菜鸟进阶十一:彻底认识硬件之"CPU"篇

    [泡泡网菜鸟进阶专栏 2009年7月31日]相信很多人看到今天这个标题的命题，都会感到非常奇怪而且可笑！国内知名IT媒体，竟然在这个计算机已经非常发达、非常普及的年代，给读者讲述什么是CPU，简直是一大笑话。嗯，确实如此，现在已经不是谈论什么是CPU的时候了，但是，对于真正的菜鸟来说，却还有很大的意义。

    关注《泡泡网菜鸟进阶专栏》的朋友应该知道，之前笔者已经推出了10篇关于菜鸟如何进阶到高手的文章，读者们的反应也非常好，也使得我有一直将该专栏做下去的动力。但是，就在前几天笔者收到了一封邮件，原文内容是这样的：

“邱编

    你好

    一个偶然的机会看到了你写的菜鸟进阶系列文章，很感兴趣，也很感谢你给我们带来这些很基础的知识。但是你写的绝大部分内容我还是看不懂，虽然我使用电脑已经有接近两年的时间了，但对计算机里的硬件仍然是一窍不通，平时就会上上网，聊聊天，甚至连什么是CPU、主板等这些都不知道，我希望你能够考虑一下我们这些真正的菜鸟，写一些关于硬件知识普及的文章......

    非常感谢！”

    当我看到这封邮件的时候，起初也觉得很可笑，本来打算随便回复一下就算了，然而当手放到键盘上时，却不知道到底应该怎样去回复这一封邮件。我开始问自己：

CPU是什么？ 呃....中央处理器！

中央处理器是什么？.....计算机的大脑！

计算机的大脑是什么？呃...是CPU！

CPU用来干什么？......CPU用来运算!

运算什么？怎么运算？......

    就这样，笔者被自己的问题问的陷入了一个死循环中。当我们刚刚接触电脑的时候，人们就说CPU是电脑中最重要的，就相当于人的大脑，CPU的性能决定着电脑的速度......但是，却没有一个人真正意义上给我们解释“什么是CPU”这个问题！

    那么，CPU到底是什么？CPU能做什么？CPU有什么类型？怎么看待一颗CPU的性能？显卡又是什么？主板又是什么？内存是什么.....在接下来的菜鸟进阶系列文章中，笔者将不定时的为大家讲述这些看起来最最基础，但实际上很难解释的硬件，让我们从0开始，彻底认识计算机硬件吧！当然，为了避免再次让读者对内容上难以接受，本文就不涉及太深入的内容。

    CPU，也就是英语Central Processing Unit，中文直译为中央处理单元，也就是为什么要叫CPU为中央处理器的原因。

    简单的说，CPU就是安装在计算机主板上的那一颗最大芯片，一般来说CPU都可以从主板上自己手动拆下，当然也可以手动安装上。也就是说，CPU和主板乃至计算机里的其他配件是完全独立的，一款CPU或许可以支持多款主板；反之，一款主板也可能支持多种规格的CPU。

    目前，PC（个人电脑）中的CPU基本上出自Intel或者AMD，这是目前全球最大的两家CPU厂商，当然还有其他一些厂商也有CPU产品，比如IBM、VIA（威盛）等。我们之前经常听到的奔几的CPU，就是Intel的一个系列产品，目前Intel的CPU已经完全进入酷睿时代。而AMD的CPU分为多个系列，比如速龙、闪龙、羿龙等。

    根据应用的不同，CPU也可以按照应用分成多种类别。比如，笔记本电脑上一般使用移动型CPU，具有低功耗的特点，不过性能比较一般；台式电脑中所使用的CPU被称为桌面级（Desktop）处理器，这些处理器产品价格低廉，性能很强劲，是厂商的必争之地；另外还有用于服务器的CPU，这类产品主要针对服务器的使用环境进行优化，可以连续长时间工作，并且支持多路并联等特性，不过这些产品价格相对较高。

手机里的CPU芯片

    实际上，并不是只有电脑中才有CPU，可以说几乎所有的电子设备成品都拥有一颗中央处理器，也就是CPU。包括手机、数码相机、MP3、显示器、路由器等等，都有一颗CPU；看到这里，相信大家也基本可以理解CPU的定义了。

    频率是CPU最重要的参数之一，很多人都认为频率直接跟CPU的运行速度有关，实际上这句话并不完全正确，AMD和Intel的同价位产品频率基本上都不一样，但性能却差不多。酷睿2架构的CPU，很多多只有不到2GHz的频率，性能却比频率高达3GHz的P4处理器还要好。

    CPU的主频（频率）都是由CPU的外频×倍频系数而得来，CPU的外频实际上是计算机中（也可以说是CPU中）的基本频率。在早期的电脑中，CPU的主频和CPU的外频相等，在当时基本上没有倍频这一说；后来，随着CPU主频的越来越高，而计算机中的其他设备显然没有办法工作在这么高的频率下，就出现了外频与倍频的技术。倍频的作用就是让计算机内其他设备可以工作在较低的频率下，而CPU的实际工作频率可以通过倍频来提升。

    很多人把外频和FSB(Front Side Bus前端总线)频率分不清，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。

    不过，现在Intel（Nehalem i7）和AMD的处理器都直接集成了内存控制器，这样CPU与内存的数据交换不再通过北桥，前端总线频率的说法已经成为了历史，比如目前Intel处理器与内存之间的数据交换被称为QPI。而AMD现在的相应技术叫做HyperTransport 3.0。

    x86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。Intel早期的CPU以数字命名，并以“86”作为结尾，比如Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架构被称为“x86”。由于数字并不能作为注册商标，因此Intel及其竞争者均在新一代处理器使用可注册的名称，如Pentium。现时Intel把x86-32称为IA-32，全名为“Intel Architecture, 32-bit”。不过，由于x86包括16位的处理器，这样的命名也出现麻烦。

    简单的说，x86是CPU的一种体系结构，个人电脑中的CPU，全部都采用x86架构，x86架构的CPU采用CISC（复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer）设计。除了x86架构以外，Intel还有一个64Bit的架构被称为IA-64。

    有一些人认为x86就代表32Bit处理器，实际上这个是错误的说法。现在，个人电脑上用的64Bit处理器其实都采用了x86结构，对64Bit的支持只是加入了扩展而已。这一方案是AMD于2003年首次在x86处理器上加入64Bit扩展指令集的，由于在x86处理器上加入64Bit扩展，不仅仅可以大幅度降低研发成本，而且可以保证最好的与32Bit程序兼容性，并且微软也不想专门为原生的64Bit处理器单独开发系统，所以AMD 64Bit处理器获得了很大的成功，后来Intel也采用了类似的技术，叫做Intel 64，所以现在个人电脑中的64Bit处理器全部都是x86处理器扩展的产物；前面我们说的IA-64只有Intel的高端服务器产品安腾以及安腾2有采用。

用于路由器的ARM处理器

   还有一些人搞不清ARM处理器的含义。ARM处理器是一项广泛被应用于手持移动设备的处理器，比如手机、MP4、掌上游戏机、PDA等等，其最大的优势就是具有超低的功耗。ARM处理器采用的是精简指令集RISC设计，从本质上与x86处理器采用的CISC有区别，所以软件方面是完全不兼容的。ARM处理器现在几乎成为了手持移动设备的标准CPU。

    大家应该经常听到“处理器缓存”这个词，也听话说过什么一级缓存二级缓存，可是缓存究竟是干什么用的，和内存有什么区别，更大的缓存为什么能提高处理器的工作效率？

1、缓存是什么

    缓存的英文是CACHE，目前常见的缓存是片内一级缓存和二级缓存，所谓“片内”，也就是和CPU核心封装在一块晶圆里面。这么做的好处是可以大幅降低核心到缓存的延迟时间，获得最高的传输效率，而坏处就是缓存必须使用于精密的CPU核心一样的制造和封装工艺，成本很高，而且增加的大量晶体管，会造成核心部分的功耗增加，散热不良。也就是说，CPU片内缓存不可能做的很大，即使是不计成本，也很难突破晶体管数量这个物理极限。CPU的缓存和我们平时见到的DRAM内存不同，缓存是SRAM，存取速度方面的性能是天壤之别，目前市售最快的DRAM，也只是DDR2 800MHZ，而CPU的缓存，是和处理器的核心频率同频的。打个比方说，你使用的是P4 3.2G的处理器，那么你的处理器的缓存的工作频率，也是3.2GHZ。加上处理器和缓存之间使用的是256BIT的带宽，其存取速度和数据流量是很恐怖的。

2、缓存怎样工作

    常见的处理器，一般拥有一级缓存（L1 CACHE）和二级缓存（L2 CACHE），一级缓存主要是用来存放处理器指令集和正在处理器流水线中运算的数据的镜像和一些初步运算的结果，所以有时候我们会听到一级数据缓存与一级指令缓存的说法。二级缓存和一级缓存不同，他和处理器之间有一定的延迟，所以存取速度比一级缓存略慢，但是容量要大的多。

    二级缓存的主要作用，首先是为一级缓存充当临时的存储空间，一级缓存运算时，过一会就要用到的数据，如果存入内存的话，存取时间过长，如果留在一级缓存中的话，又会影响其他数据的载入，所以放在略慢于一级缓存，而比内存快很多倍的二级缓存中，是最好的选择。

    二级缓存的另一个重要作用就是放置内存镜像表，也可以理解为内存中所存数据的总目录。这样做的好处就是，一旦需要存取的数据过大或者数据不在LI\\L2缓存中的时候，需要从主内存中调用的时候，可以方便的从主内存中存取，而省去了搜索这个数据所需的时间。要知道进行一次主内存的搜索，对于高速运转的处理器来说，就好像数年那样漫长。

    现在，随着多核心处理器的发展，三级缓存也走入了中低端CPU，三级缓存是为读取二级缓存后未命中的数据设计的—种缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。

    缓存是决定CPU的重要性能参数之一，AMD和Intel的各级别产品，缓存大小也会不一样，大家在选购CPU时可以注意这一点。

● 什么是多核心CPU？

    多核心CPU非常好理解，就是将多个核心封装到一颗CPU里，就叫做多核心CPU。目前，最为流行的还是双核心CPU，三核心CPU以及四核心CPU，这些都可以成为多核心CPU。

    多核心CPU的好处非常多，比如可以在有效提升性能的前提下，大幅度降低成本，而且这不仅仅降低的是CPU的成本，主板的成本也得到了大幅度的降低，至少不用为CPU准备两个插槽。

    实际上，早在多年以前，Intel就通过软件的方式将单核心的CPU模拟成了双核心CPU，这就是著名的超线程技术。直到今天， 超线程技术仍然在使用，最新的4核心CPU可以在8核模式下运行。

    随着双核心CPU以及多核心CPU的竞争越来越大，AMD和Intel的争斗也越来越激烈。去年，真假四核心之争上演，AMD称Intel的四核CPU是用“胶水”将几颗核心粘在一起的，而Intel又反驳称用户只在乎性能，并不会在乎处理器的内部结构，从此便出现了“胶水处理器”这个称谓。我们之前还专门发布了一篇《前有古人后有来者! "胶水"处理器回顾》的文章。

● 什么是制程工艺？

    我们经常可以听见人们讨论CPU的制程工艺，但很多人并不知道这个是什么意思。实际上非常简单，制程工艺的提升就如同在车间里工作，采用更加先进的工艺和工序生产出成本更低、质量更好的产品一样。相对来说，CPU的工艺提升就是能够更加有效的利用晶圆。

    更加先进的制程工艺会让CPU的体积更小，同时功耗和发热量也会降低，并且同样尺寸的晶圆可以切割更多的核心产品。一般来说，用户购买处理器的时候，应该尽量选择工艺更加先进的产品。

    结语：看到这里，本文的内容也就该告一个段落了，实际上关于CPU的知识还有很多很多，毕竟作为计算机里最重要的部分，不是仅仅依靠一点文字就可以完全叙述的。为了让广大菜鸟阅读器来不会太困难，所以一些比较比较深奥的知识笔者都没有提及，仅仅是用了最通俗的语言，带大家重新认识一下CPU。■<