解剖CPU的运作.doc

解剖CPU的運作大家都知道CPU很重要，它是電腦的心臟（大腦），沒有了它，電腦就無法運作。而且一般也用它來代表電腦的等級，例如所謂 一台Pentium電腦 ，就是指這台電腦裡面的CPU是Pentium。CPU可用386、486、Pentium、PentiumII等來分級，目前市場主流是PentiumII等級，而許多人家裡的電腦則以Pentium居多。前述的Pentium或PentiumII都是Intel公司的產品，當然也有非Intel的產品可以選擇，如AMD公司的K6與K6-2系列，以及Cyrix公司的6x86MX與M2系列等。就跟記憶體或其他IC產品一樣，CPU也是一顆IC，製造過程也差不多，但不同的是，CPU是一顆整合性的IC，裡面含有百萬顆以上的電晶體（電阻電路），預先儲存了專有的指令集，可以用來執行電腦所需的一般性工作。電腦裡的任何工作，其實都可以簡化為電流的訊號活動，電流訊號就像電燈的開關一樣，只有 開 與 關 兩種狀態，在數學表示上，則用 與 來代表，這就是 位元 這個名字的來源，一個 位元 就代表一種 或 狀態。電流訊號在各種元件中傳來傳去，這就是電腦的工作，也因此電腦中的元件都跟位元有關。CPU也是一樣，以電流狀態來進行各種工作。CPU以接腳方式安插在主機板上，也透過這些接腳接收外界而來的電流訊號，然後經過內部處理，再將結果以電流訊號傳送出去。CPU的接腳數目很多，雖然每個接腳都在傳輸電流訊號，但他們的功能各自不同，有些傳送代表指令的電流訊號，有些則傳送代表資料的電流，而有些則是單純的電源供應。CPU的速度快慢可以用MHz的頻率值來表示，例如100MHz、200MHz等，就相同的CPU而言，MHz值越高，速度就越快，例如Pentium-200MHz就比Pentium-100MHz還快，但不同廠牌與等級的CPU產品就不能單純這樣比較。MHz的真正意思是什麼呢？MHz是指每秒震盪百萬次，例如100MHz就是每秒震盪100百萬次。那麼CPU為何要 震盪 呢？其實並非真的 震盪 ，而是主機板上的 時脈產生器 利用石英震盪來計算時間並驅使電流狀態的改變，每震盪一次，電流訊號狀態就可以改變一次，又因為電腦的運作都是電流訊號狀態的傳輸，因此若震盪越快，電流訊號的改變就越快，電腦運作也就越快了。不只CPU，電腦中的其他元件也都可以用MHz來表示快慢（只要它的運作節奏來自時脈產生器），例如主機板上的匯流排速度、記憶體速度等。此外，時脈產生器所供應給CPU的MHz頻率值，稱為CPU的外頻，當它進入CPU裡面後，會予以某個倍數的提昇，才當作CPU的實際運作頻率（又稱為CPU內頻）。例如Pentium-200MHz中的200MHz就是CPU的實際內頻，而它是從66MHz的外頻乘以3倍而來。為何要這麼做呢？這是因為CPU是一種純電子零件，它的進步很快，而外界元件則有電子零件與機械元件不等，進步速度參差不齊，也不若CPU之快，因此採用內外頻分開的作法，可以滿足CPU不斷進步的高速運作需求，而外部零件仍可以原本速度照常運作，不至於互相牽制。這是從486-DX2開始的作法（那個2就是乘以2倍的意思），並一直延續到現在。要讓CPU不斷提高速度，有兩種作法：一是增加內部的頻率值，如此每秒的震盪次數提昇，電流狀態改變次數也就提高，運作速度當然就增加了二則是改變CPU內部的設計，讓完成工作的震盪次數縮減，例如同一件工作，以往需要震盪100次才能完成，而現在只要50次就可以完成，這樣速度也相對變快了。目前的CPU採用兩種方式一起進行，既提高MHz值，又從內部架構著手，縮減工作的完成時間。 電腦與CPU其實都藉由電流訊號的 開 與 關 狀態的組合來處理各種工作，以數學表示則是 與 ，這也是 位元 這個名詞的來源。此外，我們也瞭解所謂MHz頻率的意義與關係。以前曾經先後提過CPU裡面的東西，例如L1快取、暫存器等，也有許多讀者來函對CPU到底是幾位元很感興趣，所以今天我們準備深入CPU內部，以CPU的運作過程為大綱，把他們做一個系統性的介紹，也會談一些以前從未講過的東西。CPU的內部構造與運作其實相當複雜，這裡會儘量簡化，讓有興趣的人可以一窺它的內部奧秘。CPU與記憶體子系統CPU是從外界讀取資料，然後進行運算工作，運算完的結果再傳給外界。在一台電腦中，與CPU直接進行資料傳輸的東西叫做 記憶體子系統 ，它主要是指主記憶體與快取記憶體。CPU先與快取記憶體直接傳輸資料，然後快取記憶體再與主記憶體傳輸資料。此外，這裡的快取記憶體又稱為L2快取（Layer2 Cache，第二階層快取），因為CPU裡面有L1快取。而PentiumII則把L2快取整合到CPU裡面，所以PentiumII主機板上就沒有L2快取，不過，在有些高階電腦中，雖然它們的CPU也已經把L2快取整合進去，但主機板上還有L3快取。這裡的L1、L2、L3都是從CPU裡面往外算起。匯流排通道現在已經知道CPU與記憶體子系統進行資料傳輸，而他們之間的傳輸通道，則稱為CPU的 外部匯流排 ，就目前一般個人電腦而言，CPU的外部匯流排的寬度都是64位元（64條的電流訊號傳輸線）。既然CPU有 外部匯流排 ，那麼有沒有所謂的 內部匯流排 呢？其實， 匯流排 只是資料傳輸通道的專有名詞而已，CPU要進行許多複雜工作，裡面當然也有各種傳輸通道，您也可以把它們通稱為 內部匯流排 ，只不過CPU裡面的傳輸匯流排有很多種，每一種匯流排通道的位元數都不盡相同。分開的L1快取區當訊息資料透過 外部匯流排 ，由記憶體子系統傳入CPU裡面之後，CPU會把這些送進來的資料依類型不同，分成 指令 與 純資料 ，然後分別送入兩個地方暫存起來，以等待進一步的處理，這兩個暫存地方就是 指令快取區 與 資料快取區 ，它們分別存放指令與純資料。就PentiumII而言， 指令快取區 與 資料快取區 分別各有16KB的容量。此外， 指令快取區 與 資料快取區 合稱為L1快取，也就是我們前面提到所謂L1、L2、L3中的L1快取（第一階層快取）。不斷進行的指令擷取過程當指令送入 L1指令快取區 後，CPU裡面有個稱為 指令擷取器 的東西，它會立刻擷取第一個指令，然後送入CPU核心開始執行。而在CPU核心正在執行工作的同時， 指令擷取器 也不會閒著，它會根據程序流程，立刻從 L1指令快取區 中讀取下個指令，然後送入 指令佇列區 裡。 指令擷取器 會重複不斷地執行這件工作，把指令一一送入 指令佇列區 裡堆積，讓CPU核心可以依序執行這些指令。指令解碼CPU無法一一去認識各種五花八門的程式指令，所以要先進行 翻譯 的過程，此時有個 指令解碼器 會把送入 指令佇列 裡的程式指令翻譯成CPU自己內部所使用的簡單指令與控制訊號，然後才正式傳送給CPU核心去執行 CPU從外界的記憶體子系統讀進資料，然後分別送到裡面的 L1指令快取區 與 L1資料快取區 中存放，接著， 指令擷取器 會根據程序流程，不斷從 L1指令快取區 中讀入指令，然後送進 指令佇列 裡堆積，而 指令解碼器 則把這些指令翻譯成CPU看得懂的訊號，以便CPU核心可以依序執行。進入核心執行區此時指令正式進入CPU的執行核心。首先，指令會先到 控制單元 來報到， 控制單元 會判斷這個指令的運算需求，如果屬於浮點數（帶有指數表示的數字）等複雜數學的運算，則會送給 浮點運算器 去負責，但如果是一般運算，則送入 算數邏輯運算器 進行運算工作。算數邏輯運算器與暫存器的工作一般而言，目前絕大多數的電腦工作都是屬於整數運算與邏輯判斷，都是 算數邏輯運算器 所能掌控的工作，而它也是CPU最重要的核心運算器。當指令送入 算數邏輯運算器 時，該指令執行時所需要的運算資料也會從 L1資料快取區 傳送過來，讓它可以被運算執行。在 算數邏輯運算器 執行工作的時候，有個重要元件會同時伴隨運作，稱為 整數暫存器 ，或簡稱為 暫存器 。 整數暫存器 是 算數邏輯運算器 執行運算時的臨時記錄本，它會存放運算前與運算後的資料，以及運算過程中所產生的中間值資料，它跟 算數邏輯運算器 的合作過程非常忙碌，資料不斷地進進出出。就目前一般個人電腦而言，CPU裡面都含有數個 整數暫存器 ，而這些 整數暫存器 的寬度全部都是32位元，當它處理16位元的程式指令時，只用了一半，若處理32位元指令，則剛好完全發揮它的性能，但如果是64位元指令，則幾乎就塞不進去。由此可見， 整數暫存器 決定了CPU的處理能力，因此我們大多以它的位元數來代表CPU的位元數。目前一般個人電腦的CPU都含有32位元的 整數暫存器 ，因此是32位元CPU，而高階電腦所用的RISC處理器則擁有64位元的 整數暫存器 ，所以它們是64位元的CPU。浮點運算器的工作在CPU的設計中，浮點運算器是單獨的執行單元，在很久以前的386時代，CPU並不含有浮點運算器，還要視需要另外購買，然後安插到主機板上（當時稱為數學輔助處理器），後來的CPU則乾脆都把浮點運算器包含進來。浮點運算器有自己的特殊微碼，主要處理浮點數的運算，包括三角函數、對數函數等科學與工程上的複雜運算，許多3D圖形的產生就需要浮點運算的幫忙，速度才能加快，不過浮點運算並非CPU的主要工作。當指令從 控制單元 送入浮點運算器時，該指令所需要的運算資料也會從 L1資料快取區 傳送過來。浮點運算器也有自己的暫存器，稱為 浮點暫存器 。運算完畢當前述核心執行區的運算工作完成，並產生新的資料結果後，這些結果會送回 L1資料快取區 裡去存放，若下個指令需要這些資料，則再送到 算數邏輯運算器 或 浮點運算器 去配合進行運算，若需要輸出，則同樣透過 外部匯流排 傳送給外界的記憶體子系統。至於運算完畢的指令則不需要儲存，它會從暫存器中被清除掉。超純量管線架構目前的CPU幾乎都採用 超純量管線 （Superscalar Pipeline）架構。所謂 管線 就是仿效 生產線 的作法，把工作切割成好幾步驟，讓它們分頭同時進行，這兩天的敘述過程可以看出端倪而 超純量 則是同時闢建二條以上的生產線，例如從 指令擷取佇列 開始就分成二條以上的平行通道，這樣可以將相同時間內的可執行工作予以加倍，大幅提昇CPU效能。結語CPU的內部運作其實很複雜，但瞭解這種 簡化模式 已經差不多了，應該可以滿足對CPU運作方式的好奇。除了前述的超純量管線架構外，還有CPU對記憶體空間的使用（定址）也沒有談到，這部份牽涉到CPU與程式的運作模式，或許日後有機會再談了。MMX是什麼東西 MMX（多媒體延伸）是一種新的技術，目前已經普遍被加到CPU裡面。這種把MMX技術內植到CPU的做法，被譽為是繼十年前一顆32位元的386面世以來，個人電腦CPU史上的另一重大進步。目前最流行的，大概首推多媒體與Internet網際網路，而且它們也會是未來電腦應用的主流，但這些應用往往需要耗費大量的資料運算，這部份並非CPU所專長，常常必須倚賴其它硬體上的專門處理晶片來代勞。而MMX就是被設計用來彌補CPU在這方面的缺憾，專門強化多媒體與通訊資料的處理，當它內含在CPU裡面以後，CPU對這些棘手資料的處理速度將有50%到100%的大幅提昇。MMX採用的是對多媒體及通訊的資料型態做了幾種新的定義，而且增加了57個專屬指令，以及8個64位元的暫存器（一種CPU裡面的快速記憶體），它們互相配合，可以達到快速處理的目標。雖然MMX有這些好處，但並不是說擁有一顆內含MMX的CPU後，它的好處就會馬上顯現，還有其它因素存在，特別是軟體開發者也要一起配合修改，提供支援MMX技術的各種軟體。CPU 的種類及規格INTEL大概每隔二、三年，就會有新的處理器（CPU）產品出現，今年又逢新產品出現的時期。不過今年比較特殊，因為新產品會有多種類型，並且採用各自的匯流排架構，因此主機板上的CPU插槽也各自不同，若再加上現有的產品，屆時市面上的處理器與主機板之多，大概會讓大家看得眼花撩亂，不知所以。Intel是CPU超級霸主，一向在資訊界呼風喚雨，有如偉大的上帝。不過近兩年的低價電腦風潮卻他遭受挫折，盟友紛紛琵琶別抱，為了展現霸主應有的霸氣，Intel在今年會推出多款處理器，準備由上往下，吃下整個處理器市場。我們就先來看看這位霸主準備提供給大家的選擇。PentiumIIPentiumII是Intel進軍主流個人電腦市場的重要處理器，也是大家最熟悉的處理器。這顆處理器已經上市多年，它採用類似電視遊樂器卡匣的封裝方式，匯流排架構稱為Slot-1，必須搭配Slot-1主機板。早期的PentiumII採用66MHz外頻，目前全部採用100MHz外頻，不過主機板上的晶片組必須採用440BX等級的晶片組，這樣才能提供100MHz能力。而早期採用LX等級晶片組的主機板並不能提供100MHz外頻，這是升級時必須注意的地方。PentiumII還有更高階的產品，稱為Xeon，它也是使用類似遊戲卡匣的封裝方式，不過採用Slot-2匯流排架構，必須搭配Slot-2主機板（與Slot-1並不相容）。Xeon的特點是L2快取很大（從512KB到2MB），而且L2快取的運作速度可以跟CPU核心同步。另外，Xeon也可以支援多重處理器架構（目前最多四顆，未來可以到八顆）。Xeon是目前Intel最強悍的處理器，主要用來進軍高階市場（伺服器或工作站），一般個人電腦很少採用。CeleronCeleron是Intel進軍低價電腦市場的主力部隊。這顆處理器其實已經出現很久，它的核心架構跟目前的主流處理器PentiumII完全一樣，但它主要有三個較不同的地方：一是封裝方式比較簡單、二是L2快取容量較小、三是外頻（匯流排）速度採用66MHz。現有的Celeron也是採用Slot-1架構，因此可以與PentiumII採用相同的主機板。不過，除了採用Slot-1架構的舊款Celeron外，Intel今年也推出了新款的Celeron，它的最大特色在於採用了一個全新的Socket-370匯流排架構（PGA-370封裝方式），它的外觀與接腳都類似昔日方方正正的Pentium處理器，這顆處理器無法安插在Slot-1主機板或Socket-7主機板，必須搭配全新的Socket-370主機板，這種主機板也已經大量上市。Socket-370架構的新Celeron目前也是採用66MHz外頻，不過根據Intel計畫，未來也會採用100MHz外頻。這顆處理器是今年Intel全力反撲低價電腦市場的超級戰艦，至於能否成功，大家可以拭目以待。PentiumIII今年Intel還會推出一顆全新的處理器，稱為PentiumIII，是PentiumII的下一代。PentiumIII在研發時期的代號叫做Katmai，後來正式定名為PentiumIII，這是因為Pentium當初的名稱推廣很成功，所以Intel延續使用，只在後面陸續加上II或III，有第二代、第三代的世代交替意味。PentiumIII的最大特色是採用了第二代的MMX指令集技術，Intel把這個指令集稱為KNI（Katmai New Instruction），也有人稱為MMX-2。KNI就跟現有的MMX一樣，都是單一指令處理多筆資料的處理器擴充指令集技術（Streaming SIMD Extensions），可以針對多媒體及數據資料進行快速處理。根據Intel計畫，PentiumIII也是採用Slot-1架構，外頻採用100MHz，因此可以安插在BX等級的Slot-1主機板，不過由於採用新的KNI指令集，因此主機板上的BIOS必須進行更新，才能發揮PentiumIII優勢。同樣，PentiumIII也會有高階的Xeon處理器，也是計畫採用Slot-2架構。Socket-370架構的Celeron是今年Intel進攻低價市場的主力，PentiumIII則會是Intel進攻主流市場的重點。不過初期PentiumIII的價格應該還不便宜，在價格決定地位的市場法則下，根據以往經歷，可能要到今年底的價格才具競爭力，屆時PentiumIII會開始展現強勢，逐漸取代PentiumII成為新主流。AMD與Cyrix嚴陣以待介紹了處理器霸主Intel在今年會推出的產品類型，多的足夠把全部市場都吃下來。雖然Intel來勢洶洶，不過它的競爭者也非泛泛之輩，今年也都會派出精銳部隊，迎戰霸主的高壓籠罩。在市場中，大家都只認識老大，處理器市場也是一樣，佔有八成市場的Intel的名聲響徹雲霄、眾人皆聞，而其他分食剩下那兩成市場的老二、老三老等則知道的人不多，這些在後面的追趕者主要為AMD與Cyrix（NS），以及兩年前出現市場的IDT與剛剛現身的RISE等後起之秀。AMD與Cyrix都是老牌廠商，只是以前他們總是欲振乏力、嬴弱不堪，被老大打得抬不起頭來。不過近兩年的低價電腦風潮已經使得情況改觀，在Intel退出Socket-7市場的情況下，沒有老大高高在上的這些競爭者終於擺脫昔日的弱雞形象，在低價市場中享盡鈔票滾滾而來的美妙滋味。不過今年開始他們的日子可能不會好過，因為Intel已經排開陣勢，準備對低價市場發起空前的大規模殲敵行動。面對老大的絕地大反撲，我們就來看看這些老二、老三們所各自部署的迎戰部隊，是否可以抵擋來自老大的恐怖殲敵行動。AMDAMD是有名的永遠老二，最近終於嚐到當老大的滋味，不過是在一千美元以下的美國低價市場中。AMD過去一年的主力產品是K6-2，它採用傳統的Socket-7匯流排架構，不過AMD成功把外頻從66MHz拉升到100MHz等級，延續了Socket-7的生命（AMD把它稱為Super-7），AMD也在K6-2中加入自己開發的3D Now!指令集。除了K6-2外，今年AMD還會推出一顆K6-3的處理器（代號叫做Sharptooth）。K6-3的核心跟目前的K6-2沒什麼兩樣，也同樣採用Socket-7架構。但在記憶體子系統往處理器靠攏成為改善系統效能的主流作法之後，AMD也會在K6-3裡面首度納入L2快取（256K），而且打算與處理器核心同步，準備迎戰Intel的Celeron或PentiumII。除了K6-3外，AMD還有一顆重量級的新一代處理器K7也會在今年現身，它的系統匯流排獲得DEC（Compaq）授權，將揚棄舊有的Socket-7架構，改採Alpha處理器的Slot-A架構，系統頻率達200MHz等級，而且也將具備多重處理器架構能力。這顆K7處理器的初期目標不是低價市場，而是主流與高階PC市場，瞄準Intel的PentiumII/III（Xeon）族系。CyrixCyrix也是有名的永遠老三，最近同樣享受了當老大的滋味，不過是在六百美元以下的超低價市場中。Cyrix二年前被美國國家半導體（NS）所併購，成為NS底下的一個部門，在獲得NS的生產線奧援與政策影響下，傾全力主攻低價市場。Cyrix當初是以MediaGX處理器在低價市場中打下名聲，並因此引發後來的低價電腦風潮，也是當初NS看中Cyrix的主因之一。MediaGX是一顆多功能整合式的處理器，採用自己專屬的匯流排架構，在零售市場上並不多見。除了MediaGX，Cyrix也有發展很久的M2（6x86）處理器，它採用Socket-7匯流排架構，目前外頻仍然維持66MHz。此外，Cyrix今年會推出兩顆新的處理器，分別為MXi與Jalapeno。MXi是繼承MediaGX與M2兩種特色的處理器，它的核心主要來自M2，但納入3D加速引擎、3D音效與MPEG-2解壓縮器，也是一顆整合式的處理器，匯流排架構採用Socket-7，預計會納入100MHz外頻能力。至於Jalapeno則是下一代的全新架構處理器，可能會正式定名為M3。Jalapeno同樣會是一顆整合式的處理器，並納入對MMX與3D Now!指令集的支援。在匯流排架構方面，這顆處理器會正式揚棄Socket-7，至於將採用哪一種架構則尚未公布，因為NS與Intel及DEC有相互授權，可以採用Slot-1、Socket-370或Slot-A等匯流排架構，彈性很大，屆時可能視市場狀況而定。主機板與處理器的配對看完了三家主要處理器廠商在今年內會推出的多樣而複雜的產品之後，若您還沒有感到頭昏眼花，那算是抵抗能力很強了。在Pentium（586）以前時代的處理器很簡單，反正不管哪種處理器，幾乎都可以安插在同一片主機板上。不過自從PentiumII出現以後，大家就要開始適應兩種類型的主機板與多種處理器。到了今年，情況更糟糕，處理器種類一下子變成這麼多，而且幾乎每種處理器都有自己的主機板，彼此定要門當戶對才行，而使用者也從此進入痛苦的配對時期。今天我們從主機板角度出發，看看應該如何替主機板與處理器進行配對。Socket-7主機板這是存活很久的主機板類型，可以搭配的處理器種類很多，包括有：Intel已經停產的Pentium（MMX）系列、AMD的K6-1/2/3系列、Cyrix的M2（6x86）系列等處理器。如果您現有的主機板是屬於Socket-7，那麼可以使用的處理器就是上面這三種。此外，有一點要注意，AMD現有的K6-2與新的K6-3都會採用100MHz外頻，因此最好主機板也提供100MHz能力（由晶片組決定），這樣搭配起來才能發揮100MHz速度。當然，這也告訴我們，若想要購買Socket-7主機板，一定要選擇提供100MHz的產品。Socke