?CPU 按產(chǎn)品市場(chǎng)可分為 x86 系列和非 x86 系列。x86 系列 CPU 生產(chǎn)廠商只有 Intel、AMD、VIA 三家公司，x86 系列 CPU 在操作系統(tǒng)一級(jí)相互兼容，產(chǎn)品覆蓋了 90%以上的桌面計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。非 x86 系列 CPU 生產(chǎn)廠商有 IBM、Sun、HP、ARM、MIPS、日立、三星、現(xiàn)代、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算研究所等企業(yè)和單位。非 x86 系列 CPU 主要用于大型服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)，這些產(chǎn)品大多互不兼容，在桌面計(jì)算機(jī)市場(chǎng)中占有份額極小。

Intel 與 AMD 公司的 CPU 雖然在性能和軟件兼容性方面不相上下，但配套的硬件平臺(tái)并不能相互完全兼容。例如，它們需要不同的主板進(jìn)行產(chǎn)品配套。CPU制造工藝的逐步提升和硬件糾錯(cuò)是工藝步進(jìn)提升的原因。通常來(lái)說(shuō)，新步進(jìn)的CPU超頻能力更強(qiáng)，發(fā)熱也會(huì)略低。如果兩顆 CPU 型號(hào)相同，但工藝步進(jìn)不同，從 CPU 超頻角度看，CPU 升級(jí)步進(jìn)工藝的同時(shí)，一般也會(huì)提高 CPU 的超頻能力。

大部分 CPU 采用 LGA 或 FC-PGA 封裝形式。FC-PGA 封裝是將 CPU 核心封裝在基板上，這樣可以縮短連線，并有利于散熱。LGA 采用無(wú)針腳觸點(diǎn)封裝形式。CPU 由半導(dǎo)體硅芯片、基板、針腳或無(wú)針腳觸點(diǎn)、導(dǎo)熱材料、金屬外殼等部件組成。

（1）外殼（IHS）。CPU 金屬外殼采用鍍鎳銅板，它的作用是保護(hù) CPU 核心不受外力的損壞。外殼表面非常平整光滑，這有利于與 CPU 散熱片的良好接觸。

（2）導(dǎo)熱材料（TIM）。在金屬外殼內(nèi)部與復(fù)合陶瓷之間，填充了一層導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱材料一般采用導(dǎo)熱膏，它具有良好的絕緣性和極佳的導(dǎo)熱性能，它的功能是將 CPU 內(nèi)核發(fā)出的熱量傳導(dǎo)到金屬外殼上。

（3）CPU 核心（die）。CPU 核心是一個(gè)薄薄的硅晶片，尺寸一般為 12mm×12mm×1mm左右。目前 CPU 核心中有多個(gè)內(nèi)核（2/4/6/8 個(gè)），8 內(nèi)核的 Intel Xeon CPU 集成的晶體管數(shù)達(dá)到了 24 億個(gè)。

（4）轉(zhuǎn)接層。CPU 核心與基板之間有一個(gè)轉(zhuǎn)接層，它的作用有三個(gè)：一是將非常細(xì)小的 CPU 內(nèi)核信號(hào)線轉(zhuǎn)接到 CPU 針腳上；二是保護(hù)脆弱的 CPU 核心不受損傷；三是將 CPU核心固定在基板上。轉(zhuǎn)接層采用復(fù)合材料制造，有良好的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。在轉(zhuǎn)接層上，采用光刻電路與 CPU 內(nèi)核的電路直接相連。在轉(zhuǎn)接層下面，采用焊點(diǎn)與基板上的線路相連。

（5）基板。金屬封裝殼周?chē)?CPU 基板，基板的功能一是連接轉(zhuǎn)接層與 CPU 針腳，另外一個(gè)功能是設(shè)計(jì)一些電路，防止 CPU 內(nèi)核的高頻信號(hào)對(duì)主板產(chǎn)生干擾。

（6）電阻和電容。基板底部中間有的電容和電阻，主要用于消除 CPU 對(duì)外部電路的干擾，以及與主板電路進(jìn)行阻抗匹配。每個(gè)系列的 CPU 產(chǎn)品，這些電容和電阻的排列方式都有所不同。

（7）針腳?；逑旅娴腻兘馃o(wú)針腳觸點(diǎn)，是 CPU 與外部電路連接的通道。

Core i7 CPU 內(nèi)核分為核心（Core）與非核心（UnCore）兩大部分。核心部分包括 CPU執(zhí)行流水線和 L1、L2 級(jí)高速緩存。非核心部分為 L3 級(jí)高速緩存、集成內(nèi)存控制器（IMC）、快速路徑互連總線（QPI），以及功耗與時(shí)鐘控制單元等。

CPU 工作過(guò)程大致如下：指令和數(shù)據(jù)在執(zhí)行前，首先要加載到內(nèi)存或 CPU 內(nèi)核的高速緩存（L1/L2/L3 Cache）中，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為緩存。CPU 根據(jù)指令指針（PC）寄存器指示的地址，從高速緩存或內(nèi)存中獲取指令；然后對(duì)分支指令進(jìn)行預(yù)測(cè)工作，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為取指令（IF）。

CPU取到指令后，需要判斷這條指令是什么類(lèi)型的指令，需要執(zhí)行什么操作，并負(fù)責(zé)把取出的指令譯碼為微操作（μO(píng)P）指令，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為譯碼（DEC）。指令譯碼后可以得到操作碼和操作數(shù)地址，然后根據(jù)地址取操作數(shù)。然后需要對(duì)多條微操作指令分配計(jì)算所需要的資源（如寄存器、加法器等），這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為指令控制（ICU）或指令分派。

當(dāng)操作數(shù)被取出來(lái)以后，計(jì)算單元（如 ALU）根據(jù)操作碼的指示，就可以對(duì)操作數(shù)進(jìn)行正確的計(jì)算了，指令的計(jì)算過(guò)程稱(chēng)為執(zhí)行（EXE）。執(zhí)行結(jié)束后，計(jì)算結(jié)果被寫(xiě)回到 CPU內(nèi)部的寄存器堆中，有時(shí)需要將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)回到緩存和內(nèi)存中，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為退出（Retire）或?qū)懟?。到此為止，一條指令的整個(gè)執(zhí)行過(guò)程就完成了。

Core i7 CPU 包括幾十個(gè)系統(tǒng)單元。從體系結(jié)構(gòu)層次看，CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有緩存單元（Cache）、取指單元（IF）、譯碼單元（DEC）、控制單元（ICU）、執(zhí)行單元（EXE）、退出單元（RU）等。

Core i7CPU 每個(gè)單核有 5 個(gè) 64 位整數(shù)算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU），3個(gè) 128 位的浮點(diǎn)處理單元（FPU）。CPU 中每個(gè)核心在最好的情況下，理論上每個(gè)時(shí)鐘周期可以進(jìn)行以下操作：取指令或數(shù)據(jù) 128 位/周期；譯碼 4 條 x86 指令（1 個(gè)復(fù)雜指令，3 個(gè)簡(jiǎn)單指令）/周期；發(fā)送 7 條微指令/周期；重排序和重命名 4 條微指令/周期；發(fā)送 6 條微指令到執(zhí)行單元/周期；執(zhí)行 5×64 位=320 位整數(shù)運(yùn)算/周期；或執(zhí)行 3×128 位=384 位浮點(diǎn)運(yùn)算/周期；完成并退出 4 條微指令（128 位）/周期。CPU 在 3.2GHz 頻率下的峰值浮點(diǎn)性能為 51GFLOPS（雙精度）或者 102GFLOPS（單精度）。

CPU 訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，在存儲(chǔ)系統(tǒng)中找到所需數(shù)據(jù)的概率稱(chēng)為命中率，命中率計(jì)算方法如下所示，命中率越接近于 1 越好。

CPU 訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，通常先訪問(wèn) Cache，由于 CPU 所需要的信息不會(huì)百分之百地在Cache 中，這就存在一個(gè)命中率的問(wèn)題。從理論上說(shuō)，只要 Cache 的大小與內(nèi)存的大小保持適當(dāng)比例，Cache 的命中率是相當(dāng)高的。對(duì)于沒(méi)有命中的指令或數(shù)據(jù)，CPU 只好再次訪問(wèn)內(nèi)存，這時(shí) CPU 將會(huì)浪費(fèi)更多的時(shí)間。

為了保證 CPU 訪問(wèn) Cache 時(shí)有較高的命中率，Cache 中的內(nèi)容一般按一定的算法進(jìn)行替換。較常用的算法有“最近最少使用算法”（LRU），它是將最近一段時(shí)間內(nèi)最少被訪問(wèn)過(guò)的 Cache 數(shù)據(jù)行淘汰出局。目前 CPU 高速緩存的命中率可達(dá)到 95%以上。

審核編輯：湯梓紅