CPU的组成及其种类

一. CPU概述

中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。

第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令（为数值或一系列数值）。换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。)

第二阶段，解码，CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。

第三阶段，执行，该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。

最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。

CPU具有以下4个方面的基本功能：

1. 指令顺序控制

这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规

2. 操作控制

CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

3. 时间控制

时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。

4. 数据加工

即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。

二．CPU组成

CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。　

运算逻辑部件：可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

寄存器部件：包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。

通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。

专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。

控制寄存器通常用来指示机器执行的状态，或者保持某些指针，有处理状态寄存器、地址转换目录的基地址寄存器、特权状态寄存器、条件码寄存器、处理异常事故寄存器以及检错寄存器等。

控制部件主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

CPU的主要性能指标

计算机的性能很大程度上是由CPU的性能决定的，而CPU的性能主要体现在程序执行的速度上，其关联因素主要有字长，主频，CPU总线速度，高速缓存的容量和结构，指令系统，以及逻辑结构等。

1．字长（位数）

字长就是指CPU中定点运算器的宽度，即一次能同时进行二进制整数运算的位数。定点运算器的宽度大体决定了地址码位数的多少。地址码长度决定了CPU可访问的存储器最大空间。

2．主频

CPU的主频，指的是CPU内核工作的时钟频率 (CPU Clock Speed)。CPU主频的单位是GHz。1GHz = 1024MHz , 1MHz = 1024KHz。通常CPU的标注中，如Xeon E5520 2.26 GHz，其中2.26Ghz就是指的CPU的主频。主频决定了CPU内部数据传输与指令执行的快慢，CPU的主频越高，速度越快。

CPU的主频=外频×倍频系数。主频和实际的运算速度有一定的关系，但不是一个简单的线性关系。CPU的运算速度还要看CPU流水线，总线等各方面的性能指标。譬如，Intel的处理器产品中，1GHz的安腾芯片表现的差不多和2.66GHz的至强一样快。

3．外频

外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。对于台式机来说，经常听到超频这个词，就是改变CPU的外频（倍频是被锁定的。对于服务器CPU来说，是不允许的，会导致主板和CPU异步运行，造成整个服务器的不稳定性。

4．倍频

倍频系数是CPU主频和外频之间的比例关系。相同的外频下，倍频越高CPU的频率越高。但实际上相同外频下，CPU和系统之间数据传输速度有限，高主频的CPU会出现访问“瓶颈”，没有什么意义。

5．总线速度

CPU连接到北桥芯片的总线，直接影响到CPU与内存交换的速度。不过最新的Intel架构已经不存在北桥芯片，内存控制器集成到CPU内部了。

6．缓存

缓存是CPU的重要指标之一，它的结构和大小对于CPU的速度影响很大。缓存的速度非常快，远远高于系统内存和硬盘。缓存的容量越大，级数越多，访问缓存读取数据的命中率就越高，就越不需要到慢速的内存或者硬盘上寻找，从而能够大大提高系统的性能。但由于CPU芯片面积和成本的考虑，缓存都不会很大。

7．指令系统和逻辑结构

功能强大的指令系统使得完成相同任务的程序所需要的指令数目大大减少，从而提高速度。譬如现在Intel
CPU提供了很多扩展的指令集MMX, SSE, SSE2等，大大提高了CPU的多媒体，图形图像等处理能力。CPU的逻辑结构，譬如定点运算器、浮点运算器数目，是否具有数字信号处理功能，有无指令预测和数据预测功能，流水线结构和级数等等也对CPU的性能有着重要的影响。

三．CPU主要种类

目前，服务器CPU按CPU的指令系统来区分，通常分为CISC型CPU和RISC型CPU两类。

CISC是英文“Complex Instruction Set Computer”的缩写，中文意思是“复杂指令集”，它是指英特尔生产的x86（intel CPU的一种命名规范）系列CPU及其兼容CPU（其他厂商如AMD，VIA等生产的CPU），它基于PC机　(个人电脑)　体系结构。x86服务器就是使用CISC型CPU的服务器，通常也被称作PC服务器，IA (IntelArchitecture) 架构服务器。目前主流的产品有IBM System x服务器，HP服务器以及Dell服务器等。

RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing”的缩写，中文意思是“精简指令集”。它是在CISC指令系统基础上发展起来的，相对于CISC型CPU ,RISC型CPU不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”，架构在同等频率下，采用RISC架构的CPU比CISC架构的CPU性能高很多，这是由CPU的技术特征决定的。采用RISC CPU的服务器主要有IBM Power，SUN的SPARC以及HP的服务器等。目前市场上x86服务器大部分都是使用Intel的CPU。

CPU的主要品牌有Intel和AMD。下面分别介绍两种品牌的主要CPU种类。

Intel:酷睿系列（i3,i5,i7,博锐），至强系列（E3,E5,E7）,安腾，凌动。其中酷睿的博锐产品，针对超级本。酷睿其他产品针对于个人电脑。而志强系列产品多用于服务器。IBM的绝大部分服务器所使用的CPU均为至强系列。 

AMD针对服务器设计的CPU为皓龙系列（4000系列，6000系列等），其他系列处理器包括羿龙系列，速龙系列，闪龙系列，以及现在正在推出的APU（A系列）。在IBM的x系列服务器中，尾号为5的服务器（如3755M3）一般使用AMD处理器。

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