工控機CPU基礎知識詳細解讀

工控機CPU知識你了解多少呢？工控機主頻、外頻、前端總線(FSB)頻率、CPU的位和、倍頻系數(shù)、緩存、CPU擴展指令集、CPU內核和I/O工作電壓這些概念你了解多少呢？本文將為您詳細解讀上述概念。

1.主頻

主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz，用來表示CPU的運算速度。CPU的主頻＝外頻×倍頻系數(shù)。

很多人認為主頻就決定著CPU的運行速度，這不僅是個片面的，而且對于工控機來講，這個認識也出現(xiàn)了偏差。 至今，沒有一條確定的公式能夠實現(xiàn)主頻和實際的運算速度兩者之間的數(shù)值關系，即使是兩大處理器廠家Intel和AMD， 在這點上也存在著很大的爭議，我們從Intel的產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，可以看出Intel很注重加強自身主頻的發(fā)展。像其他的處理器廠家，有人曾經(jīng)拿過一快1G的全美達來做比較，它的運行效率相當于2G的Intel處理器。所以，CPU的主頻與CPU實際的運算能力是沒有直接關系的，主頻表示在CPU內數(shù)字脈沖信號震蕩的速度。在Intel的處理器產(chǎn)品中，我們也可以看到這樣的例子：1 GHz Itanium芯片能夠表現(xiàn)得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一樣快，或是1.5 GHz Itanium 2大約跟4 GHz Xeon/Opteron一樣快。CPU的運算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標。當然，主頻和實際的運算速度是有關的，只能說主頻僅僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，而不代表CPU的整體性能。

2.外頻

外頻是CPU的基準頻率，單位也是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。

說白了，在臺式機中，我們所說的超頻，都是超CPU的外頻（當然一般情況下，CPU的倍頻都是被鎖住的）相信這點是很好理解的。但對于服務器CPU來講，超頻是不允許的。前面說到CPU決定著主板的運行速度，兩者是同步運行的，如果把服務器CPU超頻了，改變了外頻，會產(chǎn)生異步運行，（臺式機很多主板都支持異步運行）這樣會造成整個服務器系統(tǒng)的不穩(wěn)定。目前的絕大部分電腦系統(tǒng)中外頻也是內存與主板之間的同步運行的速度，在這種方式下，可以理解為CPU的外頻直接與內存相連通，實現(xiàn)兩者間的同步運行狀態(tài)。外頻與前端總線(FSB)頻率很容易被混為一談，下面的前端總線介紹我們談談兩者的區(qū)別。

3.前端總線(FSB)頻率

前端總線(FSB)頻率(即總線頻率)是直接影響CPU與內存直接數(shù)據(jù)交換速度。

有一條公式可以計算，即數(shù)據(jù)帶寬＝(總線頻率×數(shù)據(jù)帶寬)/8，數(shù)據(jù)傳輸帶寬取決于所有同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率。比方，現(xiàn)在的支持64位的至強Nocona，前端總線是800MHz，按照公式，它的數(shù)據(jù)傳輸帶寬是6.4GB/秒。外頻與前端總線(FSB)頻率的區(qū)別：前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，外頻是CPU與主板之間同步運行的速度。也就是說，100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號在每秒鐘震蕩一千萬次；而100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。其實現(xiàn)在“HyperTransport”構架的出現(xiàn)，讓這種實際意義上的前端總線(FSB)頻率發(fā)生了變化。之前我們知道IA-32架構必須有三大重要的構件：內存控制器Hub (MCH) ,I/O控制器Hub和PCI Hub，像Intel很典型的芯片組 Intel 7501、Intel7505芯片組，為雙至強處理器量身定做的，它們所包含的MCH為CPU提供了頻率為533MHz的前端總線，配合DDR內存，前端總線帶寬可達到4.3GB/秒。但隨著處理器性能不斷提高同時給系統(tǒng)架構帶來了很多問題。而“HyperTransport”構架不但解決了問題，而且更有效地提高了總線帶寬，比方AMD Opteron處理器，靈活的HyperTransport I/O總線體系結構讓它整合了內存控制器，使處理器不通過系統(tǒng)總線傳給芯片組而直接和內存交換數(shù)據(jù)。這樣的話，前端總線(FSB)頻率在AMD Opteron處理器就不知道從何談起了。

4、CPU的位和

字長位：在數(shù)字電路和電腦技術中采用二進制，代碼只有“0”和“1”，其中無論是 “0”或是“1”在CPU中都是 一“位”。字長：電腦技術中對CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以能處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時間內處理字長為32位的二進制數(shù)據(jù)。字節(jié)和字長的區(qū)別：由于常用的英文字符用8位二進制就可以表示，所以通常就將8位稱為一個字節(jié)。字長的長度是不固定的，對于不同的CPU、字長的長度也不一樣。8位的CPU一次只能處理一個字節(jié)，而32位的CPU一次就能處理4個字節(jié)，同理字長為64位的CPU一次可以處理8個字節(jié)。

5.倍頻系數(shù)

倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關系。在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。但實際上，在相同外頻的前提下，高倍頻的CPU本身意義并不大。這是因為CPU與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸速度是有限的，一味追求高倍頻而得到高主頻的CPU就會出現(xiàn)明顯的“瓶頸”效應—CPU從系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)的極限速度不能夠滿足CPU運算的速度。一般除了工程樣版的Intel的CPU都是鎖了倍頻的，而AMD之前都沒有鎖。

6.緩存

緩存大小也是CPU的重要指標之一，而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內緩存的運行頻率，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統(tǒng)內存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來考慮，緩存都很小。L1Cache(一級緩存)是CPU層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內置的L1高速緩存的容量和結構對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，結構較復雜，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。一般服務器CPU的L1緩存的容量通常在32—256KB。L2Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內部和外部兩種芯片。內部的芯片二級緩存運行速度與主頻相同，而外部的二級緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會影響CPU的性能，原則是越大越好，現(xiàn)在家庭用CPU容量的是512KB，而服務器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高達256-1MB，有的高達2MB或者3MB。L3Cache(三級緩存)，分為兩種，早期的是外置，現(xiàn)在的都是內置的。而它的實際作用即是，L3緩存的應用可以進一步降低內存延遲，同時提升大數(shù)據(jù)量計算時處理器的性能。降低內存延遲和提升大數(shù)據(jù)量計算能力對游戲都很有幫助。而在服務器領域增加L3緩存在性能方面仍然有顯著的提升。比方具有較大L3緩存的配置利用物理內存會更有效，故它比較慢的磁盤I/O子系統(tǒng)可以處理更多的數(shù)據(jù)請求。具有較大L3緩存的處理器提供更有效的文件系統(tǒng)緩存行為及較短消息和處理器隊列長度。其實早的L3緩存被應用在AMD發(fā)布的K6-III處理器上，當時的L3緩存受限于制造工藝，并沒有被集成進芯片內部，而是集成在主板上。在只能夠和系統(tǒng)總線頻率同步的L3緩存同主內存其實差不了多少。后來使用L3緩存的是英特爾為服務器市場所推出的Itanium處理器。接著就是P4EE和至強MP。Intel還打算推出一款9MB L3緩存的Itanium2處理器，和以后24MB L3緩存的雙核心Itanium2處理器。但基本上L3緩存對處理器的性能提高顯得不是很重要，比方配備1MB L3緩存的Xeon MP處理器卻仍然不是Opteron的對手，由此可見前端總線的增加，要比緩存增加帶來更有效的性能提升。

7.CPU擴展指令集

CPU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強弱也是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結構講，指令集可分為復雜指令集和精簡指令集兩部分，而從具體運用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的擴展指令集，分別增強了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會把CPU的擴展指令集稱為"CPU的指令集"。SSE3指令集也是目前規(guī)模小的指令集，此前MMX包含有57條命令，SSE包含有50條命令，SSE2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。目前SSE3也是的指令集，英特爾Prescott處理器已經(jīng)支持SSE3指令集，AMD會在未來雙核心處理器當中加入對SSE3指令集的支持，全美達的處理器也將支持這一指令集。

8.CPU內核和I/O工作電壓

從586CPU開始，CPU的工作電壓分為內核電壓和I/O電壓兩種，通常CPU的核心電壓小于等于I/O電壓。 其中內核電壓的大小是根據(jù)CPU的生產(chǎn)工藝而定，一般制作工藝越小，內核工作電壓越低；I/O電壓一般都在1.6~5V。低電壓能解決耗電過大和發(fā)熱過高的問題。