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CPU 的指標


媒體:原創  作者:佚名
專業號:宇翔  2009/1/27 11:33:01 發布


電腦DIY知識
CPU的指標
(1) CPU的時鐘頻率稱為主頻, 主頻越高, 則計算機工作速度越快; 主板的頻率稱為外頻; 主頻與外頻的關系為:
(2) 內部緩存(cache), 也叫一級緩存(L1 cache). 這種存儲器由SRAM制作, 封裝于CPU內部, 存取速度與CPU主頻相同. 內部緩存容量越大, 則整機工作速度也越快. 一般容量為KB.
主頻=外頻×倍頻數
(3) 二級緩存(L2 cache). 集成于CPU外部的高速緩存, 存取速度與CPU主頻相同或與主板頻率相同. 容量一般為KB~MB.
(4) MMX(Multi-Media extension)指令技術. 增加了多媒體擴展指令集的CPU, 對多媒體信息的處理能力可以提高60%左右.
(5) 3D指令技術. 增加了3D擴展指令集的CPU, 可大幅度提高對三維圖象的處理速度.
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CPU的英文全稱是Central Processing Unit,即中央處理器。CPU從雛形出現到發展壯大的今天,由于制造技術的越來越先進,其集成度越來越高,內部的晶體管數達到幾百萬個。雖然從最初的CPU發展到現在其晶體管數增加了幾十倍,但是CPU的內部結構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的性能,因此CPU的性能指標十分重要。 CPU主要的性能指標有以下幾點:

第一:主頻,也就是CPU的時鐘頻率,簡單地說也就是CPU的工作頻率。一般說來,一個時鐘周期完成的指令數是固定的,所以主頻越高,CPU的速度也就越快了。不過由于各種CPU的內部結構也不盡相同,所以并不能完全用主頻來概括CPU的性能。至于外頻就是系統總線的工作頻率;而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數。用公式表示就是:主頻=外頻×倍頻。我們通常說的賽揚433、PIII 550都是指CPU的主頻而言的。

第二:內存總線速度或者叫系統總路線速度,一般等同于CPU的外頻。內存總線的速度對整個系統性能來說很重要,由于內存速度的發展滯后于CPU的發展速度,為了緩解內存帶來的瓶頸,所以出現了二級緩存,來協調兩者之間的差異,而內存總線速度就是指CPU與二級(L2)高速緩存和內存之間的工作頻率。

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,發展到奔騰586時,已經是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已經采用1.6V的工作電壓了。低電壓能解決耗電過大和發熱過高的問題,這對于筆記本電腦尤其重要。

第四:協處理器或者叫數學協處理器。在486以前的CPU里面,是沒有內置協處理器的。由于協處理器主要的功能就是負責浮點運算,因此386、286、8088等等微機CPU的浮點運算性能都相當落后,自從486以后,CPU一般都內置了協處理器,協處理器的功能也不再局限于增強浮點運算?,F在CPU的浮點單元(協處理器)往往對多媒體指令進行了優化。比如Intel的MMX技術,MMX是“多媒體擴展指令集”的縮寫。MMX是Intel公司在1996年為增強Pentium CPU在音像、圖形和通信應用方面而采取的新技術。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、超標量。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生產上的裝配流水線。在CPU中由5~6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指令分成5~6步后再由這些電路單元分別執行,這樣就能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令,因此提高了CPU的運算速度。超流水線是指某型 CPU內部的流水線超過通常的5~6步以上,例如Pentium pro的流水線就長達14步。將流水線設計的步(級)數越多,其完成一條指令的速度越快,因此才能適應工作主頻更高的CPU。超標量是指在一個時鐘周期內CPU可以執行一條以上的指令。這在486或者以前的CPU上是很難想象的,只有Pentium級以上CPU才具有這種超標量結構;這是因為現代的CPU越來越多的采用了RISC技術,所以才會超標量的CPU。

第六:亂序執行和分枝預測,亂序執行是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規定的順序分開發送給各相應電路單元處理的技術。分枝是指程序運行時需要改變的節點。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按指令順序執行,而條件分枝則必須根據處理結果再決定程序運行方向是否改變,因此需要“分枝預測”技術處理的是條件分枝。

第七:L1高速緩存,也就是我們經常說的一級高速緩存。在CPU里面內置了高速緩存可以提高CPU的運行效率。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。采用回寫(Write Back)結構的高速緩存。它對讀和寫操作均有可提供緩存。而采用寫通(Write-through)結構的高速緩存,僅對讀操作有效。在486以上的計算機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運行在相同頻率下的,但成本昂貴,所以Pentium II運行在相當于CPU頻率一半下的,容量為512K。為降低成本Intel公司曾生產了一種不帶L2的CPU名為賽揚。

第九:制造工藝, Pentium CPU的制造工藝是0.35微米, PII和賽揚可以達到0.25微米,最新的CPU制造工藝可以達到0.18微米,并且將采用銅配線技術,可以極大地提高CPU的集成度和工作頻率。
六.多媒體指令集
CPU依靠指令來計算和控制系統,每款CPU在設計時就規定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統。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最有效工具之一。從現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)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"。
1、精簡指令集的運用
在最初發明計算機的數十年里,隨著計算機功能日趨增大,性能日趨變強,內部元器件也越來越多,指令集日趨復雜,過于冗雜的指令嚴重的影響了計算機的工作效率。后來經過研究發現,在計算機中,80%程序只用到了20%的指令集,基于這一發現,RISC精簡指令集被提了出來,這是計算機系統架構的一次深刻革命。RISC體系結構的基本思路是:抓住CISC指令系統指令種類太多、指令格式不規范、尋址方式太多的缺點,通過減少指令種類、規范指令格式和簡化尋址方式,方便處理器內部的并行處理,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:
指令種類少,指令格式規范:RISC指令集通常只使用一種或少數幾種格式。指令長度單一(一般4個字節),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,尋址方式總數一般不超過5個。其他更為復雜的尋址方式,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操作訪問內存。因此,每條指令中訪問的內存地址不會超過1個,訪問內存的操作不會與算術操作混在一起。
簡化處理器結構: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計,不必使用大量專用寄存器,特別是允許以硬件線路來實現指令操作,而不必像CISC處理器那樣使用微程序來實現指令操作。因此RISC處理器不必像CISC處理器那樣設置微程序控制存儲器,就能夠快速地直接執行指令。
便于使用VLSI技術:隨著LSI和VLSI技術的發展,整個處理器(甚至多個處理器)都可以放在一個芯片上。RISC體系結構可以給設計單芯片處理器帶來很多好處,有利于提高性能,簡化VLSI芯片的設計和實現?;赩LSI技術,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、超流水線和超標量技術,從而實現指令級并行操作,提高處理器的性能。目前常用的處理器內部并行操作技術基本上是基于RISC體系結構發展和走向成熟的。
正由于RISC體系所具有的優勢,它在高端系統得到了廣泛的應用,而CISC體系則在桌面系統中占據統治地位。而在如今,在桌面領域,RISC也不斷滲透,預計未來,RISC將要一統江湖。
2、CPU的擴展指令集
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,又開發了擴展指令集,擴展指令集定義了新的數據和指令,能夠大大提高某方面數據處理能力,但必需要有軟件支持。
MMX 指令集
MMX(Multi Media eXtension,多媒體擴展指令集)指令集是Intel公司于1996年推出的一項多媒體指令增強技術。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據,在處理結果超過實際處理能力的時候也能進行正常處理,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,當時存在的操作系統不必為此而做出任何修改便可以輕松地執行MMX程序。但是,問題也比較明顯,那就是MMX指令集與x87浮點運算指令不能夠同時執行,必須做密集式的交錯切換才可以正常執行,這種情況就勢必造成整個系統運行質量的下降。
SSE指令集
SSE(Streaming SIMD Extensions,單指令多數據流擴展)指令集是Intel在Pentium III處理器中率先推出的。其實,早在PIII正式推出之前,Intel公司就曾經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公司從未正式發布過關于MMX2的消息。
而最終推出的SSE指令集也就是所謂勝出的"互聯網SSE"指令集。SSE指令集包括了70條指令,其中包含提高3D圖形運算效率的50條SIMD(單指令多數據技術)浮點運算指令、12條MMX 整數運算增強指令、8條優化內存中連續數據塊傳輸指令。理論上這些指令對目前流行的圖像處理、浮點運算、3D運算、視頻處理、音頻處理等諸多多媒體應用起到全面強化的作用。SSE指令與3DNow!指令彼此互不兼容,但SSE包含了3DNow!技術的絕大部分功能,只是實現的方法不同。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數據來有效地提高浮點運算速度。
在后來Intel為了應對AMD的3Dnow!指令集,又在SSE的基礎上開發了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設計結束為止,Intel增加了一套包括144條新建指令的SSE2指令集。像最早的SIMD擴展指令集,SSE2涉及了多重的數據目標上立刻執行一單個的指令(即SIMD,一個計算低工控最好的方法是讓每指令執行更多的工作)。最重要的是SSE2能處理128位和兩倍精密浮點數學運算。處理更精確浮點數的能力使SSE2成為加速多媒體程序、3D處理工程以及工作站類型任務的基礎配置。但重要的是軟件是否能適當的優化利用它。
3D Now!(3D no waiting)指令集
3DNow!是AMD公司開發的SIMD指令集,可以增強浮點和多媒體運算的速度,并被AMD廣泛應用于其K6-2 、K6-3以及Athlon(K7)處理器上。3DNow!指令集技術其實就是21條機器碼的擴展指令集。
與Intel公司的MMX技術側重于整數運算有所不同,3DNow!指令集主要針對三維建模、坐標變換 和效果渲染等三維應用場合,在軟件的配合下,可以大幅度提高3D處理性能。后來在Athlon上開發了Enhanced 3DNow!。這些AMD標準的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因為受到Intel在商業上以及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。

媒體:原創  作者:佚名
專業號:宇翔  2009/1/27 11:33:01 發布
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我也說兩句
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