学习日记：CPU芯片基础知识
目录
CPU芯片基础知识
一、外型各部分及功能
二、工作原理
三、CPU的基本组成
四、CPU具有的功能
五、参数
一、外型各部分及功能
1、核心
中间凸起的一片指甲大小的、薄薄的硅晶片部分是CPU核心，英文称之为“die”。在这块小小的硅片上，密布着数以千万计的晶体管，它们相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作
2、金属盖
CPU的核心工作强度很大，发热量也大。而且CPU的核心非常脆弱，为了核心的安全，同时为了帮助核心散热，于是现在的CPU一般在其核心上加装一个金属盖，此金属盖不仅可以避免核心受到意外伤害，同时也增加了核心的散热面积
3、针角
金属封装壳周围是CPU基板，它将CPU内部的信号引到CPU引脚上。基板的背面有许 多密密麻麻的镀金的引脚，它是CPU与外部电路连接的通道，同时也起着固定CPU的作用
4、散热器
由于CPU的核心发热量比较大，为了保护核心的安全，如今的CPU都得加装一个CPU散热器。散热器通常由一个大大的合金散热片和一个散热风扇组成，用来将CPU核心产生的热量快速散发掉
二、工作原理
CPU的内部结构可分为控制、逻辑、存储三大部分。如果将CPU比作一台机器的话，其工作原理大致是这样的：首先是CPU将“原料”（程序发出的指令）经过“物质分配单位”（控制单元）进行初步调节，然后送到“加工车床”（逻辑运算单元）进行加工，最后将加工出来的“产品”（处理后的数据）存储到“仓库”（存储器）中，以后“销售部门”（应用程序）就可到“仓库”中按需提货了。
三、CPU的基本组成
控制器：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。
控制器的功能：
（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。
（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。比如一次数据cache的读/写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入/输出操作。
（3）指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。
运算器：算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW组成。
运算器的功能：
（1）执行所有的算术运算。
（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。
通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。
四、CPU具有的功能
指令控制：由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。
操作控制： CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
时间控制：对各种操作实施时间上的定时。
数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。
五、参数
1.体现CPU工作能力的主频、外频、倍频
（1）CPU的整体工作速度——主频
主频就是CPU的时钟频率，也就是CPU运算时的工作频率。我们平常经常挂在嘴边的“奔腾4 XXX MHz”讲的就是CPU的主频。
（2）生产线与生产线的条数——外频与倍频
与主频相关的还有“外频”与“倍频”这两个概念，“外频”是系统总线的工作频率，而“倍频”则是外频与主频相差的倍数，主频=外频×倍频。我们可以把外频看做CPU这台“机器”内部的一条生产线，而倍频则是生产线的条数，一台机器生产速度的快慢（主频）自然就是生产线的速度（外频）乘以生产线的条数（倍频）了。
2.CPU的进出口速度——前端总线频率
前端总线是CPU与主板北桥芯片之间连接的通道，而“前端总线频率”（FSB）就是该通道“运输数据的速度”。如果将CPU看做一台安装在房间中的大型机器的话，“前端总线”就是这个房间的“大门”。机器的生产能力再强，如果“大门”很窄或者物体流通速度比较慢的 话，CPU就不得不处于一种“吃不饱”的状态。
图5 “前端总线”图释
4.CPU的内部高速周转仓库——缓存
随着CPU主频的不断提高，它的处理速度也越来越快，其它设备根本赶不上CPU的速度，没办法及时将需要处理的数据交给CPU。于是，高速缓存便出现在CPU上，当CPU在处理数据时，高速缓存就用来存储一些常用或即将用到的数据或指令，当CPU需要这些数据或指令的时候直接从高速缓存中读取，而不用再到内存甚至硬盘中去读取，如此一来可以大幅度提升CPU的处理速度。
缓存又分为几个级别：
L1 Cache（一级缓存）：
它采用与CPU相同的半导体工艺，制作在CPU内部，容量不是很大，与CPU同频运行，无需通过外部总线来交换数据，所以大大节省了存取时间。
L2 Cache（二级缓存）：CPU在读取数据时，寻找顺序依次是L1→L2→内存→外存储器。L2 Cache的容量十分灵活，容量越大，CPU档次越高。
L3 Cache（三级缓存）：还可以在主板上或者CPU上再外置的大容量缓存，被称为三级缓存。
5.CPU的制造工艺、封装方式
CPU主要分为Intel和AMD两类
制造工艺，也称为“制程宽度”。是在制作CPU核心时，核心上最基本的功能单元CMOS电路的宽度。在CPU的制造工艺中，一般都是用微米来衡量加工精度。从上世纪70年代早期的10微米线宽一直到目前采用的0.13微米线宽，CPU的制造工艺都在不断地进步。制作工艺的提高，意味着CPU的体积将更小，集成度更高，耗电更少。
封装是指安装CPU集成电路芯片用的外壳。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热功能的作用，而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技术指标一代比一代先进（图6、7）。目前封装技术适用的芯片频率越来越高，散热性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性也越来越高。
6.CPU的思想灵魂——指令集
CPU的性能可以用工作频率来表现，而CPU的强大功能则依赖于指令系统。新一代CPU产品中，或多或少都需要增加新指令，以增强CPU系统功能。指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序，因此，一般来说，指令越多，CPU功能越强大。目前主流的CPU指令集有Intel的MMX、SSE、SSE2及AMD的3D Now扩展指令集。
