CPU是什么？分享关于计算机的心脏CPU知识

网上的计算机知识都太陈旧了，有的还拿N年前的奔4电脑做讲解。闲来无事，我自己用截止到2014年1月最新的酷睿4代i7处理器等做例子，收集整理出来的计算机知识。参考资料来源于炮村，X东，贴吧，泡泡网，pconline，超能网，百度百科，维基百科等。鉴于网上那些科普知识有的很专业，我进行白话处理，让更多的没有电脑专业知识的朋友也看得懂，当然了有些东西太白不了，会用到大学计算机理工科必修的计算机原理，单片机等知识。如果一直有时间我会把计算机各个部分都做出来，我计划包括：CPU，显卡，内存，主板，硬盘等。

我从计算机的心脏CPU开始讲起，包括CPU的构成，制作过程，相关参数，运算过程方面。

1、CPU的构成(暂不谈MIPS，ARM之类的)

我以CORE I7 4770K为例：

(1)主频，3.5GH，主频由35X的倍频和100X的(外频)总线速度决定的，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，所以与CPU实际的运算能力并没有直接关系，这也是在奔4时代，高频低能出现的原因之一。

PS：睿频( Intel Turbo Boost Technology，4770K所用为2.0)，这项技术可以理解为自动超频。当开启睿频加速。之后，CPU会根据当前的任务量自动调整CPU主频，从而在重任务时发挥最大的性能，轻任务时发挥最大节能优势。

(2)核心数，四核，核心数即CPU内核数量，核心数越多并行处理能力在同一架构下往往越强。

PS：英特尔超线程技术(即虚拟内核，4770K既是四核心，八线程，至于实现原理我就不在此细数了)。

(3)缓存：目前包含L1　Cache，L2　Cache，L3　Cache，缓存容量增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。而炮村经常说的缓存越大，命中率越高也就是因为这个。

PS：诞生原因：因为CPU的频率(速度)已经大大超过内存,往往CPU会为了读取或存储数据白白浪费几十个时钟周期。这造成了巨大的资源浪费，所以才有了缓存来提高速度和命中率。

(4)指令集：主要用于增强CPU对多媒体信息的处理能力，提高CPU处理3D图形、视频和音频信息的能力。至于游戏指令集在桌面领域，对此我只想说呵呵。

PS：目前在桌面领域主要有：SSE指令集，X86X86指令集，EM64T指令集，RISC指令集，3DNow!+指令集，3D Now!扩展指令集，FMA4指令集，XOP指令集，AVX指令集，MMX(+)指令集，X86-64指令集，AMD-V指令集，AES指令集，FMA3指令集。

(5)内存控制器：最早是由主板决定的，后来控制器集成到了CPU中，即最大支持的内存数量和频率和种类，例如4770K支持双通道DDR3 1600mhz，但是现在为止还是由主板决定，否则X79芯片组的4通道内存就没用了。

PS：32位系统只支持3.x GB的内存，大于就要64位了。而winows8/7最大支持128GB的内存，再多就要上Linux或者服务器版本的windows了。

(6)总线：CPU总线是连接各个部件的一组信号线(总线带宽 = 频率 x 宽度)，例如4770K架构内部用的是QPI总线，外部是DMI。FX8350是HT3.0总线。

PS：最早使用FSB总线，后来intel使用了DMI总线(2.5GT/s和5.0GT/s)，再之后QPI总线(4.8GT/s、5.2GT/s、6.4GT/s)。QPI仅仅用于环形总线的通信，也就是CPU和L3在发射环、响应环、侦听环上的通信，这是从Sandy Bridge开始就采用的特性。在北桥整合到CPU内以后，CPU和南桥的通信是由DMI代替。QPI总线从Sandy Bridge开始已被弃用，4770K与南桥通信采用的外部是DMI总线。QPI总线仅在SNB-E和志强上有保留，用于多CPU通信。

AMD则用HT总线，HT1.0、HT2.0、HT3.0、HT3.1、HT4.0，总线速度一般来说是CPU性能衡量里最重要的之一，然而AMD总线和intel总线不能直接比较，故较少提到。HT4.0,我也是收集资料的时候才刚知道的，据说用在羿龙X6上面，但主板从未支持过。

(7)制作工艺：即生产工艺，后面会详细提到。例如4770K为22NM工艺。这个应该也没什么好说的了，字面意思都懂。

针脚(pin)数目：CPU和主板所对应的插座上的针脚数量。现在的intel针脚在主板上，AMD的则在CPU上。

PS：intel目前桌面级CPU针脚(LAG775,LGA1155,LAG1156,LAG1366,LGA2011)，服务器级别(LGA771，LGA1155，LGA1150，LGA1567，LGA1366，LGA1356，LGA2011)。

AMD目前桌面级CPU针脚(Socket AM2,Socket AM2+,Socket AM3,Socket AM3+,Socket FM1,,Socket FM2,Socket FM2+),服务器级别(Socket G34，Socket C32，Socket 1207，Socket 939)。

包装形式：分盒装和散装，主要区别在于保修和散热器，散装较为便宜。

(8)集成核心显卡：就是CPU内部集成显卡，intel为HD XXXX系列(hd2000，3000，4000系列)，显存为动态共享内存，像TC/HM技术差不多，性能都较桌面级显卡弱。

PS：(Nvidia)TC指TurboCache，(AMD)HM指HyperMemory(从内存中拿出一部分当作显存用的技术，可以更低成本的使用更大的显存，因为内存比显存便宜多了，但由于显卡位宽限制以及内存速度不如显存并不会使性能提升)。

2、CPU的制作过程

CPU的原料是从沙子里提取出来的，然后提炼出符合标准的硅(即单质硅，晶体硅)，接下来进行化学提纯，将其加工变形(变成符合需要的形状)并且制成硅锭，之后将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。之后掺入化学物质、覆盖一个感光层，最后光刻蚀，持续添加二氧化硅层级，封装测试，制造出了晶圆。就可以切片包装卖出去了。

PS：除了单质硅，还有二氧化硅(严正声明：食用级二氧化硅,比如薯片常用的,和这个不一样)不信，你试试啊!

3、CPU运算过程

(1)先从存储器或高速缓冲存储器中检索指令，译码并执行这条指令，保存执行结果，紧接着又去取指令，译码，执行指令。除非有指令让它停止。

PS：存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

高速缓冲存储器即CPU缓存(例如L1-cache)，有一个很简单的方法可以记住就是，CPU缓存在CPU里，所以速度快，就叫做高速缓冲存储器。

(2)这一阶段动作受冯•诺伊曼型计算机影响，所以可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回。

PS：ALU，(算术逻辑单元)主要完成二进制代码的定点算术和逻辑运算。算术运算主要包括定点加、减运算，逻辑运算主要包括逻辑与、或、非、异或(度娘写的有点太专业了，就是有逻辑的语句，并且还漏了一个移位运算)。移位运算是位操作运算符的一种(可以忽略)。这里提一下显卡ALU和这里可以默认为干相同的事情。

详细过程为：

A、取指令阶段

取指令(Instruction Fetch，IF)阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增。若为单字长指令，则(PC)+1PC，若为双字长指令，则(PC)+2PC，依此类推。

B、指令译码阶段

取出指令后，计算机立即进入指令译码(Instruction Decode，ID)阶段。在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别和区分出不同的指令类别及各种获取操作数的方法。在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列;在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。在传统的设计里，CPU中负责指令译码的部分是无法改变的硬件。不过，在众多运用微程序控制技术的新型CPU中，微程序有时是可重写的，可以通过修改成品CPU来改变CPU的译码方式。

C、执行指令阶段

在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令(Execute，EX)阶段。此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元(ALU)将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，而输出端将含有最后的运算结果。

D、访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数(Memory，MEM)阶段。此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

E、结果写回阶段

作为最后一个阶段，结果写回(Writeback，WB)阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取。在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件(如结果溢出等)发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将正常地顺序取出下一条指令。许多新型CPU可以同时取出、译码和执行多条指令，体现出并行处理的特性。