[科普中国]-处理器性能

基本概念

处理器即指中央处理器CPU，CPU从雏形出现到发展壮大的今天，由于制造技术的越来越先进，其集成度越来越高，内部的晶体管数达到几百万个。虽然从最初的CPU发展到现在其晶体管数增加了几十倍，但是CPU的内部结构仍然可分为控制单元，逻辑单元和存储单元三大部分。CPU的性能大致上反映出了它所配置的那部微机的性能，因此CPU的性能指标十分重要。 CPU性能主要取决于其主频和工作效率。

性能参数计算机的性能在很大程度上由CPU的性能决定，而CPU的性能主要体现在其运行程序的速度上。影响运行速度的性能指标包括CPU的工作频率、Cache容量、指令系统和逻辑结构等参数1。

主频主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。通常，主频越高，CPU处理数据的速度就越快。

CPU的主频=外频×倍频系数。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但并不是一个简单的线性关系。 所以，CPU的主频与CPU实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。在Intel的处理器产品中，也可以看到这样的例子：1 GHz Itanium芯片能够表现得差不多跟2.66 GHz至强（Xeon）/Opteron一样快，或是1.5 GHz Itanium 2大约跟4 GHz Xeon/Opteron一样快。CPU的运算速度还要看CPU的流水线、总线等各方面的性能指标。

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。通俗地说，在台式机中，所说的超频，都是超CPU的外频（当然一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服务器CPU来讲，超频是绝对不允许的。前面说到CPU决定着主板的运行速度，两者是同步运行的，如果把服务器CPU超频了，改变了外频，会产生异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务器系统的不稳定。

绝大部分电脑系统中外频与主板前端总线不是同步速度的，而外频与前端总线（FSB）频率又很容易被混为一谈。

总线频率前端总线（FSB)是将CPU连接到北桥芯片的总线。前端总线（FSB）频率（即总线频率）是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即数据带宽=（总线频率×数据位宽）/8，数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比方，支持64位的至强Nocona，前端总线是800MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4GB/秒。

外频与前端总线（FSB）频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一亿次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。

倍频系数倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高主频而得到高倍频的CPU就会出现明显的“瓶颈”效应－CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。一般除了工程样版的Intel的CPU都是锁了倍频的，少量的如Intel酷睿2核心的奔腾双核E6500K和一些至尊版的CPU不锁倍频，而AMD之前都没有锁，AMD推出了黑盒版CPU（即不锁倍频版本，用户可以自由调节倍频，调节倍频的超频方式比调节外频稳定得多）。

缓存缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。

L1 Cache(一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32－256KB。

L2 Cache（二级缓存）是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，以前家庭用CPU容量最大的是512KB，笔记本电脑中也可以达到2M，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高，可以达到8M以上。

L3 Cache(三级缓存），分为两种，早期的是外置，内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。

其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上，当时的L3缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。接着就是P4EE和至强MP。Intel还打算推出一款9MB L3缓存的Itanium2处理器，和以后24MB L3缓存的双核心Itanium2处理器。

但基本上L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，比方配备1MB L3缓存的Xeon MP处理器却仍然不是Opteron的对手，由此可见前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升。

工作电压工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压。

早期CPU（386、486）由于工艺落后，它们的工作电压一般为5V，发展到奔腾586时，已经是3.5V/3.3V/2.8V了，随着CPU的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有逐步下降的趋势，Intel最新出品的Coppermine已经采用1.6V的工作电压了。低电压能让可移动便携式笔记本，平板的电池续航时间提升，第二低电压能使CPU工作时的温度降低，温度低才能让CPU工作在一个非常稳定的状态，第三，低电压能使CPU在超频技术方面得到更大的发展。

制程制程越小发热量越小，这样就可以集成更多的晶体管，CPU效率也就更高。

乱序执行和分枝预测，乱序执行是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。

分枝是指程序运行时需要改变的节点。分枝有无条件分枝和有条件分枝，其中无条件分枝只需要CPU按指令顺序执行，而条件分枝则必须根据处理结果再决定程序运行方向是否改变，因此需要“分枝预测”技术处理的是条件分枝。

L1高速缓存，也就是我们经常说的一级高速缓存。在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU的运行效率。

采用回写(Write Back)结构的高速缓存。它对读和写操作均有可提供缓存。而采用写通(Write-through)结构的高速缓存，仅对读操作有效。在486以上的计算机中基本采用了回写式高速缓存。

L2高速缓存，指CPU外部的高速缓存。

高速缓存是内置于CPU用来缓冲待处理的数据。缓存越大，可缓存的数据越多。但是L2Cache（L2高速缓存）并不是越大越好，超过某一额定效率提高并不明显。L2Cache越大，发热相对增加造成数据堆叠在L2Cache上。

Pentium Pro处理器的L2和CPU运行在相同频率下的，但成本昂贵，所以Pentium II运行在相当于CPU频率一半下的，容量为512K。为降低成本Intel公司曾生产了一种不带L2的CPU名为赛扬。

超线程可以同时执行多重线程，就能够让CPU发挥更大效率，那就是超线程(Hyper-Threading)技术，超线程技术减少了系统资源的浪费，可以把一颗CPU模拟成两颗CPU使用，在同时间内更有效地利用资源来提高性能。

处理技术流水线技术在解释超流水线与超标量前，先了解流水线（Pipeline）。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5－6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5－6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以空间换取时间。例如Pentium 4的流水线就长达20级。将流水线设计的步（级）越长，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。但是流水线过长也带来了一定副作用，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象，Intel的奔腾4就出现了这种情况，虽然它的主频可以高达1.4G以上，但其运算性能却远远比不上AMD 1.2G的速龙甚至奔腾III-s。

CPU封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA（栅格阵列）方式封装，而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC（单边接插盒）的形式封装。还有PLGA(Plastic Land Grid Array）、OLGA(Organic Land Grid Array）等封装技术。由于市场竞争日益激烈，CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。

多线程同时多线程Simultaneous Multithreading，简称SMT。SMT可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或Cache未命中带来的访问内存延时。当没有多个线程可用时，SMT处理器几乎和传统的宽发射超标量处理器一样。SMT最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计，几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。多线程技术则可以为高速的运算核心准备更多的待处理数据，减少运算核心的闲置时间。这对于桌面低端系统来说无疑十分具有吸引力。Intel从3.06GHz Pentium 4开始，部分处理器将支持SMT技术。

多核心多核心，也指单芯片多处理器（Chip Multiprocessors，简称CMP）。CMP是由美国斯坦福大学提出的，其思想是将大规模并行处理器中的SMP（对称多处理器）集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的进程。这种依靠多个CPU同时并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向，称为并行处理。与CMP比较，SMP处理器结构的灵活性比较突出。但是，当半导体工艺进入0.18微米以后，线延时已经超过了门延迟，要求微处理器的设计通过划分许多规模更小、局部性更好的基本单元结构来进行。相比之下，由于CMP结构已经被划分成多个处理器核来设计，每个核都比较简单，有利于优化设计，因此更有发展前途。IBM 的Power 4芯片和Sun的MAJC5200芯片都采用了CMP结构。多核处理器可以在处理器内部共享缓存，提高缓存利用率，同时简化多处理器系统设计的复杂度。但这并不是说明，核心越多，性能越高，比如说16核的CPU就没有8核的CPU运算速度快，因为核心太多，而不能合理进行分配，所以导致运算速度减慢。在买电脑时请酌情选择。2005年下半年，Intel和AMD的新型处理器也将融入CMP结构。新安腾处理器开发代码为Montecito，采用双核心设计，拥有最少18MB片内缓存，采取90nm工艺制造。它的每个单独的核心都拥有独立的L1，L2和L3 cache，包含大约10亿支晶体管。

SMPSMP（Symmetric Multi-Processing），对称多处理结构的简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器（多CPU），各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持下，一个服务器系统可以同时运行多个处理器，并共享内存和其他的主机资源。像双至强，也就是所说的二路，这是在对称处理器系统中最常见的一种（至强MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路）。也有少数是16路的。但是一般来讲，SMP结构的机器可扩展性较差，很难做到100个以上多处理器，常规的一般是8个到16个，不过这对于多数的用户来说已经够用了。在高性能服务器和工作站级主板架构中最为常见，像UNIX服务器可支持最多256个CPU的系统。

构建一套SMP系统的必要条件是：支持SMP的硬件包括主板和CPU；支持SMP的系统平台，再就是支持SMP的应用软件。为了能够使得SMP系统发挥高效的性能，操作系统必须支持SMP系统，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系统。即能够进行多任务和多线程处理。多任务是指操作系统能够在同一时间让不同的CPU完成不同的任务；多线程是指操作系统能够使得不同的CPU并行的完成同一个任务。

要组建SMP系统，对所选的CPU有很高的要求，首先、CPU内部必须内置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）单元。Intel 多处理规范的核心就是高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers–APICs）的使用；再次，相同的产品型号，同样类型的CPU核心，完全相同的运行频率；最后，尽可能保持相同的产品序列编号，因为两个生产批次的CPU作为双处理器运行的时候，有可能会发生一颗CPU负担过高，而另一颗负担很少的情况，无法发挥最大性能，更糟糕的是可能导致死机。

NUMA技术NUMA即非一致访问分布共享存储技术，它是由若干通过高速专用网络连接起来的独立节点构成的系统，各个节点可以是单个的CPU或是SMP系统。在NUMA中，Cache 的一致性有多种解决方案，一般采用硬件技术实现对cache的一致性维护，通常需要操作系统针对NUMA访存不一致的特性（本地内存和远端内存访存延迟和带宽的不同）进行特殊优化以提高效率，或采用特殊软件编程方法提高效率。NUMA系统的例子。这里有3个SMP模块用高速专用网络联起来，组成一个节点，每个节点可以有12个CPU。像Sequent的系统最多可以达到64个CPU甚至256个CPU。显然，这是在SMP的基础上，再用NUMA的技术加以扩展，是这两种技术的结合。

乱序执行乱序执行（out-of-orderexecution），是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。这样将根据个电路单元的状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然后由重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。采用乱序执行技术的目的是为了使CPU内部电路满负荷运转并相应提高了CPU的运行程序的速度。

分枝技术（branch）指令进行运算时需要等待结果，一般无条件分枝只需要按指令顺序执行，而条件分枝必须根据处理后的结果，再决定是否按原先顺序进行2。