那么前端总线是由CPU决定的，如果主板不支持CPU所需要的前端总线，系统就无法工作。也就是说，需要主板和CPU都支持某个前端总线，系统才能工作，只不过一个CPU默认的前端总线是唯一的，因此看一个系统的前端总线主要看CPU就可以。

　　北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。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率，即数据带宽＝（总线频率×数据位宽）÷8。如今PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz等几种，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。显然同等条件下，前端总线越快，系统性能越好。

　　外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次，它更多的影响了PCI及其他总线的频率。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里（主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技术，或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。此外，在前端总线中比较特殊的是AMD的HyperTransport。

CPU基础知识：CPU缓存
　　缓存大小是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU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。实际工作时，CPU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CPU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CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存往往比较小。

　　L1 Cache（一级高速缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32—256KB。

　　L2 Cache（二级高速缓存）是CPU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，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量一般都在的是256KB以上，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达更高。而酷睿2双核处理器则采用共享二级缓存的方式，如E7200的共享二级缓存为3MB。

　　L3 Cache（三级高速缓存），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，L3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。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L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3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。三级缓存往往在高级甚至顶级CPU上才能看到。

　　其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上，当时的L3缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。接着就是P4EE和至强MP。Intel Itanium2处理器采用9MB以上的L3缓存。

　　但基本上L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，比方配备1MB L3缓存的Xeon MP处理器却仍然不是Opteron的对手，而前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升。

默爱清风 · 发表于 2009-6-2 10:57:48

本帖最后由默爱清风于 2009-6-2 11:05 编辑

CPU基础知识：CPU适用类型
　　“CPU适用类型”是指该处理器所适用的应用类型，针对不同用户的不同需求、不同应用范围，CPU被设计成各不相同的类型，即分为嵌入式和通用式、微控制式。嵌入式CPU主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，其应用极其广泛，像移动电话、DVD、机顶盒等都是使用嵌入式CPU。微控制式CPU主要用于汽车空调、自动机械等自控设备领域。而通用式CPU追求高性能，主要用于高性能个人计算机系统（即PC台式机）、服务器（工作站）以及笔记本三种。

　　台式机的CPU，就是平常大部分场合所提到的应用于PC的CPU，平常所说Intel的奔腾4、赛扬、AMD的AthlonXP等等都属于此类CPU。

　　应用于服务器和工作站上的CPU，因其针对的应用范围，所以此类CPU在稳定性、处理速度、同时处理任务的数量等方面的要求都要高于单机CPU。其中服务器（工作站）CPU的高可靠性是普通CPU所无法比拟的，因为大多数的服务器都要满足每天24小时、每周7天的满负荷工作要求。由于服务器（工作站）数据处理量很大，需要采用多CPU并行处理结构，即一台服务器中安装2、4、8等多个CPU，需要注意的是，并行结构需要的CPU必须为偶数个。对于服务器而言，多处理器可用于数据库处理等高负荷高速度应用；而对于工作站，多处理器系统则可以用于三维图形制作和动画文件编码等单处理器无法实现的高处理速度应用。另外许多CPU的新技术都是率先开发应用于服务器（工作站）CPU中。

　　在最早期的CPU设计中并没有单独的笔记本CPU，均采用与台式机的CPU，后来随着笔记本电脑的散热和体积成为发展的瓶颈时，才逐渐生产出笔记本专用CPU。受笔记本内部空间、散热和电池容量的限制，笔记本CPU在外观尺寸、功耗（耗电量）方面都有很高的要求。笔记本电池性能是十分重要的性能，CPU的功耗大小对电池使用时间有着最直接的影响，所以为了降低功耗笔记本处理器中都包含有一些节能技术。在无线网络将要获得更多应用的现在，笔记本CPU还增加了一些定制的针对无线通信的功能。

　　服务器CPU和笔记本CPU都包含有各自独特的专有技术，都是为了更好的在各自的工作条件下发挥出更好的性能。比如服务器的多CPU并行处理，以及多核多线程技术；笔记本CPU的SpeedStep（可自动调整工作频率及电压）节能技术。

　　封装方式三者也有不同之处，笔记本CPU是三者中最小最薄的一种，因为笔记本处理器的体积需要更小，耐高温的性能要更佳，因此在制造工艺上要求也就更高。

　　三者在稳定性中以服务器CPU最强，因为其设计时就要求有极低的错误率，部分产品甚至要求全年满负荷工作，故障时间不能超过5分钟。

　　台式机CPU工作电压和功耗都高于笔记本CPU，通常台式机CPU的测试温度上限为75摄氏度，超过75摄氏度，工作就会不稳定，甚至出现问题；；而笔记本CPU的测试温度上限为100摄氏度；服务器CPU需要长时间的稳定工作，在散热方面的要求就更高了。

　　在选购整机尤其是有特定功能的计算机（如笔记本、服务器等）时，需要注意CPU的适用类型，选用不适合的CPU类型，一方面会影响整机的系统性能，另一方面会加大计算机的维护成本。单独选购CPU时候也要注意CPU的适用类型，建议按照具体应用的需求来购买CPU。

默爱清风 · 发表于 2009-6-2 11:00:53

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CPU选购知识

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　　从技术角度而言，散装和盒装CPU并没有本质的区别，至少在质量上和性能上不存在优劣的问题，更不可能有假冒的CPU（没有厂商能假冒如此高科技的产品），当然不排除奸商打磨过后以低频充当高频的CPU。对于CPU厂商而言，其产品按照供应方式可以分为两类，一类供应给品牌机厂商，另一类供应给零售市场。面向零售市场的产品大部分为盒装产品，而散装产品则部分来源于品牌机厂商外泄以及代理商的销售策略。从理论上说，盒装和散装产品在性能、稳定性以及可超频潜力方面不存在任何差距，唯一的差别是质保……