明明白白电脑的“芯”——全面认识CPU

李肖锋
1998年 第17期 07版

#1　　作为电脑的关键部件，CPU的发展和进步从一个侧面代表电脑技术的发展和进步。因此无论你是否是电脑专业人员，都应对被有电脑“心脏”之称的CPU有所了解和认识。
#1　　一、CPU的发展过程
　　CPU是英语“Central Processing Unit/中央处理器”的缩写，其中x86CPU是目前个人电脑所使用最多的CPU。
　　1978年美国Intel公司生产出了第一块16位的CPU──i8086芯片，它使用的指令代码就叫x86指令集。之后，Intel公司根据i8086简化设计和生产了i8088，但它仍然使用x86指令集。1981年8月，美国IBM公司使用i8088芯片生产出了具有划时代意义的IBM PC机。以后，虽然Intel公司又不断设计和生产出更快、更先进的CPU，但也都保留了上一代CPU技术的精华，新一代的CPU都能在二进制代码级兼容x86指令。就是说为上一代CPU电脑编写的软件不加修改就可以在新一代CPU上运行。Intel生产的CPU芯片命名沿用了x86模式，如i80286、i80386、i80486直到1993年因商标注册问题而将其后续产品586、686级CPU改名为今天的Pentium系列。
　　所以，人们把Intel公司生产的兼容x86指令集的CPU（包括其他公司所生产的兼容产品）称之为x86系列CPU。以下为叙述方便，将x86CPU简称为“CPU”。
#1　　二、X86CPU的技术结构和特点
#1　　1.CPU的基本结构
　　CPU一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元组成。在逻辑运算和控制单元中包括一些寄存器，这些寄存器用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。
#1　　2.CPU的总线
　　CPU的总线有数据总线、地址总线和控制总线，CPU对数据的处理、传送，对各种存储、输入输出设备的控制都是通过这些总线进行的。在一般情况下，CPU内、外总线的数据“位”数是一致的。
　　CPU的数据总线在与L2高速缓存、内存和总线扩展槽之间的交换数据时的时钟频率并不完全一致，不同类型的CPU有所区别。
#1　　3.CPU的数据“位”
　　CPU的“位”代表CPU在同一时间内处理数据量的多少。我们可以根据CPU内部寄存器的位数来判断。例如i8086/8088和i80286的寄存器是16位的，CPU内部数据总线也是16位的，所以它们都是16位的CPU。但由于i8088的内、外数据总线位数不同（CPU内部数据总线宽度为16位，外部却只有8位），所以使用i8088CPU组装的IBM PC机被称之为“准16位”的电脑。同样，虽然Pentium CPU的内、外数据总线都是64位（不包括校验位），但它内部的寄存器还是32位的，所以它仍然是32位的CPU而不是64位的CPU。Pentium pro和Pentium Ⅱ CPU也是这样。
#1　　4.CPU的MMX技术
　　MMX是英语“多媒体扩展指令集”的缩写。MMX是Intel公司在1996年为增强Pentium CPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术。为CPU增加57条MMX指令也是对自1985年以来从未进行修改的x86指令集做出的重大修改，由于MMX CPU除了指令集中增加MMX指令外，还将CPU芯片内的L1缓存由原来的16KB增加到32KB，因此MMX CPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60％左右，就在运行不含MMX指令的程序时，由于CPU中增加了16KB的L1缓存，同样也能提高速度16％左右。所以目前具备MMX技术的Pentium和Pentium Ⅱ级CPU将逐步取代原先的普通Pentium系列CPU。
#1　　5.关于CPU的数学协处理器
　　数学协处理器专门用于对数、指数和三角函数等数学运算，俗称浮点运算。在i8088、i80286和i80386时代，CPU和数学协处理器是分别安装在电脑主板上的，在i80486时代，凡型号上标有DX的CPU均已内置协处理器，只有部分486CPU因生产需要而不内置，所以在i8088至i80486时代除了常见的CPU外，还有对应的i8087、i80287、i80387和i80487系列的协处理器，这些x87协处理器均使用x87指令集。到Pentium时代，所有的CPU中均内置协处理器。
　　CPU的浮点运算能力主要取决于协处理器，而浮点运算对于电脑在处理3D图形数据时至关重要，所以AMD、Cyrix公司的CPU浮点运算能力不强也是它们竞争能力比Intel公司差的重要原因之一。
#1　　6.CPU的封装和外形
　　CPU是一块大规模的集成电路，随着CPU的发展，其功能越来越强，集成电路的规模也越来越大，封装的形式也就有所不同。最早的i8086/8088是采用双列直插（DIP）形式封装，从i80286开始采用方形BGA扁平封装（焊接），从i80386开始到Pentium pro开始采用方形PGA（插脚），到了Pentium Ⅱ，Intel又使用单边接触盒（像厚膜电路）形式封装。CPU封装形式和外形不同，CPU在主板上的安装方式也不同。
　　另外还有专用于笔记本等袖珍型电脑的CPU。这种CPU虽然在芯片的电路设计与以上（台式）机的CPU完全相同，但制造工艺更先进，并且采用薄膜型封装，因此CPU的体积和功耗要小得多，应用在主要靠电池供电的袖珍电脑中能大大减小整机电源消耗，延长电脑有效工作时间。
#1　　7.CPU使用的各种安装插座
　　从i80486开始，大多数电脑主板普遍采用插座安装的方式使用CPU，这就有了目前所说的各型CPU插座，例如Socket x和Slot 1。目前Pentium级CPU使用Socket7插座；Pentium pro使用Socket 8插座；Pentium Ⅱ则使用Slot 1（形状像一个PCI总线扩展槽）。
#1　　三、CPU和兼容型CPU
#1　　1.Intel及其他厂商的CPU
　　目前使用的CPU有好几家公司的产品，除了Intel公司外，主要还有AMD、Cyrix和IDT（集成设备公司）等三家公司的产品。由于目前世界上CPU中有90％是Intel公司生产的，就是说世界上有90％的x86型电脑中安装的是Intel公司生产的CPU。所以Intel生产的CPU就成了事实上的x86CPU技术规范和标准。^170701a^
#1　　2.Pentium系列及兼容型CPU
　　今年，电脑的主流应用机型是Pentium，并逐渐向Pentium Ⅱ机型过渡。在这当中，Pentium级电脑主用的CPU是Intel公司的Pentium MMX，另外在这一层次兼容的CPU有AMD公司的K6，Cyrix公司的6x86和6x86MX。在Pentium Ⅱ层次上Intel公司应该可以说是没什么对手，尽管AMD的K6和Cyrix公司的6x86MX在一般商业应用机型上可以与Pentium Ⅱ较量，但如果真对比CPU各种性能（包括浮点运算），K6和6x86MX还不是Pentium Ⅱ的对手。而且Intel公司的Pentium Ⅱ使用受专利保护的Slot 1，这样迫使K6和6x86MX无法在物理结构上与Pentium Ⅱ兼容Slot 1安装主板，这样更使非Intel产CPU在Pentium Ⅱ级电脑竞争上处于不利地位。
#1　　四、CPU的技术参数和性能指数
　　CPU的技术参数是生产厂家提供的有关CPU的技术指标或标准。
　　CPU性能指数是该CPU在组装电脑后的表现情况，通常使用专用软件进行测试，然后得出的有关数据。
#1　　1.CPU的主要技术参数
　　主频：单位为MHz，数值越高越好。
　　时钟频率：CPU的外部时钟频率，由电脑主板提供，其中使用最广泛的是66MHz。目前Intel公司的主板芯片组通常不标称支持66MHz以上的时钟频率，目前的Pentium和Pentium Ⅱ系列CPU也仅使用60/66MHz两种外部时钟频率，AMD公司的CPU也是这样。不过今后Intel的Pentium Ⅱ CPU将使用100MHz的外部时钟频率。至于Cyrix6x86、6x86MX使用的外部时钟频率有50/60/66/75/83MHz五种之多，但其中的75和83MHz，一般的电脑主板无法支持。
　　倍频系数：CPU的主频=时钟频率×倍频系数
　　内部缓存（L1 Cache）：封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致，L1缓存的容量单位一般为KB。L1缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度可以提高。L1缓存根据工作形式可分为“通写”和“回写”两种，其中回写型比通写型对提高CPU运算速度和效率要好一些。 
　　总线：描述CPU外部的数据总线和地址总线“位”数。
　　安装插座：描述CPU安装时所用插座类型。
　　兼容性：说明CPU能正常运行的软件范围。 
　　工作电压：描述CPU工作时所需的电源条件。一般来说，工作电压越低，CPU功耗越小。
　　其他：描述CPU的技术结构、能源管理等特点。如制作工艺、封装形式等。
#1　　2.CPU的性能指数 
　　CPU性能指数被用来表达CPU的性能指标优劣。目前用来表达CPU的性能指数有Intel公司的iCOMP评估指数，IBM、Cyrix、AMD等公司联合制定的P＋Rating参数。其中iCOMP评估指数专用于Intel公司的CPU，而P＋Rating参数适用于除Intel公司外其他公司的CPU。P＋Rating参数通常仅用于实际主频低于“标称主频”的CPU，比如Cyrix公司的6x86MX PR200。这是一款实际主频只有166MHz，而性能相当Intel公司Pentium MMX 200的CPU。这里Cyrix公司所标的PR200就是P＋Rating参数值，表示性能与Pentium200CPU性能相当的意思。除Cyrix公司的6x86系列外，AMD公司K5系列CPU也使用P＋Rating参数，但到K6系列时就不再使用。
　　 iCOMP×评估指数和P＋Rating参数都是数值越大越好。另外CPU的性能还经常用专用测试软件所测部分数据表示，在Windows环境下常用的测试软件有Winstone 9x和Winbench 9x等。
#1　　五、CPU的超频和锁频
#1　　1.超频与Remark
　　CPU一般应工作在产品标称主频上，但如果人为的将工作频率调高，并适当调整CPU的工作电压以保持电脑正常运行各种软件，这就是超频。
　　由于Intel公司的CPU产品质量优越，将CPU主频调高一档并没有问题，所以有少数奸商将CPU表面原生产厂家的标记型号等打磨后重新标注成对应同类CPU高一档主频的型号，这就是Remark，即英语“重新标记”的意思。
#1　　2.锁频
　　由于超频和Remark现象，无论是在经济上还是在产品声誉上都对Intel公司产生了不良影响，为此Intel公司在生产时对CPU采取了“锁频”措施，以减少超频和Remark行为。所谓的锁频实际就是将CPU的“倍频系数”固定起来，例如厂家将Pentium 133的“倍频系数”固定为“2”，将Pentium 166 MMX的“倍频系数”固定为“2.5”，这样就使用户或商人不能随意将CPU超频或Remark了。
#1　　六、CPU的选择和使用
　　电脑爱好者在自己动手装机时，有一个重要问题就是如何选择合适的CPU。根据目前各种Pentium级CPU的特点，笔者建议：经常处理3D图形和喜欢游戏的用户，如果是在经济条件允许的前提下优先选择Intel公司的MMX类CPU，如果经济条件差可以考虑使用AMD公司的K6，最后考虑使用Cyrix公司的6x86MX；用户主要用于数据处理、文书处理和一般非3D图形处理的，那么可以优先考虑6x86MX，然后是AMD K6系列，因为在这三种CPU中Cyrix的CPU性价比最高。
　　至于如何避免买到Remark的CPU，除了参考各种资料所介绍的经验外，主要还是到资深的CPU代理商那里去购买原盒装CPU，同时索取有效发票或收据以备发现问题时可据理要求退换和赔偿。
　　由于CPU是大件，所以我们在安装时要特别注意，在需要人工调整CPU工作电压和外部时钟频率的主板上使用时更应认真，以免跳错损坏CPU。在超频使用时要注意CPU的散热，尤其是AMD和Cyrix的CPU。