CPU是Central Processing Unit－－中央處理器的縮寫，它由運算器和控制器組成，CPU的內部結構可分為控制單元，邏輯單元和存儲單元三大部分。CPU的工作原理就象一個工廠對產品的加工過程：進入工廠的原料（指令），經過物資分配部門（控制單元）的調度分配，被送往生產線（邏輯運算單元），生產出成品（處理后的數據）后，再存儲在倉庫（存儲器）中，最后交由應用程序使用。

　　中央處理器簡稱CPU（Central Processing Unit），它是計算機系統的核心，主要包括運算器和控制器兩個部件。如果把計算機比作一個人，那么CPU就是心臟，其重要作用由此可見一斑。CPU的內部結構可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分，三個部分相互協調，便可以進行分析，判斷、運算并控制計算機各部分協調工作。

　　計算機發生的所有動作都是受CPU控制的。其中運算器主要完成各種算術運算（如加、減、乘、除）和邏輯運算（ 如邏輯加、邏輯乘和非運算）;

　　而控制器不具有運算功能，它只是讀取各種指令，并對指令進行分析，作出相應的控制。通常，在CPU中還有若干個寄存器，它們可直接參與運算并存放運算的中間結果。

　　我們常說的CPU都是X86系列及兼容CPU ，所謂X86指令集是美國Intel公司為其第一塊16位CPU（i8086）專門開發的，美國IBM公司1981年推出的世界第一臺PC機中的CPU— i8088（i8086簡化版）使用的也是X86指令，同時電腦中為提高浮點數據處理能力而增加的X87芯片系列數學協處理器則另外使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術的不斷發展，Intel陸續研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium Ⅲ系列，但為了保證電腦能繼續運行以往開發的各類應用程序以保護和繼承豐富的軟件資源，Intel公司所生產的所有CPU仍然繼續使用X86指令集。

　　另外除Intel 公司之外，AMD和Cyrix等廠家也相繼生產出能使用X86指令集的CPU，由于這些CPU能運行所有的為Inte lCPU所開發的各種軟件，所以電腦業內人士就將這些CPU列為Intel的CPU兼容產品。由于Intel X8 6系列及其兼容CPU都使用X86指令集，就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。

　　cpu的主要相關技術參數

　　1.主頻

　　主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz，用來表示CPU的運算速度。CPU的主頻＝外頻×倍頻系數。很多人以為認為CPU的主頻指的是CPU運行的速度，實際上這個認識是很片面的。CPU的主頻表示在CPU內數字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力是沒有直接關系的。當然，主頻和實際的運算速度是有關的，但是目前還沒有一個確定的公式能夠實現兩者之間的數值關系，而且CPU的運算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標。由于主頻并不直接代表運算速度，所以在一定情況下，很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象。因此主頻僅僅是CPU性能表現的一個方面，而不代表CPU的整體性能。 ？？ ？？

　　2.外頻

　　外頻是CPU的基準頻率，單位也是MHz。外頻是CPU與主板之間同步運行的速度，而且目前的絕大部分電腦系統中外頻也是內存與主板之間的同步運行的速度，在這種方式下，可以理解為CPU的外頻直接與內存相連通，實現兩者間的同步運行狀態。外頻與前端總線（FSB）頻率很容易被混為一談，下面的前端總線介紹我們談談兩者的區別。 so？鰀 B？

　　3.前端總線（FSB）頻率

　　前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）是直接影響CPU與內存直接數據交換速度。由于數據傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率，即數據帶寬＝（總線頻率×數據帶寬）/8。外頻與前端總線（FSB）頻率的區別：前端總線的速度指的是數據傳輸的速度，外頻是CPU與主板之間同步運行的速度。也就是說，100MHz外頻特指數字脈沖信號在每秒鐘震蕩一千萬次；而100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數據傳輸量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。

　　4.倍頻系數

　　倍頻系數是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關系。在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。但實際上，在相同外頻的前提下，高倍頻的CPU本身意義并不大。這是因為CPU與系統之間數據傳輸速度是有限的，一味追求高倍頻而得到高主頻的CPU就會出現明顯的“瓶頸”效應——CPU從系統中得到數據的極限速度不能夠滿足CPU運算的速度。

　　5.緩存

　　緩存是指可以進行高速數據交換的存儲器，它先于內存與CPU交換數據，因此速度很快。L1　Cache（一級緩存）是CPU第一層高速緩存。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。一般L1緩存的容量通常在32～256KB。

　　L2　Cache（二級緩存）是CPU的第二層高速緩存，分內部和外部兩種芯片。內部的芯片二級緩存運行速度與主頻詳圖，而外部的二級緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會影響CPU的性能，原則是越大越好，現在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服務器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高達1MB-3MB。

　　6.CPU擴展指令集

　　CPU擴展指令集指的是CPU增加的多媒體或者是3D處理指令，這些擴展指令可以提高CPU處理多媒體和3D圖形的能力。著名的有MMX（多媒體擴展指令）、SSE（因特網數據流單指令擴展）和3DNow！指令集。

　　7.CPU內核和I/O工作電壓

　　從586CPU開始，CPU的工作電壓分為內核電壓和I/O電壓兩種。其中內核電壓的大小是根據CPU的生產工藝而定，一般制作工藝越小，內核工作電壓越低；I/O電壓一般都在1.6~3V。低電壓能解決耗電過大和發熱過高的問題。

　　8.制造工藝

　　指在硅材料上生產CPU時內部各元器材的連接線寬度，一般用微米表示。微米值越小制作工藝越先進，CPU可以達到的頻率越高，集成的晶體管就可以更多。目前Intel的P4和AMD的XP都已經達到了0.09微米的制造工藝

　　cpu處理技術

　　在解釋超流水線與超標量前，先了解流水線（Pipeline）。流水線是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CPU的運算速度。經典奔騰每條整數流水線都分為四級流水，即指令預取、譯碼、執行、寫回結果，浮點流水又分為八級流水。超標量是通過內置多條流水線來同時執行多個處理器，其實質是以空間換取時間。而超流水線是通過細化流水、提高主頻，使得在一個機器周期內完成一個甚至多個操作，其實質是以空間換取時間。例如Pentium 4的流水線就長達20級。將流水線設計的步（級）越長，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。但是流水線過長也帶來了一定副作用，很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象，Intel的奔騰4就出現了這種情況，雖然它的主頻可以高達1.4G以上，但其運算性能卻遠遠比不上AMD 1.2G的速龍甚至奔騰III-s。

　　CPU封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設計，從大的分類來看通常采用Socket插座進行安裝的CPU使用PGA（柵格陣列）方式封裝，而采用Slot x槽安裝的CPU則全部采用SEC（單邊接插盒）的形式封裝。還有PLGA（Plastic Land Grid Array）、OLGA（Organic Land Grid Array）等封裝技術。由于市場競爭日益激烈，CPU封裝技術的發展方向以節約成本為主。

　　多線程

　　同時多線程Simultaneous Multithreading，簡稱SMT。SMT可通過復制處理器上的結構狀態，讓同一個處理器上的多個線程同步執行并共享處理器的執行資源，可最大限度地實現寬發射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由于數據相關或Cache未命中帶來的訪問內存延時。當沒有多個線程可用時，SMT處理器幾乎和傳統的寬發射超標量處理器一樣。SMT最具吸引力的是只需小規模改變處理器核心的設計，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術則可以為高速的運算核心準備更多的待處理數據，減少運算核心的閑置時間。這對于桌面低端系統來說無疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz Pentium 4開始，部分處理器將支持SMT技術。

　　多核心

　　多核心，也指單芯片多處理器（Chip Multiprocessors，簡稱CMP）。CMP是由美國斯坦福大學提出的，其思想是將大規模并行處理器中的SMP（對稱多處理器）集成到同一芯片內，各個處理器并行執行不同的進程。這種依靠多個CPU同時并行地運行程序是實現超高速計算的一個重要方向，稱為并行處理。與CMP比較，SMP處理器結構的靈活性比較突出。但是，當半導體工藝進入0.18微米以后，線延時已經超過了門延遲，要求微處理器的設計通過劃分許多規模更小、局部性更好的基本單元結構來進行。相比之下，由于CMP結構已經被劃分成多個處理器核來設計，每個核都比較簡單，有利于優化設計，因此更有發展前途。IBM 的Power 4芯片和Sun的MAJC5200芯片都采用了CMP結構。多核處理器可以在處理器內部共享緩存，提高緩存利用率，同時簡化多處理器系統設計的復雜度。但這并不是說明，核心越多，性能越高，比如說16核的CPU就沒有8核的CPU運算速度快，因為核心太多，而不能合理進行分配，所以導致運算速度減慢。在買電腦時請酌情選擇。2005年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結構。新安騰處理器開發代碼為Montecito，采用雙核心設計，擁有最少18MB片內緩存，采取90nm工藝制造。它的每個單獨的核心都擁有獨立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支晶體管。

　　SMP

　　SMP（Symmetric Multi-Processing），對稱多處理結構的簡稱，是指在一個計算機上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享內存子系統以及總線結構。在這種技術的支持下，一個服務器系統可以同時運行多個處理器，并共享內存和其他的主機資源。像雙至強，也就是所說的二路，這是在對稱處理器系統中最常見的一種（至強MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路）。也有少數是16路的。但是一般來講，SMP結構的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規的一般是8個到16個，不過這對于多數的用戶來說已經夠用了。在高性能服務器和工作站級主板架構中最為常見，像UNIX服務器可支持最多256個CPU的系統。

　　構建一套SMP系統的必要條件是：支持SMP的硬件包括主板和CPU；支持SMP的系統平臺，再就是支持SMP的應用軟件。為了能夠使得SMP系統發揮高效的性能，操作系統必須支持SMP系統，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系統。即能夠進行多任務和多線程處理。多任務是指操作系統能夠在同一時間讓不同的CPU完成不同的任務；多線程是指操作系統能夠使得不同的CPU并行的完成同一個任務。

　　要組建SMP系統，對所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內部必須內置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）單元。Intel 多處理規范的核心就是高級可編程中斷控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers–APICs）的使用；再次，相同的產品型號，同樣類型的CPU核心，完全相同的運行頻率；最后，盡可能保持相同的產品序列編號，因為兩個生產批次的CPU作為雙處理器運行的時候，有可能會發生一顆CPU負擔過高，而另一顆負擔很少的情況，無法發揮最大性能，更糟糕的是可能導致死機。

　　NUMA技術

　　NUMA即非一致訪問分布共享存儲技術，它是由若干通過高速專用網絡連接起來的獨立節點構成的系統，各個節點可以是單個的CPU或是SMP系統。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，一般采用硬件技術實現對cache的一致性維護，通常需要操作系統針對NUMA訪存不一致的特性（本地內存和遠端內存訪存延遲和帶寬的不同）進行特殊優化以提高效率，或采用特殊軟件編程方法提高效率。NUMA系統的例子。這里有3個SMP模塊用高速專用網絡聯起來，組成一個節點，每個節點可以有12個CPU。像Sequent的系統最多可以達到64個CPU甚至256個CPU。顯然，這是在SMP的基礎上，再用NUMA的技術加以擴展，是這兩種技術的結合。

　　亂序執行

　　亂序執行（out-of-orderexecution），是指CPU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。這樣將根據個電路單元的狀態和各指令能否提前執行的具體情況分析后，將能提前執行的指令立即發送給相應電路單元執行，在這期間不按規定順序執行指令，然后由重新排列單元將各執行單元結果按指令順序重新排列。采用亂序執行技術的目的是為了使CPU內部電路滿負荷運轉并相應提高了CPU的運行程序的速度。

　　分枝技術

　?。╞ranch）指令進行運算時需要等待結果，一般無條件分枝只需要按指令順序執行，而條件分枝必須根據處理后的結果，再決定是否按原先順序進行。

　　控制器

　　許多應用程序擁有更為復雜的讀取模式（幾乎是隨機地，特別是當cache hit不可預測的時候），并且沒有有效地利用帶寬。典型的這類應用程序就是業務處理軟件，即使擁有如亂序執行（out of order execution）這樣的CPU特性，也會受內存延遲的限制。這樣CPU必須得等到運算所需數據被除數裝載完成才能執行指令（無論這些數據來自CPU cache還是主內存系統）。當前低段系統的內存延遲大約是120－150ns，而CPU速度則達到了4GHz以上，一次單獨的內存請求可能會浪費200－300次CPU循環。即使在緩存命中率（cache hit rate）達到99.9%的情況下，CPU也可能會花50%的時間來等待內存請求的結束－比如因為內存延遲的緣故。

　　在處理器內部整合內存控制器，使得北橋芯片將變得不那么重要，改變了處理器訪問主存的方式，有助于提高帶寬、降低內存延時和提升處理器性制造工藝：Intel的I5可以達到28納米，在將來的CPU制造工藝可以達到22納米。