cpu的性能指标
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2023年2月12日发(作者：)CPU根本参数知识详解
在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间
隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在
单位时间〔如1秒〕内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描绘周期
性循环信号〔包括脉冲信号〕在单位时间内所出现的脉冲数量多少的
计量名称；频率的标准计量单位是Hz〔赫〕。电脑中的系统时钟就
是一个典型的频率相当准确和稳定的脉冲信号发生器。频率在数学表
达式中用“f〞表示，其相应的单位有：Hz〔赫〕、kHz〔千赫〕、MHz
〔兆赫〕、GHz〔吉赫〕。其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，
1kHz=1000Hz。计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：s
〔秒〕、ms〔毫秒〕、μs〔微秒〕、ns〔纳秒〕，其中：1s=1000ms，
1ms=1000μs，1μs=1000ns。
CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率〔CPUClockSpeed〕。
通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主
频〞。很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然。CPU的主
频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算才能并
没有直接关系。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没
有一个确定的公式可以定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还
要看CPU的流水线的各方面的性能指标〔缓存、指令集，CPU的位数
等等〕。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可
能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。比方AMD公司的
AthlonXP系列CPU大多都能已较低的主频，到达英特尔公司的
Pentium4系列CPU较高主频的CPU性能，所以AthlonXP系列CPU
才以PR值的方式来命名。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，
而不代表CPU的整体性能。
CPU的主频不代表CPU的速度，但进步主频对于进步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
进步主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度
都能得到进步后，电脑整体的运行速度才能真正得到进步。
进步CPU工作主频主要受到消费工艺的限制。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展联接，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主频开展的
最大障碍之一。
什么是总线？
微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机
内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统
总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互
连；外部总线那么是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，
通过该总线和其他设备进展信息与数据交换，它用于设备一级的互
连。
什么是前端总线：“前端总线〞这个名称是由AMD在推出K7CPU时
提出的概念，但是一直以来都被大家误认为这个名词不过是外频的另
一个名称。我们所说的外频指的是CPU与主板连接的速度，这个概念
是建立在数字脉冲信号震荡速度根底之上的，而前端总线的速度指的
是数据传输的速度，由于数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数
据的宽度和传输频率，即数据带宽＝〔总线频率×数据位宽〕÷8。
目前PC机上所能到达的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、
533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz几种，前端总线频率越大，代
表着CPU与内存之间的数据传输量越大，更能充分发挥出CPU的功能。
如今的CPU技术开展很快，运算速度进步很快，而足够大的前端总线
可以保障有足够的数据供给给CPU。较低的前端总线将无法供给足够
的数据给CPU，这样就限制了CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。
前端总线的英文名字是FrontSideBus，通常用FSB表示，是将CPU
连接到北桥芯片的总线。选购主板和CPU时，要注意两者搭配问题，
一般来说，假设CPU不超频，那么前端总线是由CPU决定的，假设主
板不支持CPU所需要的前端总线，系统就无法工作。也就是说，需要
主板和CPU都支持某个前端总线，系统才能工作，只不过一个CPU默
认的前端总线是唯一的，因此看一个系统的前端总线主要看CPU就可
以。
北桥芯片负责联络内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯
片连接。CPU就是通过前端总线〔FSB〕连接到北桥芯片，进而通过
北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的
最主要通道，因此前端总线的数据传输才能对计算机整体性能作用很
大，假设没足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显进步计算机整
体速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输
频率，即数据带宽＝〔总线频率×数据位宽〕÷8。目前PC机上所能
到达的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz
几种，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输才
能越大，更能充分发挥出CPU的功能。如今的CPU技术开展很快，运
算速度进步很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给
CPU，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了
CPU性能得发挥，成为系统瓶颈。显然同等条件下，前端总线越快，
系统性能越好。
外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速
度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外
频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100MHz前端总线指
的是每秒钟CPU可承受的数据传输量是
100MHz×64bit=6400Mbit/s=800MByte/s〔1Byte=8bit〕。
二级缓存
CPU缓存〔CacheMemoney〕位于CPU与内存之间的临时存储器，它
的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部
分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据
时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。由此可见，
在CPU中参加缓存是一种高效的解决方案，这样整个内存储器〔缓存
+内存〕就变成了既有缓存的高速度，又有内存的大容量的存储系统
了。缓存对CPU的性能影响很大，主要是因为CPU的数据交换顺序和
CPU与缓存间的带宽引起的。
缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查
找，假设找到就立即读取并送给CPU处理；假设没有找到，就用相对
慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据
块调入缓存中，可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进展，不
必再调用内存。
正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高〔大多数
CPU可达90%左右〕，也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在缓
存中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内
存的时间，也使CPU读取数据时根本无需等待。总的来说，CPU读取
数据的顺序是先缓存后内存。
最早先的CPU缓存是个整体的，而且容量很低，英特尔公司从
Pentium时代开始把缓存进展了分类。当时集成在CPU内核中的缓存
已缺乏以满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度进步缓
存的容量。因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓
存，此时就把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二
级缓存。一级缓存中还分数据缓存〔I-Cache〕和指令缓存〔D-Cache〕。
二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令，而且两者可以同时被
CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，进步了处理器效能。英
特尔公司在推出Pentium4处理器时，还新增了一种一级追踪缓存，
容量为12KB.
随着CPU制造工艺的开展，二级缓存也能轻易的集成在CPU内核
中，容量也在逐年提升。如今再用集成在CPU内部与否来定义一、二
级缓存，已不确切。而且随着二级缓存被集成入CPU内核中，以往二
级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变，此时其以一样于主频的速
度工作，可以为CPU提供更高的传输速度。
二级缓存是CPU性能表现的关键之一，在CPU核心不变化的情况
下，增加二级缓存容量能使性能大幅度进步。而同一核心的CPU上下
端之分往往也是在二级缓存上有差异，由此可见二级缓存对于CPU的
重要性。
CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中，当缓存中没有CPU所
需的数据时〔这时称为未命中〕，CPU才访问内存。从理论上讲，在
一颗拥有二级缓存的CPU中，读取一级缓存的命中率为80%。也就是
说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%，剩下的20%从
二级缓存中读取。由于不能准确预测将要执行的数据，读取二级缓存
的命中率也在80%左右〔从二级缓存读到有用的数据占总数据的
16%〕。那么还有的数据就不得不从内存调用，但这已经是一个相当
小的比例了。目前的较高端的CPU中，还会带有三级缓存，它是为读
取二级缓存后未命中的数据设计的—种缓存，在拥有三级缓存的CPU
中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步进步了CPU的效
率。
为了保证CPU访问时有较高的命中率，缓存中的内容应该按一定
的算法交换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法〞〔LRU算法〕，
它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行
设置一个计数器，LRU算法是把命中行的计数器清零，其他各行计数
器加1。当需要交换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是
一种高效、科学的算法，其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再
不需要的数据淘汰出缓存，进步缓存的利用率。
CPU产品中，一级缓存的容量根本在4KB到18KB之间，二级缓
存的容量那么分为128KB、256KB、512KB、1MB等。一级缓存容量各
产品之间相差不大，而二级缓存容量那么是进步CPU性能的关键。二
级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的，容量增大必然导致
CPU内部晶体管数的增加，要在有限的CPU面积上集成更大的缓存，
对制造工艺的要求也就越高。
双核心CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单核心CPU相比，
最重要的就是两个内核的缓存所保存的数据要保持一致，否那么就会
出现错误，为理解决这个问题不同的CPU使用了不同的方法：
Intel双核心处理器的二级缓存
目前Intel的双核心CPU主要有PentiumD、PentiumEE、Core
Duo三种，其中PentiumD、PentiumEE的二级缓存方式完全一样。
PentiumD和PentiumEE的二级缓存都是CPU内部两个内核具有互
相独立的二级缓存，其中，8xx系列的Smithfield核心CPU为每核
心1MB，而9xx系列的Presler核心CPU为每核心2MB。这种CPU内
部的两个内核之间的缓存数据同步是依靠位于主板北桥芯片上的仲
裁单元通过前端总线在两个核心之间传输来实现的，所以其数据延迟
问题比较严重，性能并不尽如人意。
CoreDuo使用的核心为Yonah，它的二级缓存那么是两个核心
共享2MB的二级缓存，共享式的二级缓存配合Intel的“Smart
cache〞共享缓存技术，实现了真正意义上的缓存数据同步，大幅度
降低了数据延迟，减少了对前端总线的占用，性能表现不错，是目前
双核心处理器上最先进的二级缓存架构。今后Intel的双核心处理器
的二级缓存都会采用这种两个内核共享二级缓存的“Smartcache〞
共享缓存技术。
AMD双核心处理器的二级缓存
Athlon64X2CPU的核心主要有Manchester和Toledo两种，
他们的二级缓存都是CPU内部两个内核具有互相独立的二级缓存，其
中，Manchester核心为每核心512KB，而Toledo核心为每核心1MB。
处理器内部的两个内核之间的缓存数据同步是依靠CPU内置的
SystemRequestInterface(系统恳求接口，SRI)控制，传输在CPU
内部即可实现。这样一来，不但CPU资源占用很小，而且不必占用内
存总线资源，数据延迟也比Intel的Smithfield核心和Presler核
心大为减少，协作效率明显胜过这两种核心。不过，由于这种方式仍
然是两个内核的缓存互相独立，从架构上来看也明显不如以Yonah核
心为代表的Intel的共享缓存技术SmartCache。
CPU封装技术
所谓“CPU封装技术〞是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材
料打包的技术。以CPU为例，我们实际看到的体积和外观并不是真正
的CPU内核的大小和相貌，而是CPU内核等元件经过封装后的产品。
CPU封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必
须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性
能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技
术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB〔印制
电路板〕的设计和制造，因此它是至关重要的。封装也可以说是指安
装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保
护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电
路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引
脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多
集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。
目前采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来，能
起着密封和进步芯片电热性能的作用。由于如今处理器芯片的内频越
来越高，功能越来越强，引脚数越来越多，封装的外形也不断在改变。
封装时主要考虑的因素：
芯片面积与封装面积之比为进步封装效率，尽量接近1:1
引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的间隔尽量远，以保证互不干扰，
进步性能
基于散热的要求，封装越薄越好
作为计算机的重要组成部分，CPU的性能直接影响计算机的整体
性能。而CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是CPU的封装技
术，采用不同封装技术的CPU，在性能上存在较大差距。只有高品质
的封装技术才能消费出完美的CPU产品。
CPU芯片的封装技术：
DIP封装
DIP封装〔DualIn-linePackage〕，也叫双列直插式封装技术，
指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电
路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100。DIP封装的CPU
芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP构造的芯片插座上。当然，也
可以直接插在有一样焊孔数和几何排列的电路板上进展焊接。DIP封
装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。DIP封
装构造形式有：多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，
引线框架式DIP〔含玻璃陶瓷封接式，塑料包封构造式，陶瓷低熔玻
璃封装式〕等。
DIP封装具有以下特点：
1.适宜在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。
2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。
最早的4004、8008、8086、8088等CPU都采用了DIP封装，通
过其上的两排引脚可插到主板上的插槽或焊接在主板上。
QFP封装
这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术〔PlasticQuadFlat
Pockage〕，该技术实现的CPU芯片引脚之间间隔很小，管脚很细，
一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都
在100以上。该技术封装CPU时操作方便，可靠性高；而且其封装外
形尺寸较小，寄生参数减小，适宜高频应用；该技术主要适宜用SMT
外表安装技术在PCB上安装布线。
QFP封装
这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术〔PlasticQuadFlat
Pockage〕，该技术实现的CPU芯片引脚之间间隔很小，管脚很细，
一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都
在100以上。该技术封装CPU时操作方便，可靠性高；而且其封装外
形尺寸较小，寄生参数减小，适宜高频应用；该技术主要适宜用SMT
外表安装技术在PCB上安装布线。
PFP封装
该技术的英文全称为PlasticFlatPackage，中文含义为塑料
扁平组件式封装。用这种技术封装的芯片同样也必须采用SMD技术将
芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般
在主板外表上有设计好的相应管脚的焊盘。将芯片各脚对准相应的焊
盘，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，假设不用专
用工具是很难拆卸下来的。该技术与上面的QFP技术根本相似，只是
外观的封装形状不同而已。
PGA封装
该技术也叫插针网格阵列封装技术〔CeramicPinGridArrau
Package〕，由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针，每个
方阵形插针沿芯片的四周间隔一定间隔排列，根据管脚数目的多少，
可以围成2～5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为了使得
CPU可以更方便的安装和拆卸，从486芯片开始，出现了一种ZIFCPU
插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。该技术
一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。
BGA封装
BGA技术〔BallGridArrayPackage〕即球栅阵列封装技术。
该技术的出现便成为CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多
引脚封装的最正确选择。但BGA封装占用基板的面积比较大。虽然该
技术的I/O引脚数增多，但引脚之间的间隔远大于QFP，从而进步
了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改
善它的电热性能。另外该技术的组装可用共面焊接，从而能大大进步
封装的可靠性；并且由该技术实现的封装CPU信号传输延迟小，适应
频率可以进步很大。
BGA封装具有以下特点：
1.I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的间隔远大于QFP封装方式，
进步了成品率
2.虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而
可以改善电热性能
3.信号传输延迟小，适应频率大大进步
4.组装可用共面焊接，可靠性大大进步
目前较为常见的封装形式：
OPG