TWed2k - 心得教學區 - [教學] 詳細解析電腦的心臟 "CPU" ~ 讓你成為高手唷~!!

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#1 : 2005-7-2 03:49 PM 只看本作者

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評分:+1

以下電腦"CPU"教學可能會太過遼亂複雜唷~要麻煩各位前輩花點時間喔~!! @(^^)@

中央處理器 (CPU) 簡介

一、中央處理器是電腦的心臟
中央處理器(Central Processing Unit)又稱為中央處理單元，我們也常用CPU來表示。CPU主要工作有算術、
邏輯運算，解讀電腦內的每個指令來控制電腦的運作。目前的CPU製造技術中，將快取記憶體（Cache Memory，
能讓電腦將主要的運算資料先行儲存的地方）也放在CPU內，讓CPU的運作速度加快不少。

  和其他晶片產品一樣，CPU本身也是一顆晶片，製造過程與晶片大同小異。只不過CPU是一顆整合性的晶片，裡
面含有百萬顆以上的電晶體（也就是電阻電路，可用來進行電腦裡的內建指令），在這些電晶體裡面，事先儲存
了專有的指令集（命令電腦工作的基本程式），用來執行電腦所需的一般性工作，所以，CPU又稱為電腦的心臟。

二、CPU的運算由電流控制
CPU的運算主要透過電流來進行。透過電流的開關動作，可以將資料轉換成 1 與 0 等二進位運算資料，
並互相傳遞。

  在電流的傳輸方面，CPU以接腳方式安插在主機板上，透過這些接腳接收外界的電流訊號，
然後經過內部處理，再將結果以電流訊號傳送出去。

  每個接腳的功能不盡相同，有的傳送代表指令的電流訊號，有的則傳送代表資料的電流訊號，而有的則是單純
的電源供應。因此，主機板的設計需配合CPU的接腳功能才能發揮CPU的作用。

三、CPU的插槽有Slot與Socket兩種
市面上的CPU插座五花八門，目前主要分為Slot及Socket等兩大類，前者是將CPU垂直插於主機板上的的插座，
有點像電動遊戲機的卡匣插座，以及主機板上其他插卡插座；而後者則是以平躺的方式插於主機板上，所以看
起來像是一塊扁平的黑色巧克力似的平躺在主機板上。

四、CPU的構造
CPU內部，主要包括有保護層、金屬層、裝置層、矽基座以及包裝層等結構。保護層避免CPU直皆接觸到空氣；
金屬層則提供CPU晶片上的電路連結；裝置層則包含了許多電晶體、二極體、電阻…等主要元件，
為CPU的主要運算工作區；矽基座則提供了CPU所有元件的基座，晶片上所有工作皆建構在此基座上；
包裝層則將晶片罩住以保護晶片。

  在個人電腦中，CPU是超大型積體電路（VLSI，Very Large Scale Integration），而迷你級以上的電腦
系統（如微電腦電風扇等之類的電器產品），CPU可能只是一塊包含許多元件的電路板，
甚至由許多電路板組合而成。

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CPU基礎認識：構造篇

簡單的說，中央處理器（CPU）裡包含有下列幾個單元：執行控制單元、算術邏輯單元、浮點運算器、
指令解碼器快取記憶體以及匯流排介面單元等六大單元。我們先來介紹這些單元的基本學理操作，
再用較易懂的方式跟大家作個解說。

執行控制單元（Execution control unit）負責控制與其它功能單元的協調運作。

算術邏輯單元（ALU）能夠獨立執行算術或邏輯運算。

浮點運算器（FPU）透過管線式運算方式（pipelining）可同時執行許多浮點運算功能。

指令解碼器能解譯指令、並找出該指令所需之運算資料和運算結果所要輸出入的位址，
方便其他功能單元運作。

快取記憶體（Cache Memory）則提供給CPU將常用的運算資料儲存空間，
CPU會在運算前先來讀寫此部份的資料後，再去其他地方讀寫資料後進行運算。

匯流排介面單元則專職控制其他運算單元要利用到匯流排來進行資料傳輸工作時的協調
工作。

這六個單元，簡單地講，我們可以將CPU視為六個成員的工作小組，而這個小組最主要的工作便是進行資料的運算
與處理。執行控制單元便是小組長，控制其他五個人的工作情況；算術邏輯單元與浮點運算器可以說是主要的兩
個工作成員，負責資料運算與執行的工作；而指令解碼器是小組的翻譯人員，負責小組對外溝通協調的工作，將
運算與執行的工作轉換成小組與外部電腦其他元件能了解的語言；快取記憶體則是這個小組的辦公室資料庫，除
非必要，例如辦公室裡的資料庫找不到小組要的資料，才會藉由指令解碼器與匯流排介面單元與外界進行交換資
料的動作；因此，匯流排介面單元就是小組的運輸部門，控制資料的傳遞工作與工作時程安排等工作。透過這個
小組的運作，CPU便可以在小組的掌握下將一部電腦裡的所有動作控制得井然有序。

  從上面的解釋中我們便可以發現，如果小組工作次數（工作時脈）能夠加快的話，以及小組的資料傳輸速度能
夠提昇的話（前端匯流排速度）那麼CPU與電腦整體的工作效率便能夠有效地提昇許多，而這也是為什麼現在的
CPU速度能夠提昇的地方，都在工作時脈以及前端匯流排速度上改進。
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CPU基礎認識：速度篇

中央處理器（CPU）速度的快慢，以其處理資料的速度而定。對廠商及消費者而言，
CPU速度的快慢常代表等級上的差異，換句話說，也就是愈快的CPU會愈受人重視，
相對的其所代表的製造技術與方式，也有所不同。

一、CPU內的速度會較其外部外速度快

因為CPU主要負責電腦所有的運算，所以一開始CPU會發出以電流訊號所形成的命令，去抓取運算指令與運算程
式，然後再根據這些指令的內容去執行動作。每個指令事實上是由程式所創造出來的，再由這些指令來控制電流
訊號的轉變與傳遞。

  當CPU在進行內部運算時，首先會利用CPU內的暫存器（Register）來進行運算。
我們可以將Register視為是程式裡的變數處理機制，這些機制可供CPU套上不同的數值以求得運算結果。

  有些Register就好像是神奇的果汁搾汁機一樣，當數值是蘋果時，經過Register這個神奇搾汁機後，
就會得到蘋果汁的結果，因此這個Register果汁機就負責搾汁；有些就好像是自動洗衣機，當數值是衣服時，
丟進這個Register之後，出來就變成乾淨的衣服了，因此，在CPU內的Register就好像是一個加工廠的組合，
不同的Register有不同的功能供CPU使用，不管是要果汁，或者是要衣服都可以，只要先設定好Register的功能便
能夠開始運作。

  計算下來，一個CPU中約有十數個不同功能的Register可供CPU使用，CPU會將運算後的數值結果再外傳到記憶體
或其他週邊元件。

  由於CPU內部的資料傳輸純屬電子傳輸，會比CPU外部包含機械式的資料傳輸來得快許多。
因此主機板通常會將CPU的外頻與工作頻率加以固定，以確立正確的傳輸速度。

二、CPU的MHz值愈高，震盪頻率愈高，速度愈快

通常CPU速度的快慢皆用MHz頻率值來表示，MHz頻率值愈高，主機板的石英，其震盪頻率則愈高，
電流訊號改變便會愈快，則速度也跟著加快。

  電腦內主要的震盪來自主機板上的「時脈產生器」，其利用電流刺激石英震盪來計算時間，並驅使電流狀態進
行改變，每震盪一次，電流訊號狀態就會改變一次，又因為電腦的運作都是藉由電流訊號狀態的傳輸，因此震盪
越快，電流訊號的改變就越快，電腦運作也就越快。

MHz指時脈產生器每秒震盪百萬次，例如：100MHz、133MHz等，所以100MHz就是每秒震盪100百萬次，也就是時
脈產生器供給CPU每秒100次的震盪頻率。然而同一廠牌與等級的CPU，不管是工作頻率或是外部頻率，其MHz值越
高，速度就越快。

通常我們會直接以CPU的工作頻率來作比較，例如Pentium 500MHz的CPU就會比Pentium 200MHz的CPU來得快許
多，而且不同廠牌與等級的CPU產品也不能如此單純的依照頻率來比較。

三、工作頻率、外頻與倍頻

  時脈產生器供應給CPU的MHz頻率值，稱為CPU的工作頻率（工作時脈，也是供應給主機板上其他週邊元件的頻率
值）。當電流訊號進入CPU裡面後，會自動將該電流作某個倍數的速率提昇，而這才是CPU內部實際運作的頻率，
而電流訊號一開始傳送進來時的頻率，便是外頻，當然，訊號要傳送出去時也會按照所定的外頻來傳送出去。

      另外，上述所提及的倍數便是該主機板的倍頻數。例如Pentium 200MHz中的200MHz就是CPU的實際工作時
脈，而它是從66MHz的外頻乘以3倍頻而來，意即CPU外部電流訊號傳輸時則僅利用66MHz的頻率來傳輸，在資料進
入CPU之後，速度自動提高3倍之故。

四、CPU速度提昇的方法

提高CPU的速度主要有兩種作法：一是增加進入內部電流的頻率值（提高工作頻率）；一是減少工作所需之電流訊
號震盪次數。前者提昇內部電流頻率值，運作速度自然就增加﹔後者減小工作所需震盪次數，速度也會變快。

不過目前的CPU採用兩種方式一起進行，既提高MHz值，也從內部頻率改善震盪頻率值，
以縮減工作完成的時間。
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CPU基礎認識：插槽篇

中央處理器（CPU）的分類方式有許多種，有人依照用途來區分；有人則依照封裝方式來區分；今天我們便要藉由
CPU的插槽來分類CPU。但在此之前，我們要先認識CPU的插槽是有其技術上的功用，它不但關係著CPU封裝以及電
路的設計，而且它每一個接腳與腳位都有其作用存在。因此，利用插槽規格來分類CPU，不僅可以讓我們在安裝及
購買CPU時，不致於用錯了CPU，也可以讓我們對CPU的種類有一定程度的了解。

  CPU的插槽，目前仍在用的有：Slot-2、Slot-1、Slot-A、Socket-7、PGA370S、Socket-370、Socket 478以及
Socket A等幾種。目前最新為超微的Socket939,Socket940..Slot與Socket對消費者而言，最大的不同在Slot的插
槽就像是電動玩具的卡匣一般，將裝有CPU的「卡」插進Slot中就可以了；另一方面，Socket的插槽，自傳統以來
一直便是CPU的插槽型式，適用的CPU便如同一塊方型的貼布，平貼於插槽內。上述的兩種分法僅是最簡單的分
法。藉由插槽的不同，CPU的針腳位置便不一樣，而控制CPU與主機板溝通的晶片組也跟著改變。

  就Slot的CPU而言，英特爾（Intel）與美商超微（AMD）的CPU可以說是主要的採用者：Intel的Xeon處理器用的
就是Slot-2的插槽，並搭配Intel 440 GX、Intel NX以及840晶片組，專供伺服器主機使用；Slot-1的插槽，主要
由Pentium III系列的處理器使用，搭配Intel 440 BX、810系列、820系列晶片組皆可使用；而Slot-A的插槽，主
要由AMD K7（又稱Athlon）處理器搭配AMD 750、VIA KX133晶片組使用。

  採用Socket插槽的CPU，以入門型的Socket-7來說，目前幾乎皆是AMD K6系列的產品，目前K6以搭配矽統
（SiS）、揚智（ALi）以及威盛（VIA）的晶片組為主，而最近K6也有最新的Socket-7處理器上市，雖然Intel 的
Socket-7產品皆已停產，但過去Intel也有Socket-7的產品；Socket-370的插槽，主要是針對Intel Celeron處理
器，並搭配Intel 440 BX、I810以及VIA的693晶片組；而目前的Socket-A則是針對AMD的Athlon,Athlon XP以及
Duron等處理器而設計，需搭配SiS、AMD與VIA的晶片組才能使用。Athlon64則採用Socket939.940....

  上面提到Intel的Socket-7產品皆已停產，由於該公司的產品相當廣範，所以也提出來讓大家瞧瞧。Intel針對
Socket-7插槽的處理器有：Intel 486 SX、486DX、486DX2以及486DX4，這些486電腦的處理器相信大家都還很熟
悉，不是嗎？另外在奔騰級（Pentium）的產品有：Intel Pentium 60/66、Intel Pentium、Intel Pentium
MMX、以及Intel Pentium Pro等處理器，可見Socket-7真的是應用廣範且歷史久遠的呢！

  經過了這一番解釋，可能有人會問，難道Celeron就沒有Slot型式的嗎？難道Pentium III就沒有Socket插槽的
嗎？答案當然不是囉，因為在最早Slot-1出來的時候，Celeron也是有採其腳位的設計的，但是從Celeron 433以
後，就全是Socket的天下了；而Pentium III 500E以後的處理器，也採用FC-PGA的腳位設計，開始採用Socket-
370的插槽。整體而言，處理器生產廠商目前皆以朝向Socket的解決方案為主，日後是不是會再有更好的設計，就
得再等這些廠商的努力了。
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處理器的朔往今來

286 是第一個支援保護模式的英特爾 x86晶片，它具有現今常用的各種計算技巧。
但是286在許多方面卻很死板：例如，儘管你可以把286從實模式轉換成安全模式，但切換回實模式的唯一辦法是
重新啟動處理器——這一操作過程會花費很多時間。於是，英特爾推出了386。

  英特爾在1982年所發表的80286處理器具有16位元的資料匯流排，並整合了記憶體管理的單元，容許少量的多工
處理，也是1984年時IBM AT個人電腦的核心。

386是第一款32位的x86 處理器，也是第一個具備真正意義保護模式的處理器。保護模式
使程式師突破了640K記憶體的限制，並且通過386的32位元匯流排，達到前所未有的4G的記憶體位址。保護模式也
支援虛擬記憶體，它將高速（但極其昂貴的）RAM中不需要的內容扔到（非常便宜的）硬碟的一個區域，從而釋放
記憶體供其他工作使用，今天許多人稱之為SWAP檔。在當時，這一概念在微處理器的世界裏是革命性的。英特爾
80386最高可達33MHz，而AMD所生產的386相容晶片可達到40MHz。

80486是第一個能在一個時脈週期內執行一條簡單指令的英特爾處理器。這一過程，往往
都是通過使用晶片內部一個8K的快取記憶體來實現的（比之前處理器的速度高出了32倍），它同時還包括保證晶
片很少處於等待新資料的閒置狀態的程式。從386到486，核心指令集幾乎沒有改變，除此之外其他部分都有變
化：多媒體延伸被添加到隨後的晶片內。但這些僅僅加快了資料處理速度的指令集，通常用於3D計算、2D圖形和
串流媒體編碼及重播等，大多通用的程式很少用到。即使今日，在486上標準商業應用系統和DOS、大多數
Linux、Windows 95、Windows 98、 Windows Me、和Windows NT等都運行得很好，儘管速度有些慢。 486的時脈
最高約為100MHz。

Pentium晶片（法庭判定英特爾不可以用數字做商標，所以英特爾放棄了數位編號的方
案）。理論上，Pentium的處理速度是時脈相近的486晶片速度的2倍，因為這種新的處理器有兩個並行的指令管
路，通過這些管路，命令和資料就可以通過並被處理。實際上，因為管路是連起來的，並且有時第二條管路不得
不等待來自第一條管路的結果。整體速度幾乎提高了50％。前一個管路把任務分解，後一個的管路再將任務重
組。此外，Pentium晶片具有比486更大的晶片內記憶體，這保證了資料流程的穩定傳輸。

  現代PIII、Pentium 4和Athlon處理器的基本指令集（不包括多媒體延伸指令集）同那些古老的386和486的處理
器是非常相似的。雖然當前AMD和英特爾的微結構差異很大，解碼和處理指令使用了大量的電晶體，但是這些複雜
的內部設計都使用一個相對古老的32位元處理方案，用強制的方式將處理速度按比例提高到千兆赫茲的級別。
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工作時脈、外頻、倍頻

工作時脈:
工作時脈 (Timing) 為倍頻乘上外部頻率；實際上也就是CPU 執行的速度，也就是內部頻率。

外頻:
中央處理器（CPU）的外部頻率就是前端匯流排（FSB，Front Side Bus)的傳輸週邊設備的執行速度。一般來說，
CPU的外頻有 66.6、75、83.3、95、100、112、124、133 、166、200、266MHz等速度。

通常我們聽到的CPU速度為其工作時脈，如Pentium 200MHz的200MHz便是其工作時脈，比CPU的外頻快許多。主要
因為CPU的外頻因其屬電子元件間的傳輸，較外部包含機械元件的傳輸快。透過匯流排可以將CPU內部的資料，依
外部頻率的速度進行存取動作。也因此CPU的外頻就是FSB匯流排的執行速度。

倍頻:
目前主機板的設計有 3.0、3.5、4.0、5.0、6.0、7.0及自動判斷之倍頻方式；Pentium III 級主機板甚至已提供
至 8.0 倍頻，以 0.5 倍頻為級距。目前大部分的主機板都不用調整倍頻，也就是自動自動判斷倍頻的功能。
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Cache（快取）

對CPU而言，「快取」是中央處理器（CPU）暫存資料的記憶體名稱，該記憶體屬於靜態隨機存取記憶體（SRAM，
Static Random Access Memory，這種記憶體最大的特色在它需要以電源來保持內部的資料不會流失）。

  Cache可以將CPU常用的指令與資料放在Cache內，讓CPU要用這些資料時，可以用最快的方式取得這些資料，
而不必透過與週邊記憶體互動，而造成執行效能的降低。

  現在的CPU通常會在內部便準備好一或二個Cache，又稱為L1 Cache及L2 Cache。原來CPU與其內部的Cache互動
時，會比與CPU外部的主記憶體互動來得快許多，因此將Cache內建在CPU內，會比在主機板上建置Cache在資料傳
輸上更加有效率。

[Layout 在 2005-7-2 11:10 PM 作了最後編輯]

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