CPU 的性能指标

2005-11-1 15:32:52 编辑：阿志来源：来源网络

一、CPU时钟频率　　

所谓主频，也就是CPU正常工作时的时钟频率，从理论上讲CPU的主频越高，它的速度也就越快，因为频率越高，单位时钟周期内完成的指令就越多，从而速度也就越快了。但是由于各种CPU内部结构的差异（如缓存、指令集），并不是时钟频率相同速度就相同，比如PIII和赛扬，雷鸟和DURON，赛扬和DURON，PIII与雷鸟，在相同主频下性能都不同程度的存在着差异。目前主流CPU的主频都在600MHz以上，而频率最高（注意，并非最快）的P4已经达到1.7GHz，AMD的雷鸟也已经达到了1.3GHz，而且还会不断提升。

　　在486出现以后，由于CPU工作频率不断提高，而PC机的一些其他设备（如插卡、硬盘等）却受到工艺的限制，不能承受更高的频率，因此限制了CPU频率的进一步提高。因此，出现了倍频技术，该技术能够使CPU内部工作频率变为外部频率的倍数，从而通过提升倍频而达到提升主频的目的。因此在486以后我们接触到两个新的概念--外频与倍频。它们与主频之间的关系是外频X倍频=主频。一颗CPU的外频与今天我们常说的FSB（Front side bus，前端总线）频率是相同的（注意，是频率相同），目前市场上的CPU的外频主要有66MHz（赛扬系列）、100MHz（部分PIII和部分雷鸟以及所有P4和DURON）、133MHz（部分PIII和部分雷鸟）。值得一提的是，目前有些媒体宣传一些CPU的外频达到了200MHz（DURON）、266MHz（雷鸟）甚至400MHz（P4），实际上是把外频与前端总线混为一谈了，其实它们的外频仍然是100MHz和133MHz，但是由于采用了特殊的技术，使前端总线能够在一个时钟周期内完成2次甚至4次传输，因此相当于将前端总线频率提升了好几倍。不过从外频与倍频的定义来看，它们的外频并未因此而发生改变，希望大家注意这一点。今天外频并未比当初提升多少，但是倍频技术今天已经发展到一个很高的阶段。以往的倍频都只能达到2-3倍，而现在的P4、雷鸟都已经达到了10倍以上，真不知道以后还会不会更高。眼下的CPU倍频一般都已经在出厂前被锁定（除了部分工程样品），而外频则未上锁。部分CPU如AMD的DURON和雷鸟能够通过特殊手段对其倍频进行解锁，而INTEL产CPU则不行。

　　由于外频不断提高，渐渐地提高到其他设备无法承受了，因此出现了分频技术（其实这是主板北桥芯片的功能）。分频技术就是通过主板的北桥芯片将CPU外频降低，然后再提供给各插卡、硬盘等设备。早期的66MHz外频时代是PCI设备2分频，AGP设备不分频；后来的100MHz外频时代则是PCI设备3分频，AGP设备2/3分频（有些100MHz的北桥芯片也支持PCI设备4分频）；目前的北桥芯片一般都支持133MHz外频，即PCI设备4分频、AGP设备2分频。总之，在标准外频（66MHz、100MHz、133MHz）下北桥芯片必须使PCI设备工作在33MHz，AGP设备工作在66MHz，才能说该芯片能正式支持该种外频。

　　最后再来谈谈CPU的超频。CPU超频其实就是通过提高外频或者倍频的手段来提高CPU主频从而提升整个系统的性能。超频的历史已经很久远（其实也就几年），但是真正为大家所喜爱则是从赛扬系列的出产而开始的，其中赛扬300A超450、366超550直到今天还为人们所津津乐道。而它们就是通过将赛扬CPU的66MHz外频提升到100MHz从而提升了CPU的主频。而早期的DURON超频则与赛扬不同，它是通过破解倍频锁然后提升倍频的方式来提高频率。总的看来，超倍频比超外频更稳定，因为超倍频没有改变外频，也就不会影响到其他设备的正常运作；但是如果超外频，就可能遇到非标准外频如75MHz、83MHz、112MHz等，这些情况下由于分频技术的限制，致使其他设备都不能工作在正常的频率下，从而可能造成系统的不稳定，甚至出现硬盘数据丢失、严重的可能损坏。因此，笔者在这里告诫大家：超频虽有好处，但是也十分危险，所以请大家慎重超频！

　　CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。举个例子来说，假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。

　　提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。由于CPU是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。因此制造工艺的限制，是CPU主频发展的最大障碍之一。

二、CPU缓存

缓存(Cache)大小是CPU的重要指标之一，其结构与大小对CPU速度的影响非常大。简单地讲，缓存就是用来存储一些常用或即将用到的数据或指令，当需要这些数据或指令的时候直接从缓存中读取，这样比到内存甚至硬盘中读取要快得多，能够大幅度提升CPU的处理速度。

所谓处理器缓存，通常指的是二级高速缓存，或外部高速缓存。即高速缓冲存储器，是位于CPU和主存储器DRAM(Dynamic RAM)之间的规模较小的但速度很高的存储器，通常由SRAM（静态随机存储器）组成。用来存放那些被CPU频繁使用的数据，以便使CPU不必依赖于速度较慢的DRAM（动态随机存储器）。L2高速缓存一直都属于速度极快而价格也相当昂贵的一类内存，称为SRAM(静态RAM)，SRAM(Static RAM)是静态存储器的英文缩写。由于SRAM采用了与制作CPU相同的半导体工艺，因此与动态存储器DRAM比较，SRAM的存取速度快，但体积较大，价格很高。

处理器缓存的基本思想是用少量的SRAM作为CPU与DRAM存储系统之间的缓冲区，即Cache系统。80486以及更高档微处理器的一个显著特点是处理器芯片内集成了SRAM作为Cache，由于这些Cache装在芯片内，因此称为片内Cache。486芯片内Cache的容量通常为8K。高档芯片如Pentium为16KB，Power PC可达32KB。Pentium微处理器进一步改进片内Cache，采用数据和双通道Cache技术，相对而言，片内Cache的容量不大，但是非常灵活、方便，极大地提高了微处理器的性能。片内Cache也称为一级Cache。由于486，586等高档处理器的时钟频率很高，一旦出现一级Cache未命中的情况，性能将明显恶化。在这种情况下采用的办法是在处理器芯片之外再加Cache，称为二级Cache。二级Cache实际上是CPU和主存之间的真正缓冲。由于系统板上的响应时间远低于CPU的速度，如果没有二级Cache就不可能达到486，586等高档处理器的理想速度。二级Cache的容量通常应比一级Cache大一个数量级以上。在系统设置中，常要求用户确定二级Cache是否安装及尺寸大小等。二级Cache的大小一般为128KB、256KB或512KB。在486以上档次的微机中，普遍采用256KB或512KB同步Cache。所谓同步是指Cache和CPU采用了相同的时钟周期，以相同的速度同步工作。相对于异步Cache，性能可提高30%以上。

目前，PC及其服务器系统的发展趋势之一是CPU主频越做越高，系统架构越做越先进，而主存DRAM的结构和存取时间改进较慢。因此，缓存（Cache）技术愈显重要，在PC系统中Cache越做越大。广大用户已把Cache做为评价和选购PC系统的一个重要指标。

三、CPU接口方式

　　我们知道，CPU需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。CPU经过这么多年的发展，采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。而目前CPU的接口都是针脚式接口，对应到主板上就有相应的插槽类型。不同类型的CPU具有不同的CPU插槽，因此选择CPU，就必须选择带有与之对应插槽类型的主板。主板CPU插槽类型不同，在插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插。

Socket 7：Socket在英文里就是插槽的意思，Socket 7也被叫做Super 7。最初是英特尔公司为Pentium MMX系列CPU设计的插槽，后来英特尔放弃Socket 7接口转向SLOT 1接口，AMD、VIA、ALI、SIS等厂商仍然沿用此接口，直至发展出Socket A接口。该插槽基本特征为321插孔，系统使用66MHz的总线。Super 7主板增加了对100MHz外频和AGP接口类型的支持。

　　Super 7采用的芯片组有VIA公司的MVP3、MVP4系列，SIS公司的530/540系列及ALI的Aladdin V系列等主板产品。对应Super 7接口CPU的产品有AMD K6-2、K6-Ⅲ 、Cyrix M2及一些其他厂商的产品。此类接口目前已被淘汰，只有部分老产品才能见到。

　　SLOT A接口类似于英特尔公司的SLOT 1接口，供AMD公司的K7 Athlon使用的。在技术和性能上，SLOT A主板可完全兼容原有的各种外设扩展卡设备。它使用的并不是Intel的P6 GTL+ 总线协议，而是Digital公司的Alpha总线协议EV6。EV6架构是种较先进的架构，它采用多线程处理的点到点拓扑结构，支持200MHz的总线频率。支持SLOT A接口结构的主板芯片组主要有两种，一种是AMD的AMD 750芯片组，另一种是VIA的Apollo KX133芯片组。此类接口已被Socket A接口全面取代。

　　SLOT 2用途比较专业，都采用于高端服务器及图形工作站的系统。所用的CPU也是很昂贵的Xeon（至强）系列。Slot 2与Slot 1相比，有许多不同。首先，Slot 2插槽更长，CPU本身也都要大一些。其次，Slot 2能够胜任更高要求的多用途计算处理，这是进入高端企业计算市场的关键所在。在当时标准服务器设计中，一般厂商只能同时在系统中采用两个 Pentium Ⅱ处理器，而有了Slot 2设计后，可以在一台服务器中同时采用 8个处理器。而且采用Slot 2接口的Pentium Ⅱ CPU都采用了当时最先进的0.25微米制造工艺。支持SLOT 2接口的主板芯片组有440GX和450NX。

　　SLOT 1是英特尔公司为取代Socket 7而开发的CPU接口，并申请的专利。这样其它厂商就无法生产SLOT 1接口的产品，也就使得AMD、VIA、SIS等公司不得不联合起来，对Socket 7接口升级，也得到了Super 7接口。后来随着Super 7接口的兴起，英特尔又将SLOT 1结构主板的制造授权提供给了VIA、SIS、ALI等主板厂商，所以这些厂商也相应推出了采用SLOT 1接口的系列主板，丰富了主板市场。

　　SLOT 1是英特尔公司为Pentium Ⅱ系列CPU设计的插槽，其将Pentium Ⅱ CPU及其相关控制电路、二级缓存都做在一块子卡上，多数Slot 1主板使用100MHz外频。SLOT 1的技术结构比较先进，能提供更大的内部传输带宽和CPU性能。采用SLOT 1接口的主板芯片组有Intel的BX、i810、i820系列及VIA的Apollo系列，ALI 的Aladdin Pro Ⅱ系列及SIS的620、630系列等。此种接口已经被淘汰，市面上已无此类接口的主板产品。

Socket 370架构是英特尔开发出来代替SLOT架构，外观上与Socket 7非常像，也采用零插拔力插槽，对应的CPU是370针脚。

Socket 370主板多为采用Intel ZX、BX、i810芯片组的产品，其他厂商有VIA Apollo Pro系列、SIS 530系列等。最初认为，Socket 370的CPU升级能力可能不会太好，所以Socket 370的销量总是不如SLOT 1接口的主板。但在英特尔推出的“铜矿”和”图拉丁”系列CPU， Socket 370接口的主板一改低端形象，逐渐取代了SLOT 1接口。目前市场中还有极少部分的主板采用此种插槽。

　　Socket 423插槽是最初Pentium 4处理器的标准接口，Socket 423的外形和前几种Socket类的插槽类似，对应的CPU针脚数为423。Socket 423插槽多是基于Intel 850芯片组主板，支持1.3GHz～1.8GHz的Pentium 4处理器。不过随着DDR内存的流行，英特尔又开发了支持SDRAM及DDR内存的i845芯片组，CPU插槽也改成了Socket 478，Socket 423插槽也就销声匿迹了。

　　Socket A接口，也叫Socket 462，是目前AMD公司Athlon XP和Duron处理器的插座标准。Socket A接口具有462插空，可以支持133MHz外频。如同Socket 370一样，降低了制造成本，简化了结构设计。

　　Socket 478插槽是目前Pentium 4系列处理器所采用的接口类型，针脚数为478针。Socket 478的Pentium 4处理器面积很小，其针脚排列极为紧密。采用Socket 478插槽的主板产品数量众多，是目前应用最为广泛的插槽类型。

　　与Socket 603相仿，Socket 604仍然是应用于Intel平台高端的服务器/工作站主板，但与Socket 603的最大区别是增加了对133MHz外频以及533MHz前端总线频率的支持，2004年随着Intel64位的支持EM64T技术的Xeon的发布，又增加了对200MHz外频以及800MHz前端总线频率的支持。Socket 604插槽可以兼容Socket 603接口的Xeon和Xeon MP。

　　Socket 603的用途比较专业，应用于Intel平台高端的服务器/工作站主板，其对应的CPU是Xeon MP和早期的Xeon。Socket 603具有603个CPU针脚插孔，只能支持100MHz外频以及400MHz前端总线频率。Socket 603插槽并不能兼容Socket 604接口的Xeon。

　　Socket 940是最早发布的AMD64位平台标准，是服务器/工作站所使用的Opteron以及最初的Athlon 64 FX所对应的插槽标准，具有940个CPU针脚插孔，支持200MHz外频和800MHz的HyperTransport总线频率，并且支持双通道内存技术。

　　由于Socket 940接口的CPU价格高昂，而且必须搭配昂贵的ECC内存才能使用，所以其总体采购成本是比较昂贵的。现在新出的Athlon 64 FX已经改用Socket 939接口，所以Socket 940将会成为Opteron的专用接口。

　　Socket 939是AMD公司2004年6月才发布的64位桌面平台标准，是目前高端的Athlon 64以及Athlon 64 FX所对应的插槽标准，具有939个CPU针脚插孔，支持200MHz外频和1000MHz的HyperTransport总线频率，并且支持双通道内存技术。

　　Socket 939目前的配套主板也逐渐增多，将是AMD64位桌面平台以后的主流平台。

　　Socket 754是2003年9月AMD64位桌面平台最初发布时的标准插槽，是目前低端的Athlon 64和高端的Sempron所对应的插槽标准，具有754个CPU针脚插孔，支持200MHz外频和800MHz的HyperTransport总线频率，但不支持双通道内存技术。

　　Socket 754是目前广泛采用的AMD64位平台标准，与之配套的主板非常多。关于Socket 754的前途目前众说纷纭，有说随着Socket 939的普及，Socket 754最终会被完全淘汰；也有说Socket 754接口的Athlon 64将会完全停产而只保留Socket 754接口的Sempron的......还芫烤故窃趺囱捎贏MD64平台的插槽标准过多，而且互不兼容，Socket 754应该会逐渐被Socket 939所取代。

　Socket 775又称为Socket T，是目前应用于Intel LGA775封装的CPU所对应的处理器插槽，能支持LGA775封装的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D等CPU。Socket 775插槽与目前广泛采用的Socket 478插槽明显不同，非常复杂，没有Socket 478插槽那样的CPU针脚插孔，取而代之的是775根有弹性的触须状针脚(其实是非常纤细的弯曲的弹性金属丝)，通过与CPU底部对应的触点相接触而获得信号。因为触点有775个，比以前的Socket 478的478pin增加不少，封装的尺寸也有所增大，为37.5mm×37.5mm。另外，与以前的Socket 478/423/370等插槽采用工程塑料制造不同，Socket 775插槽为全金属制造，原因在于这种新的CPU的固定方式对插槽的强度有较高的要求，并且新的prescott核心的CPU的功率增加很多，CPU的表面温度也提高不少，金属材质的插槽比较耐得住高温。在插槽的盖子上还卡着一块保护盖。

　　Socket 775插槽由于其内部的触针非常柔软和纤薄，如果在安装的时候用力不当就非常容易造成触针的损坏；其针脚实在是太容易变形了，相邻的针脚很容易搭在一起，而短路有时候会引起烧毁设备的可怕后果；此外，过多地拆卸CPU也将导致触针失去弹性进而造成硬件方面的彻底损坏，这是其目前的最大缺点。

　　目前，采用Socket 775插槽的主板数量并不太多，主要是Intel 915/925系列芯片组主板，也有采用比较成熟的老芯片组例如Intel 865/875/848系列以及VIA PT800/PT880等芯片组的主板。不过随着Intel加大LGA775平台的推广力度，Socket 775插槽最终将会取代Socket 478插槽，成为Intel平台的主流CPU插槽。

四、基本字长

在计算机中，算术运算可以分为定点运算和浮点运算两大类。基本字长一般是指参加一次定点运算的操作数的位数，例如8位、16位、32位或64位。基本字长影响着计算精度、硬件成本，甚至指令系统的功能。

在一次运算过程中，操作数和运算结果通过数据总线，在寄存器和运算部件之间传送。因此基本字长标志着计算精度，也反映了寄存器、运算部件和数据总线的位数。基本字长越长，操作数的位数越多，计算精度也就越高；但相应部件的位数也会增多，使硬件成本随着增高。另外，某些信息（如字符类信息）只需要用8位二进制代码来表示，8位称为一个字节。因此，为了较好地协调计算精度与硬件成本的制约关系，针对不同需求，大多数计算机允许采用变字长运算，即允许硬件实现以字节为单位的运算以及某种基本字长（如16位）运算，或双字长（如32位）运算，通过软件实现多字长运算。

指令字长与数据字长之间也有一定程度的对应关系。基本字长较长的计算机，其指令的位数可能也较多，读取指令的速度和处理指令的效率要高些，指令系统的功能相应比较强，这在传统的小型机中表现较为明显。

五、CPU制造工艺

　　早期的处理器都是使用0.5微米工艺制造出来的，随着CPU频率的增加，原有的工艺已无法满足产品的要求，这样便出现了0.35微米以及现在普遍使用的0.25微米工艺，不久以后，0.18微米和0.13微米制造的处理器产品也将面世。

　　另外一方面，现在的芯片内部都是使用铝作为导体，但是由于芯片速度的提高，芯片面积的缩小，铝线已经接近其性能极限，所以芯片制造厂商必须找出更好的能够代替铝导线的新的技术，这便是我们常说的铜导线技术。

　　铜导线与铝导线相比，有很大的优势，具体表现在其导电性要优于铝，电阻小，所以发热量也要小于现在所使用的铝，从而可以有效地提高芯片的稳定性，此外，采用0.18或0.13微米制造工艺以后，处理器的频率可以得到进一步的提高，处理器面积则可以进一步减小，因此，铜导线技术全面取代铝导线技术是必然的趋势。

六、扩展指令集

　为了提高计算机在多媒体、3D图形方面的应用能力，许多处理器指令集应运而生，其中最著名的三种便是Intel的MMX、SSE和AMD的3D NOW!指令集。

　　MMX指令集是Intel在1996年发明的一项多媒体指令增强技术，其英文名称可以翻译为“多媒体扩展指令集”，它包括57条多媒体指令，这些指令可以一次处理多个数据，还可以在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更好的性能。

　　SSE指令是Intel在Pentium III处理器中首先推出的，它有70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。

　　理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SEE指令与3D Now!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3D Now!技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通过SIMD（单指令多数据技术）和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效的提高浮点运算速度。

　　由AMD发明的3D Now!指令出现在SSE指令之前，并被广泛应用与K6-2、K6-III以及K7处理器上，该技术其实是21条机器码的扩展指令集。与MMX技术侧重的整数运算不同，3DNow!主要针对三维建模、坐标变换、效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。[从此长大]