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看懂CPU规格,外频、倍频、快取  

2008-07-11 10:55:24|  分类: 计算机基础 |  标签: |举报 |字号 订阅

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看懂CPU规格,外频倍频快取


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为桌上型电脑和笔记型电脑选择 Intel Core 2 Duo 处理器做为动力核心,即可享有最尖端的效能增强技术,包括高达 4MB 的共用 L2 快取存贮器,以及高达 1066 MHz的前端总线.....(注:以上取自Intel官方网站)


这年头,就连CPU的广告都是一堆专有名词,懂得人当然一看就知道好在那里,不懂的人....大概就像我在购物台看果菜机,不管哪一台都觉得好厉害,可以买来让妈妈变贵妇所以从这篇开始,我们会深入CPU的规格,解释那一长串的专有名词,让大家真正了解CPU背后的技术由于CPU已经发展30年了,真要重头讲起可能得写几大本书才行,所以这里尽量以最新的规格为主大家先上网抓CPU-Z回来玩一下,它会辨识CPU的型号并列出详细规格,每台电脑都有CPU,看跑出来的规格再对照下面的说明会更容易理解要先说声抱歉,因为这篇是规格解说,绝大部分都是文字讲解,可能会看比较累,先去倒个饮料再来慢慢看吧~


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CPU-Z是玩家必备的CPU辨识程序,它会去侦侧系统,所以有时会被防毒软件(比如卡巴斯基)挡下来,别担心,这程序很安全



1.制程封装脚位电压TDP


CPU是所谓的半导体制程下的产物,台湾是世界知名的半导体代工大国,大家应该对这种高科技高污染的产业有点概念,它是用硅化合物做成可通电或不通电的电晶体(所以叫半导体),塞在小小一块面积里,运算电脑世界中0与1组合的资料,现在主流的CPU大约有1~3亿个电晶体在那块小小的豆干上制程(Manufacture Process)是指芯片里电子移动通道的宽度,现在一般是90nm或65nm(nm为奈米,十亿分之一公尺),制程进步就是宽度缩减,让Die面积缩小,Die面积缩小就可以省钱(芯片是先制造一大块晶圆,比如八寸12寸晶圆,再去切割成一颗颗的Die,封装之后变成芯片);另一方面,宽度缩减也代表可以在相同面积下塞进更多电晶体,让芯片有更多功能,所以各大半导体厂都把制程缩减列为首要目标封装脚位(Package)则是晶圆做成芯片后,拉出来传输资料的脚,前一篇我们已经有拍Intel和AMD产品的针脚,Intel目前用的是LGA775,已经用了好几年了,数字就是针脚的数目(虽然事实上并没有针脚)而 AMD目前的脚位有点乱,包括Socket 939/AM2/AM2+/AM3,除了Socket 939之外,其他都是940根针脚,但针脚的电气定义并不相同,AMD针脚数目较多脚位规格混乱是有原因的,后面的章节再讨论电压(Core Voltage)和TDP密不可分,电压是驱动CPU工作的电力,由于制程精进,CPU所需的电压愈来愈低了,现在大约在1.3V左右或更低可是TDP(Thermal Design Power)也得考虑进去,TDP是让CPU工作而且不会热死机时所必须散发掉的热能,单位是瓦(W),现在CPU没有散热器就没办法运作,所以TDP不是单纯指 CPU的耗电量而已,65W的TDP是指让CPU全速运作时,必须散掉65W的热,CPU才不会过热死机,而这65W的热可藉由风扇热导管水冷等各种散热方式来消除TDP数值愈低愈好



2.型号核心代号


型号没什么好说的,就是CPU贩卖时的产品名称代号(Codename)反而比较值得注意,厂商在制造CPU时,并不是每个产品型号都做一款,而是大量生产少数几种芯片,再筛选每一颗芯片,依特性去划分成不同的产品,这样可节省制造成本而这少数几种芯片就是CPU的核心代号,同一个核心会衍生出不同的产品型号,最后的规格也会不同这是因为晶圆制造并不一定每一颗都很完美,最完美的会划成高阶产品,稍微有问题的,比如无法到达高时脉,或是部分电晶体有缺陷,就降成低阶产品,充份利用每一个生产的晶圆所以从代号有时可以看出厂商的策略,比如图中的代号Conroe(网络上常戏称它是控肉)是目前最红的Intel Core 2 Duo的代号,第一代的C2D产品都是用这个核心,可是后来E6300和E6400这两个产品换成Allendale核心,即使他们最终的产品名称和规格都一样因为Conroe的芯片内部有4MB快取,而E6300/E6400则是2MB快取的产品,初期可能晶圆有缺陷,正好降低规格卖出,但制程良率提高之后,这种有缺陷的晶圆变少了,就得手动关闭部分功能来生出低阶产品,这会造成厂商在单个晶圆上的获利变少(明明是完美的,却得降价卖),所以这时就会换生产另一颗核心,换比较便宜的芯片来提高获利,就E6300/E6400的例子,Allendale就是内部原本就只有2MB快取的核心,芯片面积变小,适合较低阶的产品总之,核心会影响CPU的特性,也能帮助了解CPU产品线的规格

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同样是E6400,却有Conroe和Allendale两种核心



3.核心时脉


时脉(Clock)是CPU最重要的规格,单位是MHz或GHz,意思是CPU 每秒跑几百万次(MHz)或十亿次(GHz)CPU内部是一个个的运算单元,像小型计算器那样可以算一些加减乘除,而所谓的跑一次,就是 CPU内部所有单元做一次动作,执行某些运算,2GHz的CPU就代表它可以每秒做20亿次的动作所以很直觉的,时脉愈高,数字愈大,执行的速度就愈快,而这也是划分CPU产品定位的第一标准但不同核心的CPU时脉不能混在一起做比较,因为它们跑一次所做的事并不一定相同,这就是所谓的时脉周期(Clock Cycle)比如过去Intel Pentium4的CPU动不动就2GHz3GHz,换到Core 2 Duo之后就变成只有1GHz2GHz,可是事实上C2D的效能比P4好太多了,好到让Intel全面放弃旧结构的Pentium4,因为C2D每个时脉周期可以做更多事,就算时脉没有前一代产品高,整体效能还是比较好至于为什么CPU的时脉都可以拉到GHz这么高等级,是因为现在CPU内部是管线化的结构,讲管线好像很难,其实很好理解假设有一台洗衣机可以做洗衣脱水烘乾的步骤,一堆衣服丢进去,整个做下来要30分钟,如果管线化拆成三台机器,每台只做一个步骤,虽然一堆衣服仍然要30分钟才能处理完,可是会变成一次可以处理三堆衣服,而且每台机器运作的时间也变短了而运算时间变短,就是一个时脉周期缩短,也就是时脉提高了现在新的CPU内部大概都是十几个阶段(Stage),之前Pentium4时脉会那么夸张,就是用了20个阶段来飙速度



4.外频倍频


CPU得对外和其他零组件沟通,而外频(Bus Speed)就是CPU对外的时脉,那跟前面讲的CPU时脉有什么不同?其实早期外频和CPU的内部时脉是相同的,但在CPU开始导入管线化结构之后,时脉突飞猛进,远远超越其他零组件,所以CPU便使用外频和倍频(Multiplier)的机制CPU内部跑的是高时脉,但对外就降到较低的外频,现在一般是200~333MHz,而内部的高时脉就是外频 x 倍频,倍频的话,现在是6到11不等,不过以前也曾有过20几倍频的为了进一步让事情复杂化,外频也不是其他零组件跑的时脉,而是其他零组件做为基准的时脉,因为各零件的发展速度不一,所以便衍生成这种状况比如CPU的老相好存贮器,便是以外频为基准,乘上不同的比值或算法,变成存贮器时脉而底下要讲的FSB则固定是外频的四倍正常贩售的CPU的倍频都是只能下降不能提高(除了少见的工程测试版,或极高阶的CPU),倍频下降是CPU自己启动的省电机制,降低时脉来节省耗电所以大家所说的超频都是拉高外频,而因为外频是其他零组件做为基准的时脉,一拉外频就鸡犬升天,CPU存贮器FSB的速度都跟着提高,电脑的整体效能就会显着提高

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CPU-Z里左下方的Bus Speed就是外频,图中是被我超频过的300MHz,Multiplier中的6.0则是倍频,300和6相乘就变.....1799.9MHz,0.1的误差是因为时脉产生器不一定非常精准



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切到CPU-Z的Memory(存贮器)部分,Frequency频率会显示375MHz,底下有个4:5的比值,就是以外频为基准,乘上5/4变成存贮器时脉这个比值有很多种,取决取北桥的存贮器控制器,像1:11:2等等,设置比值和外频时脉,有时可以在CPU超频后,让存贮器跑在比原来还低的时脉,增加稳定性(PS:存贮器时脉的算法因存贮器控制器不同,会有不一样的公式Intel是固定几种比值乘上外频, AMD则是连同倍频一起纳入计算,而NVIDIA新的芯片组号称有Unlink非连结方式,可让存贮器和外频时脉各自独立调整,但那只是内建更多的比值,让存贮器时脉可以细微变动,基本上仍然都以CPU的外频为计算基础)



5.Front Side Bus(Intel)和HyperTransport(AMD)


CPU直接连接一个重要装置:北桥(关于北桥的用途,请参照主机板的章节),而前端总线(Front Side Bus,或简称FSB)就是CPU和北桥之间沟通的速度,北桥连接的全都是高速周边,所以FSB对效能的影响非常大要注意的是,FSB是Intel CPU专用,AMD的CPU用的是HyperTransport(简称HT),技术不同,但功能一样是连接北桥现在Intel的FSB固定是外频的四倍,AMD的HT则是外频五倍,一些低阶的产品则是四倍(*注:新结构的AMD CPU不再是外频4或5倍,算法未知),但因为Intel和AMD的CPU的外频并不相同,Intel的处理器外频是200266和333MHz(依产品定位高低而不同),AMD则固定是 200MHz,乘上倍数之后,Intel的FSB是8001066和1333MHz,AMD的HT则是800或1000MHz,除了Intel最新的 1333MHz比较快之外,另外两个是差不多的FSB和HT都是CPU和北桥连接的速度,所以这不仅是CPU的规格,也是主机板北桥的规格,两边要支持相同的速度才能搭配

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用CPU-Z看AMD的CPU,Rated FSB的部分会变HT link,指的就是HyperTransport的速度(PS:FSB和HyperTransport通道宽度不一样,FSB是64 bits,HT是32 bits,但HT是双倍资料速度(Double Data Rate),每个时脉周期可以传两次资料,抵销之后,直接比较FSB和HT的时脉就知道谁的频宽比较大)



6.L1/L2快取


算完一堆数学有点头昏脑胀了吗?接下来也是个数大便是美的规格,但不必再乘来乘去了,快取(Cache)在这一系列教学的第一篇就有讲到,CPU需要存贮器做资料暂存,但CPU实在太快了,在存贮器里运算资料还是嫌太慢了,所以现在CPU都直接在芯片里内装存贮器,也就是快取机制,由于快取存贮器根本就在CPU里面,时脉和CPU一致,速度飞快一般是64KB的L1资料快取和64KB的L1指令快取,还有1MB到4MB不等的L2资料快取电脑很多地方都有快取的设计,它的意义很简单,就是高速装置和慢速装置中间的缓冲区以CPU为例,当你执行一个软件,比如Word,资料就先从硬盘载到存贮器,再从存贮器读到CPU快取里,CPU是从快取里执行,这样遇到需要重复使用的资料时,就能从快取里读,不必再绕远路去翻存贮器而L1和L2 就是第一第二层快取,因为.....该死的!CPU实在太快,必须要有非常非常快的快取做为它的暂存区,这就是L1,可是这种超高速的快取制作困难,成本极高,量不能太大,通常只有64KB或128KB,暂存最近执行的资料而第二层的 L2就比较大,1MB2MB4MB都有人做,放一些较久之前执行的资料,再更久一点的就到存贮器去,而不太常用的才回到硬盘而CPU找资料也是从L1L2存贮器硬盘依序从最近(最快,容量最小,最贵),到最远(最慢容量最大,最便宜)找下去,而存贮资料时,比如存档 Word文件,也是这样一步一步回到硬盘去一些服务器用的CPU还会有更大的L3快取做第三层缓冲,未来制程进步,也许一般消费端CPU也会有L3快取是愈大愈好,因为CPU内部的运算单元执行速度超快,对一点点的推迟都很敏感,最好一切都能在快取内执行,需要载入新资料时,不得已才从存贮器里读所以快取大小是评断CPU效能的依据,通常性能愈强的CPU,也会搭配更大的快取但要注意,不同厂商的快取大小不能混为一谈,因为所用的结构不同,比如Intel CPU的快取通常是AMD CPU的两倍或更大,这是有特殊原因的


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CPU存取资料的顺序如上图所示,由最快最近的地方找起,如果没抓到想要的资料再一层层往下找,因此愈上层的部分,影响效能就愈明显写入资料时也是一层层往下写,除了硬盘可以永久存贮之外,其他都是一断电,资料就消失,所以如果你在编辑一个Word档,在还没有存档之前,只有CPU的快取和存贮器里有资料,一跳电,就完了



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快取对CPU有多重要?有图有真相,这是一张CPU晶圆的显微照相图,周围一块是L3快取中间是L2快取里面还有L1快取事实上,现在CPU电晶体将近1/2都是快取



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CPU-Z里有个latency.exe,执行就可以看读快取的推迟,图中显示L1是3个时脉周期,L2是14个时脉周期存取存贮器的话,大概需要3位数的时脉周期



7.Stepping


呼~最难的已经过去了,前面讲到一颗核心会衍生不同产品,不过一颗核心也会随着时间做改版,也就是Stepping通常一个核心做出来不会是100%完美,可能会有一些bug等等,核心改版通常会改善一些电气特性,像是耗电量稍低一点超频性能好一点增加功能,甚至提高FSB的速度,虽然还是同一个核心,但Stepping愈新,CPU的体质也会更好Stepping由一个英文和一个数字组成,最初可能是A0A1,数字代表小改版,再来可能是B0B1B2,英文字改变代表大改版比如Intel 最新出的FSB 1333MHz的CPU,就仍然是Conroe核心,但Stepping已经到G0了,而最前面图中是写L2改版,这是让CPU在闲置时耗电量从22瓦降到12瓦



双核心 / HyperThreading


最后,现在流行的双核心(Dual Core)是什么?其实就是在一个 CPU的芯片里,有两个完整的CPU运算核心,他们共用快取来互相分享资料共用FSB或HyperTransport与外面沟通,运算时则互相帮忙,平分工作量,Windows XP已经支持多核心的CPU,执行绪会自动分派到两颗核心用最直觉的比喻,就是以前CPU只能全速做一件很操的事,双核心后就能全速做两件(比如一边做3D绘图,一边压缩影片真是太疯狂了.....)会朝向双核心发展其实有点不得已,因为这几年,CPU单一时脉周期的效能成长已经逐渐趋缓,利用增加核心来提高效能反而是比较简单的解决方式,2008年四核心就会普及,接下来就八核心......再接下来,可能就是划时代的新CPU结构了

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还记得这张图吧?上一篇曾经出现过在CPU使用率记录分成两块,就是分别显示两个CPU核心的负载状况



而在双核心还没这么普及以前,Intel想出一个很聪明的作法,称为HyperThreading(超执行绪),有点像虚拟的双核心前一篇说过,CPU一次只能跑一条执行?,HyperThreading则让CPU可以同时接收两条,当其中一条执行绪只用到CPU一部分的运算单元时,另一条就可以插进去补满,让全部的运算单元都有事做事实上CPU仍然只有单核心的运算资源,只是让运算单元的利率用提高,由于HyperThreading不是实体的双核心,所以效能顶多增加10%~15%左右(Intel宣称有30%,听听就好),总比没有好 Pentium 4绝大部分的产品都有HyperThreading,在Windows XP下看就有两个CPU占用率,即使实体上只有一个核心Pentium 4灭绝之后,HyperThreading也跟着被淘汰,不过在Intel下一代产品中准备来个大复活,Intel之后会推出一个四核心的产品 Penryn,每个核心都内建HyperThreading,猜猜看Windows XP下会看到什么?没错,就是八脚章鱼.....!我们真的需要这么多核心的CPU吗?这问题等到2009年再来回答好了



结语


为桌上型电脑和笔记型电脑选择 Intel Core 2 Duo 处理器做为动力核心,即可享有最尖端的效能增强技术,包括高达 4MB 的共用 L2 快取存贮器,以及高达 1066 MHz的前端总线.....(注:以上取自Intel官方网站)最后,再回头看最前面那段广告词,是不是觉得没什么了?只不过点出CPU两个重要规格而已,这就是技术行销的真义:在产品广告里夹带一些看起来很厉害的名词.....下一篇难度将会更高一点,讲CPU的一些特殊功能,比如SSEVT等等,相当有趣,是深入了解CPU的一个机会



引文来源  看懂CPU规格,外频倍频快取_润轨迹_新浪博客

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