任务一 中央处理器（CPU）

任务分析：

中央处理器（CP U）是计算机最核心的部件，其性能级别可直接反映出计算机的性能级别。任务一分为五个部分，分别是CP U概述、CP U的结构组成、CP U的性能指标、主流CPU的架构分析和 CPU的选购常识。需要重点掌握CPU的性能指标参数，只有了解各参数的含义才能在选购时加以甄别，做到心中有数。

2.1 CPU概述

CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件。它决定了计算机运行的速度，其功能主要是解释计算机指令及处理计算机软件中的数据。在计算机的体系结构中，CP U是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入/输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。它是计算机的运算和控制核心，计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作，即运行任何程序都是由CPU来执行的。

CPU有各种不同的叫法，如中央处理单元、中央处理器、微处理器、处理器等。

2.2 CPU的结构组成

2.2.1 CPU的逻辑构造

CPU的逻辑构造包括运算逻辑部件、控制部件、寄存器部件等，其中运算逻辑部件可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作和逻辑操作，也可执行地址运算和转换；控制部件主要负责对指令进行译码，并发出为完成每条指令所要执行各个操作的控制信号；寄存器部件包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。

另外，现代CPU内部也增加了高速缓存（Cache），以便减少处理器访问内存所需的平均时间，其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器数据接口的频率。缓存分为一级缓存、二级缓存和三级缓存，其中一级缓存位于 CP U内核的旁边，是与CP U结合最为紧密的缓存。一般来说，一级缓存可以分为一级数据缓存和一级指令缓存。二级缓存是CP U的第二层高速缓存，它既可置于CPU芯片内，也可置于CP U芯片外。这由 CPU的型号决定，并且CPU内的缓存速度更高；三级缓存是为读取二级缓存未命名后的数据设计的—种缓存，在拥有三级缓存的CP U中，只有约5%的数据需要从内存中调用，三级高速缓冲的结构明显提高了CPU的效率。

2.2.2 CPU的物理构造

CPU的物理构造包括内核、基板、填充物等。

1.内核

内核（核心芯片）是由高纯度单晶体硅制造而成的。它就是计算机的大脑，所有的计算、接收指令、存储指令、执行指令和处理数据等操作都由其负责。目前绝大多数CP U都采用了翻转内核的封装形式，也就是说平时看见的CP U内核其实是这颗硅芯片的底部，是翻转后封装在陶瓷电路基板上的，这样做的好处是能够使CP U内核直接与散热装置接触。CPU的另一面要和外界的电路相连接，数量以千万计算的晶体管都要连接到外面的电路上，其连接方法给若干个晶体管焊上一根导线连接到外电路上。由于所有的计算都要在芯片上进行，所以CPU会散发出大量的热量，其核心内部温度最高处可达上百度，芯片外表面温度也会有数十度，一旦温度过高就会造成CPU运行不正常甚至烧毁，因此，散热对计算机是非常重要的，这既需在设计CPU时重点考虑，还需在芯片外增加散热装置。

2.基板

CP U的基板就是承载 CP U内核的电路基板，它负责内核芯片和外界的一切通信。它上面除了有计算机主板上常见的电容、电阻等，还有CP U芯片的电路桥，在基板的背部还有用于和主板连接的针脚或者触点。

3.填充物

在CPU的内核和基板之间，还有一种填充物可用来缓解来自散热器的压力，并可固定芯片和电路基板，由于它连接着温度有较大差异的两个部件，所以其质量的优劣直接影响着CPU的质量。

2.3 CPU的性能指标

购买CPU时，用户并不需要了解其具体构造及每个部分是如何工作的，但要知道CP U的各项性能指标，这些性能指标直接反映了CP U的性能，也间接决定了CP U的价格。CP U的指标包括：工作频率、前端总线频率、缓存、工作电压、地址总线宽度、字长、MIPS、扩展指令集合、工艺水平等。

2.3.1 工作频率

当前主流CPU主频（时钟频率）的单位是G Hz，用来表示CPU的运算、处理数据的速度。

CPU的主频=外频×倍频系数

主频和实际的运算速度存在一定的关系，但并不是一个简单的线性关系。所以，CP U的主频与CP U实际的运算能力不能直接相关，主频表示在CP U内数字脉冲信号震荡的速度。当然，CP U的运算速度还要看其内部指令执行的流水线结构、总线等各方面的性能指标。

外频是CP U的基准频率，其单位是M Hz。CP U的外频是整块主板的运行的基础时钟频率。通俗地说，在台式计算机中所说的“超频”是以外频为基础再对CPU超频的（一般情况下，CPU的倍频是被锁住的）。但对于服务器的CP U来讲，超频一般是不允许的。如果把服务器的CPU超频了，改变外频就会产生异步运行（台式计算机很多主板都支持异步运行），这样会造成整个服务器系统的不稳定。目前绝大部分计算机系统中的外频与主板前端总线都不是同步运行的，而外频与前端总线（FSB）频率又很容易被混为一谈。

超频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，超频越高CP U的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高超频的CP U本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间的数据传输速度是有限的，一味追求高主频CP U会出现明显的“瓶颈”效应，即CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。

2.3.2 前端总线频率

前端总线（FS B）频率直接影响CP U与内存芯片之间交换数据的速度，可使用公式进行计算，即数据带宽=（总线频率×数据位宽）/8，数据传输最大带宽取决于所有的同时传输数据宽度和传输频率。比如，现在支持64位的至强Nocona，前端总线是800 MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4GB/s。

外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度是指数据传输的速度，外频是指CP U与主板之间同步的速度。也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡 1亿次，而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接收的数据传输量是100×64÷8=800MB/s。

由于 Intel公司 HyperTransport 总线构架的出现，让前端总线频率发生了变化。I A-32架构必须有三大重要的构件：内存控制器 Hub（MCH）、I/O控制器 Hub和PCI Hub。像Intel典型的芯片组Intel 7501、Intel 7505就是为“双至强”处理器量身定做的，它们所包含的MCH为CPU提供了频率为533MHz的前端总线，配合DDR内存，前端总线带宽可达到4.3GB/s，但随着处理器性能的不断提高，给系统架构带来了很多问题。“HyperTransport”构架不但解决了这个问题，还更有效地提高了总线带宽，如灵活的 HyperTransport I/O总线体系结构整合了内存控制器，使 AMD Opteron处理器不通过系统总线传给芯片组就可直接和内存交换数据。

2.3.3 高速缓存

高速缓存（Cac he，由高速静态存储器构成，通常简称为“缓存”）的结构和大小对CP U速度的影响非常大，CP U 内缓存的运行频率极高，一般是和处理器内数据总线同频运作，其工作效率远远大于系统内存。实际工作时，CPU常常会重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大可以明显提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存甚至硬盘上寻找数据，以此可提高系统性能。但是由于CPU芯片体积和成本的因素，缓存都很小。

L1 Cac he（L1缓存）是CP U的第一层高速缓存，可分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓存存储器均由静态RAM组成，且结构较复杂，受 CP U芯片面积和功耗的限制，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32～256KB。

L2 Cac he（L2缓存）是CP U的第二层高速缓存，可分为内部芯片和外部芯片。内部缓存运行速度高，而外部芯片的L2缓存则只有主频的一半。L2缓存容量也会影响CP U的性能，原则同样是越大越好，以前家用计算机的 L2 缓存的容量多为 5 12 KB，现在笔记本电脑也可以达到2MB，而服务器上使用CPU的L2高速缓存更高，可以达到8MB以上。

L3 Cache（L3 缓存）是 CPU的第三层高速缓存，可分为外置和内置两种，现在多采用内置的。L3 缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升进行大数据量计算时处理器的性能，这些对游戏的运行很有帮助。在服务器上增加 L3缓存可在性能方面有显著提升，具有较大 L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它和较慢的磁盘I/O子系统相比可以处理更多的数据请求，以及提供更有效的文件系统缓存行为、较短消息和处理器队列长度。

早期的L3缓存被应用在 AMD的 K6-I I I处理器上，由于受限于当时的制造工艺，并没有将其集成进芯片内部，而是放在主板上，同主内存差不多。后来使用 L3 缓存的是 Intel公司为服务器市场所推出的Itanium处理器，接着就是P4EE和至强MP。Intel公司还计划推出一款9MB L3缓存的Itanium 2处理器，和以后24MB L3缓存的双核心Itanium 2处理器。

但L3缓存对处理器的性能提高显得并不是很重要，如配备1MB L3缓存的Xeon MP处理器仍然不是 Opt eron 的对手，由此可见，前端总线的增加要比缓存的增加带来更有效的性能提升。

2.3.4 工作电压

从Pent ium处理器开始，CP U的工作电压分为内核工作电压和I/O电压两种，通常CP U的内核工作电压小于或等于I/O 电压，其中内核工作电压的大小由 CP U的生产工艺而定，一般集成度越高，其内核工作电压越低，I/O电压一般都在1.6～5V，低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。

2.3.5 地址总线宽度

地址总线宽度是指CP U一次可访问物理内存的地址宽度，它的单位是位（b it）。常说的寻址空间与地址总线宽度密切相关，即寻址空间=2^{地址总线宽度}。如286处理器只有20位的地址总线宽度，所以其直接寻址的物理内存大小（寻址空间）为1MB。

现在多数CP U的地址总线宽度都是32位的，那么可访问的物理内存大小就是4G B，其中还有一部分要分配给 CPU的缓存、寄存器等物理空间，所以系统显示只有 3.25GB。如果选用集成显卡，还会划拨部分内存空间作为显存，所以有部分 4G B内存条的用户系统显示只有2.98GB可用。理论上64位地址线的处理器的直接寻址空间将达到2⁶⁴，显然没有系统会装如此多的内存。因此，现在处理器采用基础32地址，外加“架构地址”扩充方式另增 4 位（PA3 6）、8 位（PAE40）、1 6 位（PAE5 2）地址，内存空间实用值根据CPU和主板设计共同决定。常见的有4 G B、12G B、2 4G B等。

2.3.6 字长

字长是指 CP U 一次性运行处理数据的数据位的数值，单位是位（b it），通常这个数值越高计算机运算速度也就越快，现在个人计算机上主 CP U多是 64 位字长的，但外设（如硬盘、打印机）上、单片机或物联器硬件终端上仍有16位、8位甚至4位数据宽度的处理器。

2.3.7 MIPS

MIPS 是指每秒百万次，它是一个反映计算机运行速度的单位，这个值越大，运算速度就越快。

在讲主频时介绍过两个主频明显不一致的CP U，其实际运算能力是相当的，所以才会使用MIPS来区别这种情况。

2.3.8 扩展指令集合

CP U依靠指令来计算和控制系统，每款 CP U在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CP U的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

从现阶段的主流体系结构看，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，如Intel公司的MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4系列和 AMD的3DNow！等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CP U的多媒体、图形/图像和Internet等的处理能力。

通常把 CP U的扩展指令集称为“CP U的指令集”，SSE3 指令集是规模最小的，其中MMX指令集包含57条命令，SSE指令集包含50 条命令，SSE2 指令集包含14 4条命令，SSE3指令集包含13条命令。

2.3.9 工艺水平

半导体的工艺水平和 CP U的性能关系极大，它关系到CP U内能塞进多少个晶体管，以及达到的频率和功耗。如1978年Intel推出的CP U 8086，采用3μm（3000nm）工艺生产，只有 29000 个晶体管，工作频率也只有 5MHz，而现在的 CPU如 Intel 公司的 28 核Skylak e-SP Xeon处理器，它拥有超过80亿个晶体管，而Cor e i9-9900 K的最大睿频能达到5GHz，它们是采用了Intel的14nm工艺生产的。

现在半导体工艺上所说的 nm 工艺是指线宽，也就是芯片上的最基本逻辑模块电路之间连线的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以直观描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本就降低了。先进半导体制造工艺的另一个重要优点是，可以提升工作频率，当缩减元件的间距后，晶体管间的电容也会降低，晶体管的开关频率将得以提升，从而使整个芯片的工作频率提高了。另外，晶体管的尺寸缩小可降低内阻，所需的导通电压降低，这代表着 CP U的工作电压就会降低，所以每一款新CP U的内核，其电压较前一代产品都会有相应的降低。CPU的动态功耗损失与电压的平方成正比，工作电压的降低，可使其功率大幅度减小。

当前，市场上流行的 AMD公司的锐龙3系列CP U，将CP U的工艺水平压至7 nm，这已经接近硅材料在经典物理世界能控制的极限了，如果低于7 nm，需要控制电子“量子隧穿”现象。所以寻找新材料代替硅成为CPU基本材料的前沿领域，最优的新材料就是石墨烯。石墨烯被视为是一种“梦幻”材料，它具有很强的导电性、可弯折、强度高，这些特性可以被应用于各个领域中，甚至具有改变未来世界的潜力，但是现在离实现真正能把它应用于半导体领域的目标还很遥远，所以7 nm将会在很长一段时间成为CPU工艺水平的瓶颈。

2.4 主流CPU架构的分析

2.4.1 酷睿架构

英特尔“酷睿”以英特尔微架构的多核处理器为基础，扩展了英特尔移动微架构所提倡的高能效理念，并通过微架构创新，对英特尔 NetBurst 微体系结构进行了改进。此外，它还采用了优化多核处理器功率、性能和可扩充性的创新技术，包括英特尔的宽区动态执行、智能功率能力、高级智能高速缓存、智能内存访问和高级数字媒体增强等。

酷睿（Intel Core）是用来取代Pentium M架构的系列产品。它是Intel公司在2006年打造的一款领先节能的新型微架构，其设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高能效比。早期的酷睿是用于笔记本电脑处理器的。

酷睿2（Core 2 Duo）是英特尔推出的新一代基于Core微架构产品体系的统称，于2006年7月27日发布。酷睿2是一个跨平台的架构体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域，其中，服务器版的开发代号为 Woodcrest，桌面版的开发代号为 Conroe，移动版的开发代号为Merom。英文Core 2 Extreme是酷睿2的至尊版，两者的区别仅在于主频不同。

2019年中期，Intel公司推出了第九代酷睿9000系列（Coffee Lake-Refresh），其工艺是14nm，架构是Coffee Lake。Coffee Lake是Intel的第八代处理器，Coffee Lake架构采用14 nm制程，拥有6内核，基本时脉频率是3.1 GHz，超频后可达4.2 GHz，另外，每个内核皆有256 KB的L2高速缓存，总共有1 2 M B的 L3高速缓存，每个核心都有2 MB。因此，总体性能强大，它是Intel公司对抗 AMD 公司锐龙系列的重要武器。第九代酷睿 i5 9600KF外观及铭文标识，如图2-1-1所示。

2020年4月，Intel又推出酷睿8内核第十代移动版处理器，即Comet Lake H系列，其 I5、I7 和 I9 处理器在新型笔记本电脑中已大规模上市。第九代处理器在台式电脑市场也广受欢迎。

2.4.2 锐龙架构

AMD公司自从2017年3月发布“锐龙”处理器以来，可谓成功逆袭、势不可当，首当其冲逼迫 Intel 公司让 X299 平台提前接班，接下来又让第七代酷睿陷入困境，使 Intel公司不得不加快第八代酷睿上市的脚步；AMD公司在2018年又推出了第二代“锐龙”处理器对第八代酷睿形成阻击之势，至此Intel公司的市场格局已经被全盘打乱，已难以阻止口碑与销量出现下滑，而AMD公司的市场占有率则节节高升，完美地打了一场翻身仗。

AMD公司“四年磨一剑”推出的ZEN架构成为了逆袭关键，全新设计的ZEN架构相对于之前的“挖掘机”架构效率提升了 52%，实现了性能的飞跃。不久推出的“ZEN+”架构采用12 nm工艺，使得第二代锐龙处理器功耗不变而性能提升了16%。2019年紧跟着推出 ZEN2架构，在晶体管密度、功耗、性能上均有了突破性进展，7 nm工艺的ZEN 2架构拥有两倍的晶体管密度，且具有同性能下仅一半的功耗水平，同功耗下至少有25%的性能提升。

AMD 公司在 2017 年至 2019 年中表现超乎想象，也证明了其研发团队的真正实力。从第一代到第三代锐龙，已在事实上表明，AMD 公司已重新得到了台式机处理器的重要市场份额。AMD Ry zen 5 3600X的外观及铭文标志，如图2-1-2所示。

2.5 CPU的选购常识

选购CPU必须先了解其性能参数，这个在2.3节中已经详细叙述，这里不再累述。

由于所有硬件设备都会更新换代，随着处理器的代系更迭，性能会不断提升，对应支持的其他硬件也会随着改变。那么了解自己心仪CP U的性能位置就至关重要了，可以参考专业网站的性能排行，得到最新产品的信息和不同产品的定位，也就是要学会看“天梯图”。（这里不特指CPU天梯图，其他设备也有相应的天梯图），并且电脑主要器件或设备的天梯图通常每月都更新，在选购时一定要查看最新的天梯图。

你还需要有一定的选购技术，关注以下因素，可防止做出错误选择。

1.确定整机的用途

如果你买计算机是用来娱乐玩游戏的，那么就要选择性能较高的CP U；如果是用来商务办公的，那么要选择运行稳定的CP U；如果是用来做专业设计的，那么在选择运行稳定的同时还要注重其CPU的高性能。

2.确定品牌

现在市面上台式机CPU只有Intel公司和 AMD公司两家竞争，所以参考天梯图，确定好心仪的品牌很重要。

3.明确预算

“量体裁衣、量力而行”是古今真理，所以一定要清楚要花多少钱来购置计算机，一般按照整机预算的三分之一来预估CPU的价格，以在一个合理的价格区间去购买。

4.明确购买途径

购买途径主要有两种：一种是在互联网上购买，这种购买方式的好处是选择面广，想买的型号都能买到，但是也要注意网购风险，如返厂货、进水货、二手货、服务器淘汰货等劣质CPU混杂市场中，所以要预估风险，找个正规的平台和卖家。另一种就是到电脑城购买，这种购买方式的好处是可以接触实物，亲自查看是不是假冒伪劣商品，但同时也要注意，电脑城因为货源不足且信息不对称，会大力兜售你并不清楚的型号的产品，所以这两种购买方式各有利弊，需要大家综合衡量后选择合适的购买途径。

5.明确售后服务

虽然CPU不会因为质量问题出现退换货的情况，但是要关注其售后服务的内容。售后服务主要有两种：一种是盒装CP U，它一般质保三年，如果出了质量问题，则要返厂维修；另一种是散装CP U，它一般质保一年，如果出了质量问题，则要返经销商处维修，至于经销商究竟是怎么维修的就不得而知了。由于CPU品牌的质量一般是很过硬的，所以从性价比方面考虑，也可以购买散装CPU。

6.积累实战经验

这点主要从以下几个方面执行：做足功课、货比三家、外观检查（观察 CPU背后的铭文是否和包装盒一致）、明确售后、不急购买（多问、多看、多听、多想）。

温馨提示

Intel公司的创始人是戈登·摩尔（Gordon Moore）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce），最早他们打算用自己的名字命名公司，即“Moore Noyce”，但因为听起来太像“More Noise”（更多噪音）不吉利，就将“Integrated Electronics”（集成电子）缩写成了Intel。