10分钟看懂CPU构造原理科技狐

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从宏观人类的意义上来说，CPU是目前人类科技含量最高，工艺最复杂，结构最精细的产物结晶。从微观每个人的角度上来说，CPU好像也就不过是个商品，还是大家都能买得起的那种。但，并不是所有人都懂CPU构成，甚至，连CPU怎么选购都不知道，那，要不要来了解下CPU的构成以及CPU如何选购？正文众所周知，计算机只能识别1和0，为什么呢？根本原因在于CPU或者说所有的电子元件，只能有两种状态：变(1)、不变(0)/开（1）、关（0）。但是知道这个和CPU有什么关系呢，CPU的根本任务就是执行指令预算，也就是这个过程到底是怎样实现的呢。这就要从CPU的内部结构开始说起了:cpu内部主要是由一大堆的运算器、控制器、寄存器组成。运算器负责算术运算（+-*/基本运算和附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或比较两个值等）。控制器则高级一点，负责应对所有的信息情况，调度运算器把计算做好。寄存器就稍微复杂一点，既要对接控制器的命令，传达命令给运算器；还要帮运算器记录处理完或者将要处理的数据。在这三种元件外，还有缓存（cache），总线，核心显卡等如果这么说你理解不了，没有关系，我们用一个例子来说明一下：假设CPU是一个工厂，一个核心就是工厂的一个车间那么运算器就是工厂里的普工，只负责生产（运算）而寄存器呢，就是一个工具人，有时需要传递信息（数据），有时需要搬运物资（数据）。控制器则是车间主管，管理调剂所有普工和工具人，压榨他们的劳动价值。直到有一天，工厂发现一个车间（核心）效率不够，就只能增加车间（核心）来提高整个工厂效率。但是，渐渐的，又有新问题出现，工具人虽然效率高，但是数量不多，而随着越来越多的原材料（数据）涌入，工具人搬不过来。这时工厂就整了一个小板车（cache），专门用来运输、寄存工具人搬不过来的数据，而且各工厂可以共享其中一部分（intel的L3cache）。随着车间数量（核心数目）增加到八，工厂发现有些时候出货量挺高的（全车间都开工），但有些时候只有一两个个车间开工，其它车间都在围观（调度问题）。而且整个工厂一起开工，用电量和发热量也急剧上升，但是各车间的效率（频率）就是上不去，此外，还要担心电力供给、散热、物资（数据）运输等各类问题。终于，在投入了大研发后，工厂的厂房布局设计（架构）有了大改进，各部门之间的交通更便利了；并且，工厂也重新招聘短小精悍的工人（提升制程工艺），将以前那种牛高马大，光吃不干的大块头全部淘汰了。至此，同样大的车间，能融入更多的工人干活了，而且短小精悍的工人，吃的饭还少（功耗低）。但，工厂的难题还有很多，有些是内部问题，有些是外部问题，在这种内忧外患的情景下，intel不由得又挤了一管牙膏压压惊。怎么样，这个例子能让你们理解CPU里运作的过程了嘛，对应的一些参数了解了嘛？没有的话，我就再补充说明一些很重要的参数参数详解核心线程核心是CPU处理数据的一个大单位，理论上来说，核心数越多，干活的效率越高，或者说可以同时干的事情越多，就像一个工厂，这个车间可以生产这个零部件，那个车间可以生产另外一个零部件。而线程则是提高核心的使用效率，比如在这个车间生产这个零部件的时候，有些工艺是需要等待的，而在这个等待的时候，工人们都闲着，那线程技术就会让这个暂时闲置的核心干其它的事，持续压榨工人的剩余劳动价值。因为CPU的工作过程非常块，在足够长的时间段上，可以看作是CPU同时干了两件事，也就是把一颗单核的CPU变成了双核。但核心线程并不一定是越多越好的，因为CPU还有一个很重要的指标频率CPU的频率简单说是CPU运算时的工作频率（CPU内部的数字时钟信号频率），是单位时间1S内产生的脉冲信号个数。虽然频率高的CPU不一定能比低的强，但频率的高低的确关系到整个CPU的运算速度。影响到频率高度的因素非常之多，诸如CPU的架构、流水线设计、内部寄存器设计、支持的指令甚至是功耗、温度这些物理因素，所以说CPU出厂频率就是综合多种考虑，以木桶效应下的最小值作为CPU的最高频率。那么，CPU的主频又是什么呢？主频是指CPU内核工作的主时钟频率。主频有一个公式：主频=倍频*外频，为什么会有这个公式呢？这就要从很久以前CPU大战的时候说起，那时CPU的频率和外频是一样的，但CPU厂商为了竞争（宣传），就通过提升CPU的频率来占据市场。而与此同时，其它硬件的工作频率也就是外频，却没有提升，依旧沿用旧有的标准。这样下来，整个系统就不能很好的同步交流了，于是在这个时候，Intel就创造性的提出了倍频的概念，让CPU频率运行在外频的某个倍率上，这样频率较高的CPU就能和较低的外频进行同步交流了。至于超频，简单提一句，根据上面CPU主频的计算公式，超频是通过提升外频或者倍频来提升CPU主频，让CPU性能提升的一种手段。超频有风险，收益太低，建议不要轻易操作。特别是现在CPU厂家要么早已压榨完CPU的性能（AMD），要么贼奸的把超频算计在内（intel），而超频对于实际体验来说，就是那几帧或者那几秒的事情，性价比真的太低了。架构和工艺虽然频率一定程度上反映了CPU的性能，但是单纯追求高主频会让功耗急剧上升，从经济上来说并不合算，现在的CPU厂商早就放弃了单纯追求高主频带来的性能提升，转而提高每瓦性能。而这个是通过什么实现的呢？CPU的架构和工艺架构是什么意思？在说架构前，你需要知道一个概念：指令集，指令集是CPU执行计算任务时的规范或者说语言。换句话说，CPU在计算时是依照指令集的规范来实现的，而架构就是实现这个指令集的物理结构。打个比方，我们如果要计算1+1，我们规定在算盘上最右边的珠子一个对应一个1，那1+1就是拨动两个最右边的珠子，这就是指令集和架构，优化这两个东西，就能使得CPU的效率提升。当然，里面的过程太复杂（我也不懂），所以大家理解万岁。而工艺是指制造CPU或GPU里晶体管门电路的尺寸，单位为纳米。制造工艺越低，CPU里所含的晶体管越多，CPU功能也就越丰富，同时功耗也会降低，频率也能拉高。核心面积也将减少，这就意味着，同样大的晶圆，能造出的CPU越多，价格就更低。制造工艺的提升当然也不全是好事，一方面，新工艺总会有未知的问题，而打磨旧工艺，有些时候说不定也能有提升...不行了，我摊牌了，intel你还要打磨你的14nm多少年啊！最后，再说说TDP热设计功耗一般来说，TDP是指对散热方案设计的最低功耗设计，散热器只要满足TDP就可以及时排出CPU发出的热量，即能保证CPU正常工作。但后来随着intel睿频2.0的应用，引入了PL1、PL2、PL3、PL4和Tau，在这四个不同的阶段，就会有不同的热量，所以一般选购散热器时，都应考虑稍高于TDP的散热器。PL1是CPU能够长期工作的阈值，一般设定为TDP；PL2是CPU段时间能够超TDP工作的阈值，Intel推荐PL2比PL1高25%；PL3/PL4一般厂家不设置，这里略过；Tau是CPU能够坚持在PL2的时间长度。分类推荐那说了这么多参数，和你我选购CPU有什么关系呢。容我想想好像真没太大关系，不过当你都能清楚CPU的构造、参数后，你对你选购的CPU就会更有底气，也能一眼看出嘤嘤嘤今年是不是又挤了牙膏，农厂今年是不是继续YES。话说回选购，尽管上面有那么多参数，就算能看懂后，依旧不能很好的衡量CPU的综合性能，这时你就要知道，其实有两个参数可以很直观并且客观的反映CPU的性能，第一个是价格，一般在同品牌的前提下，越贵的自然就越好。第二个就是跑分，性能越强的，跑分分数就越高，而再根据这些分数排序，就有天梯图的出现，性能越强的CPU，天梯的位置也就越高。所以，买CPU看不懂原理参数，没有大关系的，结合你的钱和CPU的分数，就能选出比较适合你的CPU（应该是对你而言性价比最高的CPU）此外，其实两家CPU厂商早也给分好类，就等你入手，以主流的intel酷睿系列和AMD的锐龙系列来说，它们的产品定位由低至高依次为：虽然CPU的定位是这样，但是，电脑是看整体硬件性能的，所以需要合理搭配。一点鸟语:同样定位的前提下，AMD的综合性能会强上一筹，Intel的游戏性能略微胜出，但是AMD的价格却又低了一点，AMD，YES！但是，如果你只是一个臭打游戏的，那我还是比较建议你购买intel的U，配上老黄的显卡，这可能还是目前最稳妥的打游戏解决方案。总结如果是选购CPU，那直接点的就是看跑分（天梯图）、软件/游戏的实测以及价格。但如果是想学CPU的构造之类的，说实话，我也只是略懂些皮毛，这篇文章可能帮不到你太多。最后，我还是想要再强调一次，电脑是整个系统，并不仅仅只是靠某个部件强就强的。

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