CPU是整个系统的核心,所以CPU性能的高低直接决定了计算机系统的优劣。通常CPU的主要性能指标如下。
1.主频、外频、倍频
CPU主频又称为CPU工作频率,即CPU内核运行时的时钟频率。一般说来,主频越高,一个时钟周期里面完成的指令数也越多,CPU的速度也就越快了。不过由于各种各样的CPU内部结构也不尽相同,所以并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。目前CPU的主频一般都在2.0 GHz以上。
CPU外频是由主板为CPU提供的基准时钟频率。虽然CPU可以采用很高的时钟频率工作,但CPU以外的其他部件却不能以同样高的速度工作,因此CPU外频远低于CPU的工作频率。
倍频系数CPU内部的时钟信号是由外部输入的,在CPU内部采用了时钟倍频技术,按一定比例提高输入时钟信号的频率,这个提高时钟频率的比例称为倍频系数。这三者之间的关系为:主频=外频×倍频。
前端总线频率(FSB)是CPU与主板芯片组、内存交换数据的频率。前端总线频率与外频这两个概念容易混淆,主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时),前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线频率为外频。随着计算机技术的发展,人们发现前端总线频率需要高于外频,因此采用了QDR(Quad Date Rate)技术,或者其他类似的技术实现这个功能。从此之后前端总线频率和外频的区别才开始被人们重视起来。
2.字长
在数字电路和计算机中均采用二进制,代码只有“0”和“1”。其中无论是“0”或是“1”,在CPU中都是1位。由于英文字符可用8位二进制数来表示(如ASCⅡ),所以通常将8位二进制数称为一个字节。
字长是指在算术逻辑单元中采用运算的基本位数,即CPU能一次处理的二进制位数。目前CPU普遍采用64位技术,也就是说处理器一次可以运行64位数据。
3.工作电压
工作电压指的是指CPU正常工作时需要提供的电压值。早期的CPU一般采用5 V电压,而现在使用的CPU为了降低能耗,减小了发热以适应更高的工作频率,都采用了较低的工作电压,如3.3 V、2.9 V、2.2 V、2.0 V、1.5 V、1.4 V的工作电压。CPU工作电压越低就表示CPU制造工艺越先进,也表示CPU运行时耗电功率越小。
高速缓冲存储器Cache是位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量虽比内存小但交换速度快。对于CPU性能,缓存的大小也是衡量CPU性能重要指标之一,而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大。CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运作,工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时,CPU往往需要重复读取同样的数据块,而缓存容量的增大,可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率,而不用再到内存或者硬盘上寻找,以此提高系统性能。CPU的缓存又分为:一级缓存(L1 Cache)、二级缓存(L2 Cache)和三级缓存(L3 Cache)。二级缓存如图2-1所示。
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图2-1 CPU二级缓存
L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存,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,不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂。在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般L1缓存的容量通常在32~256 KB。
L2 Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存,分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同,而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能,原则是越大越好。以前家庭用CPU容量最大的是512 KB,现在笔记本电脑中也可以达到2 MB,而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高,可以达到8 MB以上。
L3 Cache(三级缓存)分为两种,早期的是外置,现在的都是内置。而它的实际作用即是,三级缓存的应用可以进一步降低内存延迟,同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对运行大型程序或游戏来说是有帮助的。
5.支持的扩展指令集
CPU依靠指令来自计算和控制系统,每款CPU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CPU的重要指标。指令集是提高微处理器效率的有效工具之一。
从现阶段的主流体系结构讲,指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分。例如:MMX、3D NOW!、SSE、SSE2、SSE3、SSE4a等,都是CPU扩展指令集。这些指令集会增强CPU的多媒体、图形图像和Internet等的处理能力。
Intel和AMD的CPU在X86指令集的基础上,为了提升各方面的性能,所以又各自开发新的指令集。
扩展指令主要有Intel公司开发的多媒体扩展指令集(MultiMediaeXtensions,MMX)和互联网数据流单指令扩展(Streaming SIMD Extensions,SSE)SSE2、SSE3、SSE4a和AMD开发的3D NOW!(3D No Waiting!)和增强版3D NOW!等。
X86-64指令集是AMD公司设计、可以在同一时间内处理64位的整数运算,并兼容于X86-32架构。
在Intel的Core i7处理器中,SSE4.2指令集被引入,加入了STTNI(字符串文本新指令)和ATA(面向应用的加速器)两大优化指令。据Intel公司表示,新指令可以在XML分析方面取得3.8倍的性能提升。
AMD新推出了SSE5指令集。SSE5指令集的使命之一是增强高性能计算应用,并充分发挥多核心、多媒体的并行优势。
以上介绍了CPU主要性能参数,虽然CPU性能参数对整个系统有相当大的影响,但决定系统综合性能不仅仅是CPU的性能参数,还决定于选用的主机板、内存、显示卡、硬盘的性能指标。因此组装计算机系统时,应对系统所选用的所有部件进行综合考虑,才能组合一台综合性能优异的计算机。
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