cpu轉(zhuǎn)CPU基礎(chǔ)知識及相關(guān)概念

1、cpu【轉(zhuǎn)】CPU基礎(chǔ)知識及相關(guān)概念2011-06-21 cpu【轉(zhuǎn)】CPU基礎(chǔ)知識及相關(guān)概念cpu【轉(zhuǎn)】CPU基礎(chǔ)知識及相關(guān)概念CPU的英文全稱是Central Processing Unit，即中央處理器。CPU從雛形出現(xiàn)到發(fā)展壯大的今天，由于制造技術(shù)的越來越先進(jìn)，其集成度越來越高，內(nèi)部的晶體管數(shù)達(dá)到幾百萬個。雖然從最初的CPU發(fā)展到現(xiàn)在其晶體管數(shù)增加了幾十倍，但是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然可分為控制單元，邏輯單元和存儲單元三大部分。CPU的性能大致上反映出了它所配置的那部微機(jī)的性能，因此CPU的性能指標(biāo)十分重要。CPU主要的性能指標(biāo)有以下幾點(diǎn)：第一：主頻，也就是CPU的時鐘頻率，簡單地說也就是

2、CPU的工作頻率。一般說來，一個時鐘周期完成的指令數(shù)是固定的，所以主頻越高，CPU的速度也就越快了。不過由于各種CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同，所以并不能完全用主頻來概括CPU的性能。至于外頻就是系統(tǒng)總線的工作頻率；而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。用公式表示就是：主頻=外頻倍頻。我們通常說的賽揚(yáng)433、PIII 550都是指CPU的主頻而言的。第二：內(nèi)存總線速度或者叫系統(tǒng)總路線速度，一般等同于CPU的外頻。內(nèi)存總線的速度對整個系統(tǒng)性能來說很重要，由于內(nèi)存速度的發(fā)展滯后于CPU的發(fā)展速度，為了緩解內(nèi)存帶來的瓶頸，所以出現(xiàn)了二級緩存，來協(xié)調(diào)兩者之間的差異，而內(nèi)存總線速度就是指CPU與二級(L2

3、)高速緩存和內(nèi)存之間的工作頻率。第三：工作電壓。工作電壓指的也就是CPU正常工作所需的電壓。早期CPU(386、486)由于工藝落后，它們的工作電壓一般為5V，發(fā)展到奔騰586時，已經(jīng)是3.5V/3.3V/2.8V了，隨著CPU的制造工藝與主頻的提高，CPU的工作電壓有逐步下降的趨勢，Intel最新出品的Coppermine已經(jīng)采用1.6V的工作電壓了。低電壓能解決耗電過大和發(fā)熱過高的問題，這對于筆記本電腦尤其重要。第四：協(xié)處理器或者叫數(shù)學(xué)協(xié)處理器。在486以前的CPU里面，是沒有內(nèi)置協(xié)處理器的。由于協(xié)處理器主要的功能就是負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算，因此386、286、8088等等微機(jī)CPU的浮點(diǎn)運(yùn)算性能都

4、相當(dāng)落后，自從486以后，CPU一般都內(nèi)置了協(xié)處理器，協(xié)處理器的功能也不再局限于增強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算?，F(xiàn)在CPU的浮點(diǎn)單元(協(xié)處理器)往往對多媒體指令進(jìn)行了優(yōu)化。比如Intel的MMX技術(shù)，MMX是多媒體擴(kuò)展指令集的縮寫。MMX是Intel公司在1996年為增強(qiáng)Pentium CPU在音像、圖形和通信應(yīng)用方面而采取的新技術(shù)。為CPU新增加57條MMX指令，把處理多媒體的能力提高了60%左右。第五：流水線技術(shù)、超標(biāo)量。流水線(pipeline)是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由56個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86

5、指令分成56步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高了CPU的運(yùn)算速度。超流水線是指某型CPU內(nèi)部的流水線超過通常的56步以上，例如Pentium pro的流水線就長達(dá)14步。將流水線設(shè)計的步(級)數(shù)越多，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應(yīng)工作主頻更高的CPU。超標(biāo)量是指在一個時鐘周期內(nèi)CPU可以執(zhí)行一條以上的指令。這在486或者以前的CPU上是很難想象的，只有Pentium級以上CPU才具有這種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)；這是因為現(xiàn)代的CPU越來越多的采用了RISC技術(shù)，所以才會超標(biāo)量的CPU。第六：亂序執(zhí)行和分枝預(yù)測，亂序執(zhí)行是指CPU采用了允許將多條指令不

6、按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。分枝是指程序運(yùn)行時需要改變的節(jié)點(diǎn)。分枝有無條件分枝和有條件分枝，其中無條件分枝只需要CPU按指令順序執(zhí)行，而條件分枝則必須根據(jù)處理結(jié)果再決定程序運(yùn)行方向是否改變，因此需要分枝預(yù)測技術(shù)處理的是條件分枝。第七：L1高速緩存，也就是我們經(jīng)常說的一級高速緩存。在CPU里面內(nèi)置了高速緩存可以提高CPU的運(yùn)行效率。內(nèi)置的L1高速緩存的容量和結(jié)構(gòu)對CPU的性能影響較大，不過高速緩沖存儲器均由靜態(tài)RAM組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級高速緩存的容量不可能做得太大。采用回寫(Write Back)結(jié)構(gòu)的高速緩存。它對讀和寫操作均有可提

7、供緩存。而采用寫通(Write-through)結(jié)構(gòu)的高速緩存，僅對讀操作有效。在486以上的計算機(jī)中基本采用了回寫式高速緩存。第八：L2高速緩存，指CPU外部的高速緩存。Pentium Pro處理器的L2和CPU運(yùn)行在相同頻率下的，但成本昂貴，所以Pentium II運(yùn)行在相當(dāng)于CPU頻率一半下的，容量為512K。為降低成本Intel公司曾生產(chǎn)了一種不帶L2的CPU名為賽揚(yáng)。第九：制造工藝，Pentium CPU的制造工藝是0.35微米，PII和賽揚(yáng)可以達(dá)到0.25微米，最新的CPU制造工藝可以達(dá)到0.18微米，并且將采用銅配線技術(shù)，可以極大地提高CPU的集成度和工作頻率。六.多媒體指令集C

8、PU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強(qiáng)弱也是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡指令集兩部分，而從具體運(yùn)用看，如Intel的MMX(Multi Media Extended)、SSE、SSE2(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2)和AMD的3DNow！等都是CPU的擴(kuò)展指令集，分別增強(qiáng)了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會把CPU的擴(kuò)展指令集稱為CPU

9、的指令集。1、精簡指令集的運(yùn)用在最初發(fā)明計算機(jī)的數(shù)十年里，隨著計算機(jī)功能日趨增大，性能日趨變強(qiáng)，內(nèi)部元器件也越來越多，指令集日趨復(fù)雜，過于冗雜的指令嚴(yán)重的影響了計算機(jī)的工作效率。后來經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在計算機(jī)中，80%程序只用到了20%的指令集，基于這一發(fā)現(xiàn)，RISC精簡指令集被提了出來，這是計算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的一次深刻革命。RISC體系結(jié)構(gòu)的基本思路是：抓住CISC指令系統(tǒng)指令種類太多、指令格式不規(guī)范、尋址方式太多的缺點(diǎn)，通過減少指令種類、規(guī)范指令格式和簡化尋址方式，方便處理器內(nèi)部的并行處理，提高VLSI器件的使用效率，從而大幅度地提高處理器的性能。RISC指令集有許多特征，其中最重要的有：指令種類

10、少，指令格式規(guī)范：RISC指令集通常只使用一種或少數(shù)幾種格式。指令長度單一(一般4個字節(jié))，并且在字邊界上對齊，字段位置、特別是操作碼的位置是固定的。尋址方式簡化：幾乎所有指令都使用寄存器尋址方式，尋址方式總數(shù)一般不超過5個。其他更為復(fù)雜的尋址方式，如間接尋址等則由軟件利用簡單的尋址方式來合成。大量利用寄存器間操作：RISC指令集中大多數(shù)操作都是寄存器到寄存器操作，只以簡單的Load和Store操作訪問內(nèi)存。因此，每條指令中訪問的內(nèi)存地址不會超過1個，訪問內(nèi)存的操作不會與算術(shù)操作混在一起。簡化處理器結(jié)構(gòu)：使用RISC指令集，可以大大簡化處理器的控制器和其他功能單元的設(shè)計，不必使用大量專用寄存器

11、，特別是允許以硬件線路來實現(xiàn)指令操作，而不必像CISC處理器那樣使用微程序來實現(xiàn)指令操作。因此RISC處理器不必像CISC處理器那樣設(shè)置微程序控制存儲器，就能夠快速地直接執(zhí)行指令。便于使用VLSI技術(shù)：隨著LSI和VLSI技術(shù)的發(fā)展，整個處理器(甚至多個處理器)都可以放在一個芯片上。RISC體系結(jié)構(gòu)可以給設(shè)計單芯片處理器帶來很多好處，有利于提高性能，簡化VLSI芯片的設(shè)計和實現(xiàn)?；赩LSI技術(shù)，制造RISC處理器要比CISC處理器工作量小得多，成本也低得多。加強(qiáng)了處理器并行能力：RISC指令集能夠非常有效地適合于采用流水線、超流水線和超標(biāo)量技術(shù)，從而實現(xiàn)指令級并行操作，提高處理器的性能。目前

12、常用的處理器內(nèi)部并行操作技術(shù)基本上是基于RISC體系結(jié)構(gòu)發(fā)展和走向成熟的。正由于RISC體系所具有的優(yōu)勢，它在高端系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，而CISC體系則在桌面系統(tǒng)中占據(jù)統(tǒng)治地位。而在如今，在桌面領(lǐng)域，RISC也不斷滲透，預(yù)計未來，RISC將要一統(tǒng)江湖。2、CPU的擴(kuò)展指令集對于CPU來說，在基本功能方面，它們的差別并不太大，基本的指令集也都差不多，但是許多廠家為了提升某一方面性能，又開發(fā)了擴(kuò)展指令集，擴(kuò)展指令集定義了新的數(shù)據(jù)和指令，能夠大大提高某方面數(shù)據(jù)處理能力，但必需要有軟件支持。MMX指令集MMX(Multi Media eXtension，多媒體擴(kuò)展指令集)指令集是Intel公司于199

13、6年推出的一項多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)。MMX指令集中包括有57條多媒體指令，通過這些指令可以一次處理多個數(shù)據(jù)，在處理結(jié)果超過實際處理能力的時候也能進(jìn)行正常處理，這樣在軟件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的益處在于，當(dāng)時存在的操作系統(tǒng)不必為此而做出任何修改便可以輕松地執(zhí)行MMX程序。但是，問題也比較明顯，那就是MMX指令集與x87浮點(diǎn)運(yùn)算指令不能夠同時執(zhí)行，必須做密集式的交錯切換才可以正常執(zhí)行，這種情況就勢必造成整個系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的下降。SSE指令集SSE(Streaming SIMD Extensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展)指令集是Intel在Pentium III處理器中率先推出的。其實，

14、早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾經(jīng)通過各種渠道公布過所謂的KNI(Katmai New Instruction)指令集，這個指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多傳媒稱之為MMX指令集的下一個版本，即MMX2指令集。究其背景，原來KNI指令集是Intel公司最早為其下一代芯片命名的指令集名稱，而所謂的MMX2則完全是硬件評論家們和媒體憑感覺和印象對KNI的評價，Intel公司從未正式發(fā)布過關(guān)于MMX2的消息。而最終推出的SSE指令集也就是所謂勝出的互聯(lián)網(wǎng)SSE指令集。SSE指令集包括了70條指令，其中包含提高3D圖形運(yùn)算效率的50條SIMD(單指令多數(shù)據(jù)技術(shù))浮點(diǎn)運(yùn)算指令、1

15、2條MMX整數(shù)運(yùn)算增強(qiáng)指令、8條優(yōu)化內(nèi)存中連續(xù)數(shù)據(jù)塊傳輸指令。理論上這些指令對目前流行的圖像處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、3D運(yùn)算、視頻處理、音頻處理等諸多多媒體應(yīng)用起到全面強(qiáng)化的作用。SSE指令與3DNow！指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow！技術(shù)的絕大部分功能，只是實現(xiàn)的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通過SIMD和單時鐘周期并行處理多個浮點(diǎn)數(shù)據(jù)來有效地提高浮點(diǎn)運(yùn)算速度。在后來Intel為了應(yīng)對AMD的3Dnow！指令集，又在SSE的基礎(chǔ)上開發(fā)了SSE2，增加了一些指令，使得其P4處理器性能有大幅度提高。到P4設(shè)計結(jié)束為止，Intel增加了一套包括144條新建指令的SSE2指令集。像最早的

16、SIMD擴(kuò)展指令集，SSE2涉及了多重的數(shù)據(jù)目標(biāo)上立刻執(zhí)行一單個的指令(即SIMD，一個計算低工控最好的方法是讓每指令執(zhí)行更多的工作)。最重要的是SSE2能處理128位和兩倍精密浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算。處理更精確浮點(diǎn)數(shù)的能力使SSE2成為加速多媒體程序、3D處理工程以及工作站類型任務(wù)的基礎(chǔ)配置。但重要的是軟件是否能適當(dāng)?shù)膬?yōu)化利用它。3D Now！(3D no waiting)指令集3DNow！是AMD公司開發(fā)的SIMD指令集，可以增強(qiáng)浮點(diǎn)和多媒體運(yùn)算的速度，并被AMD廣泛應(yīng)用于其K6-2、K6-3以及Athlon(K7)處理器上。3DNow！指令集技術(shù)其實就是21條機(jī)器碼的擴(kuò)展指令集。與Intel公司的

17、MMX技術(shù)側(cè)重于整數(shù)運(yùn)算有所不同，3DNow！指令集主要針對三維建模、坐標(biāo)變換和效果渲染等三維應(yīng)用場合，在軟件的配合下，可以大幅度提高3D處理性能。后來在Athlon上開發(fā)了Enhanced 3DNow！。這些AMD標(biāo)準(zhǔn)的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因為受到Intel在商業(yè)上以及Pentium III成功的影響，軟件在支持SSE上比起3DNow！更為普遍。Enhanced 3DNow！AMD公司繼續(xù)增加至52個指令，包含了一些SSE碼，因而在針對SSE做最佳化的軟件中能獲得更好的效能。-補(bǔ)充一點(diǎn)關(guān)于CPU緩存的基礎(chǔ)知識：CPU緩存的工作原理當(dāng)CPU要讀取一個數(shù)據(jù)時，首先會從緩

18、存(Cache)中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒有找到，就用相對慢的速度從內(nèi)存中讀取并送給CPU處理，同時把這個數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，可以使得以后對整塊數(shù)據(jù)的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。所有層級的Cache都是以冗余的存儲和支持更高速度的硬件換取訪問速度；早期的CPU緩存容量很小，并且功能單一，Intel從Pentium時代后把緩存進(jìn)行了分類，當(dāng)時集成在CPU內(nèi)核中的緩存已不足以滿足CPU的需求，而制造工藝上的限制又不能大幅度提高緩存的容量。因此出現(xiàn)了集成在與CPU同一塊電路板上和主板上的緩存等不同類型，于是當(dāng)時便把CPU內(nèi)核集成的緩存稱為一級緩存(L1 cac

19、he)，而外部的稱為二級緩存(L2 Cache)；后來隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，最終二級緩存也被挪進(jìn)了CPU當(dāng)中。通常一級緩存中還分?jǐn)?shù)據(jù)緩存(Data Cache，D-Cache)和指令緩存(Instruction Cache，I-Cache)。二者分別用來存放數(shù)據(jù)和執(zhí)行這些數(shù)據(jù)的指令，而且兩者可以同時被CPU訪問，減少了爭用Cache所造成的沖突，提高了CPU效能。此外，Intel在Pentium 4CPU中還增加了一種一級追蹤緩存，容量為12KB。中庸之道、取長補(bǔ)短的思想無處不在，性價比的概念從高端到底層都很重要。L1 cache vs L2 Cache：用于存儲數(shù)據(jù)的緩存部分通常被稱為RA

20、M，掉電以后其中的信息就會消失。RAM又分兩種，其中一種是靜態(tài)RAM(SRAM)；另外一種是動態(tài)RAM(DRAM)。前者的存儲速度要比后者快得多，我們現(xiàn)在使用的內(nèi)存一般都是動態(tài)RAM。CPU的L1級緩存通常都是靜態(tài)RAM，速度非常的快，但是靜態(tài)RAM集成度低(存儲相同的數(shù)據(jù)，靜態(tài)RAM的體積是動態(tài)RAM的6倍)，而且價格也相對較為昂貴(同容量的靜態(tài)RAM是動態(tài)RAM的四倍)。擴(kuò)大靜態(tài)RAM作為緩存是一個不太合算的做法，但是為了提高系統(tǒng)的性能和速度又必須要擴(kuò)大緩存，這就有了一個折中的方法：在不擴(kuò)大原來的靜態(tài)RAM緩存容量的情況下，僅僅增加一些高速動態(tài)RAM做為L2級緩存。高速動態(tài)RAM速度要比常

21、規(guī)動態(tài)RAM快，但比原來的靜態(tài)RAM緩存慢，而且成本也較為適中。一級緩存和二級緩存中的內(nèi)容都是內(nèi)存中訪問頻率高的數(shù)據(jù)的復(fù)制品(映射)，它們的存在都是為了減少高速CPU對慢速內(nèi)存的訪問。二級緩存是CPU性能表現(xiàn)的關(guān)鍵之一，在CPU核心不變化的情況下，增加二級緩存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二級緩存上存在差異，由此可見二級緩存對CPU的重要性。CPU在緩存中找到有用的數(shù)據(jù)被稱為命中，當(dāng)緩存中沒有CPU所需的數(shù)據(jù)時(這時稱為未命中)，CPU才訪問內(nèi)存。從理論上講，在一顆擁有二級緩存的CPU中，讀取一級緩存的命中率為80%。也就是說CPU一級緩存中找到的有用數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)

22、總量的80%，剩下的20%從二級緩存中讀取。由于不能準(zhǔn)確預(yù)測將要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，讀取二級緩存的命中率也在80%左右(從二級緩存讀到有用的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16%)。那么還有的數(shù)據(jù)就不得不從內(nèi)存調(diào)用，但這已經(jīng)是一個相當(dāng)小的比例了。目前的較高端CPU中，還會帶有三級緩存，它是為讀取二級緩存后未命中的數(shù)據(jù)設(shè)計的-種緩存，在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數(shù)據(jù)需要從內(nèi)存中調(diào)用，這進(jìn)一步提高了CPU的效率，從某種意義上說，預(yù)取效率的提高，大大降低了生產(chǎn)成本卻提供了非常接近理想狀態(tài)的性能。除非某天生產(chǎn)技術(shù)變得非常強(qiáng)，否則內(nèi)存仍會存在，緩存的性能遞增特性也仍會保留。2-8定律反映了一種現(xiàn)象而已，絕不是符合萬物的

23、精確度量，提高到5%已經(jīng)是很大進(jìn)步。CPU緩存與內(nèi)存的關(guān)系：既然CPU緩存能夠在很大程度上提高CPU的性能，那么，有些朋友可能會問，是不是將來有可能，目前的系統(tǒng)內(nèi)存將會被CPU取代呢?答案應(yīng)該是否定的，首先，盡管CPU緩存的傳輸速率確實很高，但要完全取代內(nèi)存的地位仍不可行，這主要是因為緩存只是內(nèi)存中少部分?jǐn)?shù)據(jù)的復(fù)制品，所以CPU到緩存中尋找數(shù)據(jù)時，也會出現(xiàn)找不到的情況(因為這些數(shù)據(jù)沒有從內(nèi)存復(fù)制到緩存中去)，這時CPU還是會到內(nèi)存中去找數(shù)據(jù)，與此同時系統(tǒng)的速度就慢了下來，不過CPU會把這些數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中去，以便下一次不用再到內(nèi)存中去取。也即是說，隨著緩存增大到一定程度，其對CPU性能的影響將越來越小，在性能比上來說，越來越不合算。就目前緩存容量、成本以及功耗表現(xiàn)來看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與