CPU中的大小与多少
硬件周刊
CPU(Central Processing Unit，中央处理器)是一台电脑的核心，它在方寸之间集成了数千万乃至上亿个晶体管，内部结构复杂程度不可谓不高。对于CPU结构原理的分析文章很多，但对CPU中大与小、多与少的问题大家有时候也会犯迷糊，下面我们就来辨析一下两个常见说法。
CPU缓存到底谁大谁小
缓存大小一直是很多用户衡量一款CPU性能高低的标准之一，对于主流CPU缓存的大小，有一定硬件知识的用户都可以随口道来。关于缓存大小最常见的说法是：Athlon XP的一级缓存比Pentium4大，而Pentium4的二级缓存更大一些。
1.不同单位也可以相加
如果要更深入更详细地了解，对于主流桌面处理器就有这些数据：Athlon XP系列产品的L1(第一级)缓存大小是64KB的数据缓存加64KB的指令缓存，一共128KB；L2(第二级)缓存大小是256KB(Barton核心版本为512KB)；Pentium4的L1缓存是12KB的指令缓存(或者叫做寻迹缓存)加上8KB的数据缓存，一共20KB；在L2缓存方面，Willamette核心为256KB，从Northwood核心开始就是512KB，到了Prescott核心就是1MB。
但是对这种说法你如果仔细推敲就会发现有问题，更麻烦的是这种有问题的说法却在用户中被广为流传。先来看看图1和图2，这是著名测试软件WCPUID读取Northwood核心Pentium4和Thoroughbred-B0核心Athlon XP处理器信息的结果。我们会看到图1中Pentium4的L1寻迹缓存的单位并不是“字节”而是“μOps”，图2中AthlonXP L1缓存两部分的单位倒都是“字节”。对于Athlon XP处理器，L1缓存两部分数据的单位相同，将两部分加起来在数学上是可行的；而图1中针对Pentium4而言，两个不同单位的数据也能直接相加，这岂不是有问题？不过很遗憾，随便在网上用搜索引擎一查，找到的这种直接相加的错误竟然比正确的还多。
2.统一单位后的计算结果
把问题往深处想一下，12K μOps的缓存是不是在数值上等于12KB呢？
仔细查阅Intel官方的资料就可以知道，Level 1 ETC(Execution Trace Cache，即L1指令缓存)存储的是解码以后的微指令(micro-ops)。L1的ETC大小为12K μOps就意味着可以存储12K条解码后的微指令。对于Pentium4微指令长度现在还不清楚，但可以类比的是在Pentium Ⅲ架构下微指令长度是118bit。PentiumⅢ、Pentium 4包括K7架构从原理上来说都是披着CISC外衣的RISC处理器，每条CISC指令都会被解码为1-3条等长的微指令，Pentium4的微指令长度和PentiumⅢ应该出入不大。由此看来简单估算Pentium4的L1指令缓存大小，即使Pentium4的微指令长度向Itanium处理器靠拢，比PentiumⅢ有所缩短，也应当在100KB上下。
不同核心的Pentium4一级缓存在数量上可能略有差异，比如Prescott核心的Pentium4处理器从Northwood核心的12K μOps上升为16K μOps，这可不是4KB存储空间的变化，而是增大了存储4千多条微指令需要的空间。虽说不同内核微指令长度有些不同，不能简单地用微指令的数目来比较指令缓存的大小，但Pentium4数据缓存和指令缓存加起来在100KB出头的样子，这应该是比较合理的估计。这个数目和AthlonXP的128KB合计数目就础同一个级别了。那么我们此时可以得出一个和常见说法大相径庭的初步结论：Pentium4的一级缓存与AthlonXP相比差不多。
但问题还不是那么简单。我们这里再来看看图3和图4，图3是Pentium4架构的示意图，图4是K7架构的示意图。
对比图3和图4我们可以很清楚地发现，在AthlonXP核心里面的指令缓存和Pentium4的ETC完全不是处于同一类别的位置，有着比较明显的差异。我们再把Pentium Ⅲ架构图，也就是图5拿来和图3进行对比就更明白了。
显然在PentiumⅢ架构里面，被解码的微指令是放置在“Reservation Station”里面的，可以这样理解： PentiumⅢ架构里面的“Reservation Station”在Pentium4架构里面被强化，然后被赋予新的名称“ETC”。而PentiumⅢ架构里面的“Instruction Cache”在Pentium4里面已经被部分L2 Cache和另外一些单元所替代，而在AthlonXP架构里面和Pentium Ⅲ一样具有类似“Reservation Station”的部分。如果我们要进行AthlonXP和Pentium4一级缓存大小的比较，采用前面通过简单相加来进行比较的方法，现在看来正确性就值得怀疑了。如果真要对比，似乎我们还得把AthlonXP“Reservation Station”部分的大小也算进去？
3.真正的结论：统一了单位也不能相加
我们再来看看图6和图7，这仍旧是用WCPUID软件截取Pentium4和AthlonXP缓存详细信息的图片。在这里我们可以看到，WCPUID软件认为缓存甚至还包括了相关TLB的部分。我们姑且不考虑WCPUID软件这种分类是否合适，但联系上面的分析，我们可以明确地知道CPU内部的缓存远不止“指令缓存”和“数据缓存”两种，如果要严格地在数量上比较大小，必须将相关的全部缓存进行相加才对。对于其他的存储器限于篇幅我们这里就不再讨论了，只是再次指出在相加之前要确保相加得出的结果含义一致，不然一块CPU加一把椅子你能说等于什么东西？
至此，我们可以得出结论：在架构有一定区别的处理器对比中，很多缓存已经难以找到对应的东西，即使类似名称的缓存在设计思路和功能定义上也有区别了。比如图6、图7里面TLB部分的联合方式，Intel和AMD两家公司存在着注重大块数据还是小块数据的两种思路。此时甚至已经不能用简单的算术加法来进行对比；而在架构极为近似的处理器对比中，分别对比各种功能缓存大小才有一定的意义。而一级缓存、二级缓存这一类说法，在一些描述性的文章中还可以使用，在较为专业的场合这种称谓就显得不太严谨了。
广大用户自Pentium Ⅱ乃至更早时期养成的对比缓存大小判断性能的习惯，现在该渐渐抛弃了，不同类型的CPU不能简单用缓存大小衡量其性能。
CPU内存寻址到底是多少
Athlon64/FX作为桌面级64位中央处理器，在CPU发展史上的重要性毋庸置疑。Athlon64最吸引大众目光的就是它的64bit特性，它号称能大幅度提高处理器效能并且能提供更大的内存寻址空间，但事实是这样么？
1.并不支持64位内存空间寻址的Athlon64
在讨论Athlon64能支持多少内存之前，我们先来看看已经辉煌多年的X86-32架构下的CPU能够支持多大的内存。这个答案很显然，32位处理器自然是能支持32位的内存寻址，也就是拥有2的32次方(也就是4GB)这么大的寻址空间，这在80386DX时代就已经被实现了。但近年来由于大型数据库、视频图像处理等这些对内存空间极度渴求的应用程序被更广泛、更大规模的使用，4GB的内存已经开始捉襟见肘。所以在Pentium Pro时代就引入PAE(Physical Address Extensions)技术，通过这类技术我们可以使物理寻址空间达到36位，也就是64GB。
那么Athlon64能够支持多大的内存呢？查询相关的白皮书我们可以知道，Athlon64(Opteron)只能支持到40位的物理空间寻址，也就是支持1TB(1TB=1024GB)，与采用PAE技术的32位处理器相比物理寻址空间增大了15倍。这个结果可能让人有些吃惊，原来Athlon64并不支持64位的物理内存寻址！但我们再次查询AMD公司X86-64架构体系的时候可以发现，X86-64现有架构实际上可以支持52位的物理寻址能力，也就是4PB(1PB=1024TB)大小，而虚拟寻址就可以达到64位。
2.支持的内存越多越好么
我们并不能因为Athlon64不支持64位内存空间寻址，就说它是挂羊头卖狗肉，AMD公司这样做也是有它的理由的。我们先来看看它的竞争对手Intel公司的64位处理器──安腾系列产品。第一代安腾处理器可以支持44位的物理寻址，也就是16TB的物理寻址，和54位的虚拟寻址，也就是16PB，最大寻址能力和Athlon64一样没有达到64位。而安腾二代物理寻址就进一步提升到50位(1PB)，虚拟寻址就达到了64位。关于这几款处理器内存寻址能力的文章，很多文章里面给出的数据都是五花八门，正确性也值得商榷。下表中做了一个简单的归纳：
作为现阶段的桌面甚至是服务器级别应用，更大的内存寻址空间并不具备特别的意义，不仅内存芯片厂家没有对应的产品，操作系统的限制短期内也没有打破的迹象。所以不管是Intel还是AMD，在内存寻址上都没有试图去做到64位的一步到位。对于越来越大的内存，在软硬件层面上提高管理能力才是现在发展的当务之急。现在很多评测都已经指出在超越主流内存容量以后，不管是软件层面或者硬件层面都会出现这个可怕的事实：内存越大、速度越慢。如果内存容量呈指数级别增长，效能下降的程度有可能会变得非常的可怕。内存寻址位数的提升，只有在相关软硬件都有充分发展并能予以充分支持的时候，这才能发挥出它应有的意义。
而且从架构上来说，AMD公司X86-64系统仍旧采用的是具有20多年历史的X86的ISA(Instruction Set Architecture，指令集架构)，而形式上仍旧是披着CISC外衣的RISC处理器，只是增加了64位计算的能力并且在架构上做了一些优化和更新。对比Intel公司的安腾系列处理器，是采用EPIC(Explicitly Parallel Instruction Code，并行指令代码)指令的VLIW架构，两者的差别非常大，对于内存寻址能力更不是通过大小就能简单比较出来的。
把上面的分析概括一下，结论就是：Athlon64并不支持64位的内存寻址(但支持64位运算)，支持内存数目也并不是越多越好。只是时下把支持64位内存寻址作为Athlon64主要优点的观念不少人都存在，而错误认为内存寻址越大越好的人也不少。Athlon64是一款优秀的具有划时代意义的CPU，但我们不能把它更优秀的设计淹没掉，而把赞许投在一些只具有广告意义的噱头上。