Central Processing Unit(CPU):中央處理器,PC的大腦,是計算機中處理數(shù)據(jù)的地方,同時也是性能和價格的決定因素。
在過去的一年中,CPU的速度已從600 MHz飆升至1 GHz。到今年年底,CPU的速度有望突破1.5 GHz大關(guān)。CPU的速度競賽仍在繼續(xù),但是有一點要注意:你的CPU的性能絕不僅僅是由MHz或者GHz前面的數(shù)字來決定的――那只是商家用來吹噓的賣點。隨著芯片運算速度的加快以及在應(yīng)用中對性能需求的增加,你比以往任何時候更需要了解在你的CPU中到底發(fā)生著什么事情。
以下是你所應(yīng)該知道的:
?CPU的三項基本功能:讀數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及把數(shù)據(jù)寫到存儲器中。
?CPU的原始頻率是由兆赫茲的數(shù)量決定的,但是其它的因素,例如設(shè)計方法,也同樣的影響著芯片的性能。
?你為你的PC選擇什么樣的CPU取決于你將愿意花多少錢,以及你打算用PC來干什么。
一、物理結(jié)構(gòu)
在你了解你的CPU如何工作以前,你應(yīng)該知道它是由什么制成的。CPU是由數(shù)百萬在顯微鏡下才能看得見的晶體管,經(jīng)過化學的和照相平板印刷的過程,蝕刻到一塊磨光了的只有你拇指甲蓋大小的硅片上而形成的。
那些微小的晶體管用來存儲表示0、1的電荷,而0、1則構(gòu)成了計算機所能使用的二進制語言。成組的晶體管連在一起存儲數(shù)據(jù);它們還對數(shù)據(jù)進行邏輯的和數(shù)學的計算,并且借助于一個石英的晶體鐘,像同步的游泳者一樣協(xié)調(diào)一致地發(fā)揮作用。簡言之,它們能夠處理數(shù)據(jù)。
二、CPU的組成
CPU處理存儲在內(nèi)存單元上的信息。那些信息可以是數(shù)據(jù),也可以是指令。數(shù)據(jù)是一個二進制表達式,例如表示字母、數(shù)字和顏色。而指令則告訴CPU如何處理這些數(shù)據(jù),例如對它們進行加、減或者移動等操作。
CPU對數(shù)據(jù)進行三種基本操作:讀取數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行處理、然后通常還要把把數(shù)據(jù)寫回到存儲器上。對于最簡單的構(gòu)成,CPU只需要四個部分來實現(xiàn)它對數(shù)據(jù)的操作:指令、指令指示器、一些寄存器以及算術(shù)邏輯單元。
指令指示器告訴CPU它所需要的指令放在內(nèi)存中的哪個位置。
寄存器是CPU內(nèi)部的臨時存儲單元。它保存等待被處理的數(shù)據(jù),或者是已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)(比如說,把兩個數(shù)相加后的結(jié)果)。
算術(shù)邏輯單元,或簡稱為ALU,是CPU的運算器,執(zhí)行指令所指示的數(shù)學和邏輯運算。
CPU還包括一些協(xié)助基本單元完成工作的附加單元:
取指器負責從RAM或者CPU上的存儲區(qū)取出指令。
解碼器從取指器中取出指令,把它翻譯成CPU所能理解的語言。同時它也決定了完成該指令需要哪些步驟。
控制器的工作是管理和控制CPU的所有操作。它告訴ALU什么時候開始計算,取指器什么時候取一個0-1值,以及解碼器什么時候把該值翻譯成一條指令。
三、跟蹤指令的處理過程
以下是CPU的工作過程:指令指示器指向內(nèi)存中存放指令的地方。取指器在那里取出指令,并把它交給解碼器。解碼器解釋指令,并決定為完成該指令需要哪些步驟。(一條指令可以由許多按規(guī)定順序完成的步驟組成。)
然后,ALU執(zhí)行指令所要求的操作:它對數(shù)據(jù)進行加、減運算,或者其它的一些處理。在CPU解釋并執(zhí)行完一條指令后,控制器會告訴取指器在內(nèi)存中取出下一條指令。這個過程一直持續(xù)著――一條指令接一條指令,以令人眼花的速度運行――直到最后,產(chǎn)生你在屏幕上所見的結(jié)果。一個程序,例如文字處理,就是由一系列的指令和數(shù)據(jù)構(gòu)成的。
為了使一切都按時發(fā)生,各組成部分還需要一個時鐘發(fā)生器。時鐘發(fā)生器是用來調(diào)節(jié)CPU的每一個動作的。像節(jié)拍器一樣,它發(fā)出調(diào)整CPU步伐的脈沖。這些脈沖是以每秒數(shù)百萬次,或者兆赫茲來計算的,后者,你也許還記得,是CPU原始頻率的計量單位。時鐘發(fā)生器每秒鐘發(fā)出的脈沖越多,CPU的運行速度就越快。在相同的條件下,700 MHz的CPU比600 MHz的CPU運行得快,但是,對于幾個CPU的并行以及其它的形式來說,這些數(shù)字的意義并不那么重大。
四、CPU的增強功能
CPU只需要幾個基本的部分就可以完成其工作,但是一直以來,為了提高其整體性能,生產(chǎn)廠家不斷地修改了它的基本設(shè)計。最終的目的是一致的:為了使它更快地處理數(shù)據(jù)。
在尋找提高處理速度的方法時,芯片制造商們發(fā)現(xiàn)CPU在向RAM讀取數(shù)據(jù)或指令時,其本身沒有在進行什么工作。為了減少CPU的空閑期,他們在CPU的內(nèi)部放置了一塊稱為cache的存儲區(qū)。數(shù)據(jù)和指令可以暫存在CPU中,這樣就減少了訪問RAM的次數(shù)。
出于擴展cache的想法,系統(tǒng)制造商們把高速的(價格昂貴的)RAM――也被稱為第二級cache,或者L2 cache――放在CPU的第一級cache和RAM系統(tǒng)之間。越靠近CPU,就意味著訪問RAM的次數(shù)越少。
第二級cache對于提高CPU的性能是如此有益,以致于不久許多處理器就把它集成到CPU的內(nèi)部,為存放數(shù)據(jù)和指令提供了更多的空間。
五、更多的ALUs以及新增的FPU
為了提高運算性能,芯片制造商在CPU內(nèi)部增設(shè)了另外一個算術(shù)邏輯單元。理論上,可以一次完成以前兩倍的工作。使用多個ALU,就像廚房里有兩個人,而不是一個人在張羅,這意味著工作可以完成得更快。
除了使用多個ALU,Intel還在CPU內(nèi)部集成了浮點運算單元(FPU)。FPU能夠處理非常大的數(shù)和非常小的數(shù)(具有許多十進制位)。在FPU處理這些運算時候,ALU可以空閑出來,做一些其它的事情,因而進一步增強了CPU的性能。
AMD和Intel都曾經(jīng)通過對指令進行流水線操作,或者并行操作來加速指令的執(zhí)行過程。一條指令的執(zhí)行需要許多獨立的步驟――例如取指和解碼。本來CPU只能執(zhí)行完一條指令以后才能開始下一條指令的執(zhí)行。但是現(xiàn)在,離散的電路可以執(zhí)行各個獨立的步驟。
一旦一條指令從第一步執(zhí)行到第二步,那么運行其第一步的晶體管就可以空出來,執(zhí)行下一條指令,因而加快了執(zhí)行速度。這就像爬梯子一樣:一旦你的腳離開了一層臺階,你后面的人就可以跟上來。
為了提高CPU的性能,還增加了分支預(yù)測,即猜測程序可能會跳到哪一步;推測執(zhí)行,即提前執(zhí)行程序可能執(zhí)行的步驟;還有隨機運行,即不按程序的原有順序來執(zhí)行程序的指令。
所有這些改進都大大提高了CPU的運算速度,例如今年的二月份,已經(jīng)達到了1 GHz的水平,但是性能的標準也變得不再可靠起來。計算機世界的測試表明最近幾次速度的提升已經(jīng)帶來了負效益,特別是在使用那些非常依賴于硬盤的速度以及RAM的容量和速度的辦公室應(yīng)用軟件的時候。
六、PC機里的CPU
有兩大巨頭主導著PC機的CPU市場:Intel和AMD,其中Intel在商用電腦和家用電腦的市場上占據(jù)了80%的份額。這兩家公司都有適應(yīng)于高檔機、中檔機和低檔機的各種類型的CPU。也有其它公司生產(chǎn)的CPU,例如Motorola的PowerPC 750,該款CPU是為Apple的Macintosh而設(shè)計的。
無論是AMD的 Athlon ,還是 Intel的 Pentium III,在運行Microsoft的窗口操作系統(tǒng)時,其性能都是首屈一指的。這兩款CPU在設(shè)計和性能上大致相當,兩者都包含有能加速3D游戲和計算機輔助軟件運行的增強功能。
AMD和Intel的高檔CPU可供大量的PC機使用,其使用范圍從中等價格的家用機(600-850 MHz)一直到最昂貴的工程系統(tǒng)和高檔的多媒體系統(tǒng)(大約866 MHz以上)。而最新款的CPU的價格可以在整個系統(tǒng)價格的$200 到 $1000 之間。
在高檔機中,具有1-GHz的CPU頻率的PC機,價格在$2700 到$3300 之間,同時還取決于它的其它配件。而在中檔機中,擁有Intel或者AMD的600-850 MHz CPU的PC機,其價格從900美元高達1600多美元.
某些經(jīng)濟實惠的CPU(價格在$150以下的)與Athlons和PIIIs相比,其時鐘速度要慢一些,cache的容量也更小,或速度更慢,并且增強功能也較少。例如AMD的K6-III、K6-2 以及Intel的Celeron,可作為價格低于$1000的PC機的配置.
便攜式電腦上通常不能運行最快的CPU。因為桌面型的設(shè)計比膝上型的更易于散熱,這就意味著后者只能使用速度較慢且功能還不是那么強大的CPU。而且處理器的速度越快,消耗的電能就越多,也就很容易耗光電池的能量。所以目前,所使用的最快的便攜式電腦的頻率大約為700 MHz。
七、前景展望
CPU的制造商們總是不斷地尋求改進的方法來提高CPU的性能。最近,他們的制作工藝已經(jīng)從0.25微米達到了0.18微米的新水平,這使得晶體管之間的間隔更小,并且與同樣設(shè)計的結(jié)構(gòu)相比,其運行速度更快,發(fā)熱量更小。另外,用于晶體管間互連的鋁線也已經(jīng)被銅線所代替,而后者具有更佳的導電性能。
但是這些改進并不意味著會停止對更高的CPU時鐘頻率的追逐。Intel已經(jīng)推出新一代的Pentium4處理器,其頻率高達1.5 GHz,并將在今年年底上市。AMD也承諾將緊追不舍。