CPU 掀起你的盖头来

专题快递

易建勋

CPU(Central Processing Unit的简称)称为中央处理器，由于它小巧玲珑，工艺精致，有时我们也把它叫做微处理器，或者直接叫它处理器。平时我们一般只能看到它的盖头，对它的内部却了解甚少。这里以英特尔CPU为例，掀起CPU的盖头来一睹它的芳容。

一、认识CPU

1.CPU的外观

我们来看看CPU的外观形状(（图1）)，它是一个方形的块状物，下面有许多密密麻麻的针脚，在中间部分是一片大小不到1/4英寸的薄薄硅晶片(die，核心)，在这块小小的硅片上，密布着数以千万计的晶体管，它们相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。

2.英特尔CPU的分类

从Pentium Ⅱ开始，英特尔公司将CPU产品分为赛扬(Celeron)、奔腾(Pentium)、至强(Xeon)三个档次，它们在技术上差异不大，主要用于不同的商业市场。
赛扬CPU可以说是英特尔为抢占低端市场而专门推出的，其CPU设计技术与生产工艺与奔腾CPU几乎没有太大的差别，只是将奔腾CPU内部的2级高速缓存减少，或是外频有些差别。赛扬性能虽然低于奔腾CPU，但是它价格便宜。
奔腾系列CPU主要用于普通用户，性能介于赛扬与至强之间。
至强CPU主要面向高档双CPU的图形工作站或高端网络服务器。
目前英特尔公司又正在加紧研制新一代CPU“安腾”系列。

3.CPU的结构

以奔腾CPU为例，它分为三层(（图2）)，最上面的银色金属层用于散热，CPU内部中间的褐色有机层是内核，下面的绿色塑料层用来连结内核接点和CPU插座针脚。

二、CPU如何运算

我们日常工作中的所有信息，如：打字、计算、画图、播放音乐、玩游戏等等一切，在计算机内部都必须转换成为二进制运算。例如最简单的一个运算式：“1+2=？”，我们几乎可以脱口而出。但是计算机首先要将“1”、“2”、“+”、“=”转换成为一个二进制数，然后要解释用户是要将上面的表达式显示在屏幕上？还是要计算一个结果？处理完成后还要把它还原成为用户能够看懂的形式。这似乎太麻烦了，不过，CPU说：“我很笨，但是我很快！”。CPU每秒钟可以进行上亿次的二进制运算，所以虽然麻烦，但并不慢。
CPU内部结构非常复杂，但是基本元件非常简单，主要由晶体管开关和微型连接线路构成，晶体管的工作状态只有两种：“开”或“关”。利用这种开关状态，就可以进行简单的二进制运算。
Pentium 4 CPU内部有5500万个这样的晶体管，它们就是这样不断在“开”、“关”或者说在“0”、“1”之间来回折腾，将一些令人讨厌的如“01010011011……”这样的数字转换成为优美的音乐、五彩缤纷的图形、人造卫星的运行轨道等等。

三、CPU的主要技术指标

1.CPU工作主频

CPU的工作频率越高，在一个时钟周期里面完成的指令数也越多，当然CPU的处理速度也就越快。
由于主板设计技术、制作工艺和产品价格等问题，从486微机开始，主板工作频率大大低于CPU主频。因此，CPU主频=主板前端总线工作频率×倍频系数。

2.高速缓存

目前CPU工作频率非常高，但内存存取速度相对较低，因此容易造成CPU等待指令和数据的情况，降低了系统整体性能。
怎样减少CPU与内存之间的速度差异呢？目前采用的办法是：在CPU与内存(DRAM)之间插入一速度非常快、容量较小的静态存储器(SRAM)，起到缓冲作用。使CPU以较快的速度存取静态存储器中的数据，而且系统成本上升不大，这就是CPU设计中的高速缓冲存储存器(Cache)技术，一般简称为高速缓存。
高速缓存的工作过程是：当CPU对内存进行数据请求时，通常先访问高速缓存，如果在高速缓存中找到数据，则送到CPU进行处理，如果在高速缓存中没有找到数据，CPU再到内存中去访问数据。
由于存储器的局部性原理，不能保证所请求的数据百分之百地在高速缓存中，这里便存在一个命中率问题。命中率越高，正确获取数据的可靠性就越大。一般来说，高速缓存的容量太小会使命中率太低；高速缓存的容量过大不仅会增加成本，而且当容量超过一定值后，命中率随容量的增加将不会明显增长。一般规定Cache与内存的容量比为4:1000比较合适，即Cache大小=内存大小×0.004。例如512KB的 Cache可映射128MB内存。在这种情况下，命中率都在90%以上。至于没有命中的数据，CPU只好直接从内存获取。在获取数据的同时，也把它拷进Cache，以备下次访问。
目前高速缓存设计方案有：一级高速缓存(L1 Cache)、二级高速缓存(L2 Cache)、三级高速缓存(L3 Cache)。L1 Cache、L2 Cache一般均设计在CPU内部，L3 Cache有在CPU内部和外部两种类型。如AMD K6-Ⅲ CPU包括了片内L1 Cache、L2 Cache和主板上L3 Cache共三级。而英特尔公司的安腾CPU则将L3 Cache设计在CPU内部。
目前，微机系统的发展趋势之一是CPU主频越做越高，微机系统中Cache越做越大。用户已经把Cache作为评价和选购CPU的一个重要指标。

3.工作电压

CPU工作电压指CPU核心正常工作所需的电压。早期8086、286、386、486CPU的工作电压一般为5V，以至于CPU的发热量大，造成CPU工作不稳定。目前Pentiam 4 CPU的核心工作电压仅为1.7V。

4.CPU处理字长

按CPU处理字长可以分为两类：一类是根据CPU数据总线接口位宽分类，另一类是根据在CPU通用寄存器位宽进行分类。
在微机中，内存中的数据通过主板上的前端总线(FSB)与CPU数据总线接口进行数据交换，然后将数据送到CPU寄存器中，由逻辑运算单元进行处理。数据或指令的运行流程如(（图3）)所示。

5.CPU插座型式

从486开始，英特尔的CPU就开始使用零插拔力插座(ZIF)，它可以将CPU很容易地插入插座(Socket)中，然后将压杆压回原处，利用插座本身结构产生的挤压力，使CPU的管脚与插座牢牢接触，消除接触不良的问题。而拆卸CPU时只需将压杆轻轻抬起，则压力解除，CPU即可轻松取出。根据CPU引脚的多少CPU插座分为Socket 370、Socket 423、Socket 478等几种，它们的形状如(（图4）)所示。

四、CPU的稳定运行

1.CPU的工作温度

由于Pentium 4 CPU最大工作功率达到70W左右，当CPU核心满负荷工作时，可能在很短的时间内产生出巨大的热量，如果这些热量不能有效地散发出去，轻则造成系统工作不稳定，重则极有可能导致CPU的损坏。CPU中发热量最大的一个是浮点运算单元(FPU)，而另一个则是算术逻辑运算单元(ALU)。从(（图5）)可以看出，当CPU播放DVD碟片时，CPU表面最高温度达到了105℃。

2.CPU的散热方式

CPU的散热方式有：风冷、水冷、半导体制冷、软件降温等。最常用的风冷方式是：硅脂+散热片+风扇。安装时在CPU顶部涂上硅脂，目的是使CPU与散热片之间接触良好，使CPU核心面的热量容易传导到散热片上，然后由散热片上的风扇将热量散发出去。
据测试，Pentium 4 CPU核心部分温度高达70℃左右，CPU的发热需要大面积的散热装置来消除(（图6）)。Pentium 4的标准散热片重达450克，风扇直径8厘米。由于Pentium 4 CPU的核心面(die)非常小，散热片又太重，如果散热片上的风扇一旦振动，后果不堪设想。因此在CPU插座四周建立了一个特殊的固定装置，用于安装散热片及风扇。