对CPU十个主要性能指标的综合分析

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这两天，江本山看到了第三版的《计算机组成原理》（北京: 清华大学出版社，2013.8）. 其中一些结合其他材料详细阐述了CPU的工作原理和性能指标. 总结起来，我感到很有经验，简要选择了十个最重要的指标，如下所述:

您首先对这个指标感到惊讶吗？应该是第一个频率. 不用担心这个. 我将在下面详细说明主要频率问题. 让我们先谈谈字长问题. CPU的字长是指CPU在一个时间单位内可以处理的二进制数据的位数.

首先让我们谈谈这个单位时间. 这不是您的物理老师经常说的1. 单位时间是CPU中的时钟周期，是CPU执行操作的最短时间单位. 我们只能说CPU执行一定的时间. 此操作需要1个时钟周期，2个时钟周期等. 永远不会有1.5个时钟周期.

CPU已增长到8位，16位到32位和64位. 字长的差异是64位CPU和32位CPU之间的主要差异. 如果不考虑其他因素，则64位CPU的性能是32位的性能的两倍，但是实际上它受到许多因素的限制，并且与理论有很大不同. 但是，我们不能否认64位CPU的性能要强于32位.

好消息是，除少数不支持64位CPU的计算机外，目前大多数计算机CPU都是64位的.

2. CPU内部工作频率（内部频率，主频率）

内部工作频率称为内部频率. 它的另一个名称是主频率，单位是赫兹（Hz）. CPU的内部频率或主频率定义为CPU中数字脉冲信号的振荡速度. 简单来说，我们指的是时钟周期和秒数之间的对应关系. CPU在1秒钟内有几个时钟周期. 主要频率是多少赫兹. 例如，2.6GHz意味着一秒钟内有26000000个时钟周期.

由于CPU中的动作是按时钟周期计算的（实际上，整个计算机的硬件操作基本相同），您是否想说，如果时钟周期越短，即时钟周期越短， CPU性能的频率越强. 从理论上讲，确实是这样. 这就是为什么许认为主频是衡量CPU的唯一指标（这称为主频理论），但是主频的增加受到许多物理因素的限制. 一是主频过高. 功耗猛增（理论上，功率和主频率呈二次比例关系）. 其次，CPU中的组件需要时间来执行操作，因此时钟周期不能太短. 因此，如果主频率高到一定程度，就会出现巨大的瓶颈.

现在从理论上来说，我们改善了主频率的性能，但是为什么专家说主频率理论是不科学的？原因在于CPU指令. 早期的8086和8088 CPU平均需要12个时钟周期来执行一条指令，而80486（即一年中的486）仅需要2个周期. 当前的Core系列显然可以在前一个周期中执行N条指令（显然，实际上，时钟周期的数量不能为十进制，我们稍后将详细解释这种现象的原因）. 因此，只有在CPU型号，体系结构，指令集等都相对接近时才比较主频率才有意义. 一个简单的例子是奔腾4被超高频击中，但被低频AMDK6击中.

3. CPU外部工作频率（外部频率）

外部工作频率称为外部频率. 外部频率是主板为CPU提供的参考时钟频率. 简而言之，主版本规定了CPU在1秒内交换数据的次数. 早期，CPU的主频率与主板上的其他组件差别不大，因此外部频率通常与内部频率相同，即主频率. 后来，随着技术的进步，CPU的主频率远远超过了其他硬件的频率，因此使用了倍频器来协调两者之间的差距，公式为: 内部频率（主频率）=外部频率×倍频. 简而言之，主板时钟的频率是CPU内部时钟的N倍，而N是乘法器的数量. 现代CPU的最高倍频达到40 +.

关于外部频率对CPU性能的影响，我们需要结合下一个指标FSB频率.

4.1. 外频频率

所谓的前端总线是CPU与外界之间进行数据交换的主要通道. 假设FSB是连接CPU和其他硬件的道路（以内存为例），则FSB频率是道路的速度. 硬件就像内存一样，它自己的频率就像在上下路上的汽车速度一样，该频率是不可能的. 如果频率高于FSB，否则内存的读写速度将比数据输入和输出快，相当于交通堵塞. 同样，FSB频率也必须大于CPU的外部频率，否则流量将在CPU处阻塞.

与FSB频率相对应的另一个非常重要的参数是FSB的“位宽”. 根据理论计算，FSB的数据传输能力为: 数据带宽= FSB频率×位宽/8. 严格来说，FSB没有位宽，但是会显示位宽. 该位宽度是存储器的位宽度. 除以8是从字节（B）到位或位（b）的转换. 如果带宽以bps为单位，则无需除以8.

因此，可以说如果FSB频率和CPU的外部频率太低，那么不幸的是它将直接影响存储器的频率，进而会影响FSB的传输效率. 这是垃圾CPU和顶级内存经常发生的问题. 同样cpu性能指标什么意思，主频率为2GHz，外部频率为100Mhz，外部频率为1000MHz. 差距一般不会很大. 但是，FSB越来越难以满足硬件要求，因此英特尔当前正在使用QPI代替FSB. 此外，FSB仅适用于Intel，AMD CPU使用HyperTransport，我们将在后面讨论.

4.2，QPI（CSI）

也许您对QPI不太了解. QPI代表快速路径互连，它是一种基于数据包传输的高度点对点技术. 它用于实现芯片互连并解决FSB速度慢的问题. 严格来说，QPI的正式名称称为CSI（CommonSystemInterface公用系统接口）. QPI的传输速度不是以MB / S等单位表示，而是以T / S（传输时间/秒）表示. QPI可以同时在两个方向上传输. 每个QPI数据包均包含80位数据，并进行四次传输. 每次发送20位，其中16位有效，并进行4位循环冗余校验. 因此，可以得到计算QPI总线带宽的公式:

QPI带宽（B / S）= T / S×（16b / 8）×2.

如果QPI频率的总带宽为6.4GT / s = 6.4GT / s×2Byte×2 = 25.6GB / s，而FSB在1600MHz下只能达到10 + GB / S的数量级.

QPI的另一个功能是点对点. CPU多核之间的数据传输不再需要通过主芯片组，这将大大提高CPU的多核效率. 目前，英特尔的多核解决方案是4 + 1QPI互连，即5条QPI线路，其中4条用于CPU内核，一条用于输入和输出. 这种安排允许将CPU的不同内核直接连接到物理内存，每个内核也可以互连以充分利用不同的内存，从而可以缩短多处理器的等待时间.

HyperTransport是AMD CPU使用的点对点连接技术，用于连接处理器和处理器，处理器和芯片组，芯片组的南北桥，路由器控制芯片等. HyperTransport由两条点对点的单向数据传输路径（一条用于输入，一条用于输出）组成. 对于AMD CPU，HT频率基本上等于FSB频率或QPI频率. HyperTransport使用类似DDR的工作模式，即频率增加了一倍. 当HT频率为1GHz时，相当于2Ghz的工作效果，因此有必要通过2计算HT带宽.

HyperTransport带宽计算: HT带宽=实际频率×2×比特宽度÷8，由HT3.1规范3.2GHz计算，双向64bit比特宽度，传输带宽比特3.2GHz×2×64÷8 = 51.2GB / s. 当然，这种计算是最大带宽的实际速度将取决于内存和CPU的外部频率.

AMD的多核解决方案是4HT3解决方案，即四条HT3生产线，其中两条用于输入，两条用于输出. 与英特尔的解决方案相比，该解决方案无疑更简单. 但是，由于CPU架构的影响，很难直接比较HT和QPI性能之间的差距. 此外，无论是FSB，QPI还是HT都受设备连接频率的限制，因此通常这些FSB，QPI和HT仅用于比较与主频率相同的CPU系列，而HT和QPI仍然需要主板支持.

缓存缓存用于调整CPU与主内存的读写速度之间的差异，请注意主内存（主内存是指CPU可以直接访问的内存）. 缓存的作用是预先预先读取内存的内容，因此CPU无需直接访问内存，而直接从缓存中读取信息. 由于缓存性能远远高于内存，因此团队的CPU性能非常大. CPU上的缓存可以大致分为三层: L1，L2和L3.

PC上大多数CPU的L1高速缓存是固定的，即64kb数据高速缓存和64kb指令高速缓存. L1Cache是​​最接近CPU的层，并且是读写速度最快的层.

L2Cache的大小是CPU性能的关键指标之一. 如果L2Cache大，则可以从内存中预读取更多数据，这可以减少内存在CPU后面的情况. 具有更大的L2Cache的CPU性能将大大提高.

L3缓存用于在L2Cache丢失时预读内存. 所谓命中是指CPU可以在L2缓存中找到需要读取的内容，并且由于L2Cache与内存相比仍然很小，尽管我们可以使用各种数学方法来提高命中率，但仍然会遇到一些问题情况. L3Cache是​​一种比L2稍慢的缓存. 如果CPU在L2缓存中未命中，它将首先在L3Cache中查找. 如果再次丢失，它将直接读取内存. 较大的L3Cache可以大大减少CPU直接从内存中检索数据的速度，并提高CPU的效率.

对于高频存储器，其自身的读写速度大大提高，因此对L3Cache的需求不那么紧迫，这就是为什么AMD CPU通常具有较小的L3 Cache的原因. 相比之下，由于Intel CPU通常具有较大的L3Cache，因此对频率内存的需求就不那么紧急了.

工作电压是指在CPU操作期间施加到CPU的电压. 早期的CPU受制程限制，并且使用很高的电压. 随着技术的进步，CPU的电压逐渐降低. 现在有低压和超低压CPU. CPU的电压与性能无关，但受组件灵敏度的限制（电压越低，设备越敏感），因此成本会大大增加. 因此，相同价格的低压CPU的性能会降低.

较低的CPU电压有助于降低热功率，延长组件的使用寿命，并提高笔记本电脑和平板电脑设备的耐用性. 价格是价格会上涨.

地址总线负责对CPU的主存储器进行寻址. 地址总线中的位数决定了CPU可以使用多少主内存（请注意主内存）. 这种计算方法非常简单，最大主存储容量= 2到第N次方B，其中N是地址总线的位数. 如果地址总线是32位的，则只能使用2乘以32的幂，即4GB主内存. 对于44位地址总线，您可以使用16TB的主内存.

值得注意的是，地址总线的位数不一定指CPU的位数. 我们通常说的32位CPU和64位CPU是指CPU的字长，而不是地址总线的位数. 32位CPU的地址总线通​​常为32位，但是64位CPU的地址总线通​​常不是64位cpu性能指标什么意思，通常约为40位. 即使您使用具有32位以上地址总线的CPU，如果您要使用4GB以上的主内存，操作系统也需要支持它. 支持的方法有两种: 1是使用64位操作系统，2是使用32位系统启用物理地址扩展（PAE）. 如果CPU本身是32位的，则不可能使用超过4GB的主内存.

制造过程反映了CPU的精致程度. 过程越精细，CPU集成度越高，性能越容易. 但同样也意味着价格上涨. 10. CPU的内核，线程，超标量，管道和其他指标的数量非常复杂，因为它涉及非常细微的事情. 详细说明将在后续帖子中进行解释. 通常是:

当单核性能相同时，增加适当的核数将有助于提高CPU性能. 但是，多核并不等于单核的N倍，并且随着核数的增加，由多核导致的性能提升越来越小，而多核的优势则需要CPU，BIOS，芯片组，操作系统和应用程序支持. 简而言之，尽管多核是有好处的，但它不能完全弥补单核性能的不足. 离题的多通道CPU是多个CPU上的多个内核，而多核通常是单个CPU上的多个内核.

由大量线程组成的伪双核，伪四核等（超线程技术）也具有很大的性能改进. 一种提高CPU操作效率的机制. 超标量技术经常被误认为超线程技术. 实际上，超标量是另一种机制. 我误会了很久. 超标量可以提高CPU的效率.

流水线处理是CPU执行时的一种指令拆分. 流水线的增加在一定程度上提高了执行效率，但是过高的流水线也会降低CPU的效率. 超级管道是一种“管道上的管道”，并且会有一个特殊的日志来详细说明内核数，线程数，超标量，管道等.

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