计算机维护教程：CPU性能指标及其影响

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：CPU 性能的高低已成为用户衡量计算机性能高低的一个重要指标。CPU 的性能指标主要有主频、外频、倍频、字长、寻址空间、缓存、扩展指令、制造工艺等几项。实际上，CPU 主频与CPU 的实际运算能力并无直接的关系。

CPU 因为在计算机系统中的核心地位而经常被用户作为计算机的代名词。CPU 性能的高低已成为用户衡量计算机性能高低的一个重要指标。

CPU 的性能指标主要有主频、外频、倍频、字长、寻址空间、缓存、扩展指令、制造工艺等几项。

1.主频

CPU 的主频又叫CPU 的时钟频率，即CPU 正常工作时在一个单位时钟周期内完成的指令数。从理论上讲，主频越高，运算速度越快。因为主频越高，单位时钟周期内完成的指令数就越高，速度也就越快。但这也不是绝对的。实际上，CPU 主频与CPU 的实际运算能力并无直接的关系。因为CPU 内部结构的差异，如缓存的大小，指令集等方面的不同，就会出现相同主频的CPU 运算速度有差异的现象。

2.外频与前端总线（FSB）频率线

外频的概念是建立在数字脉冲震荡信号基础上的，即100 MHz 外频指的就是数字脉冲信号在每秒钟震荡一亿次。外频影响PCI 及其他总线频率。FSB（Front Side Bus，前端总线）频率指的是CPU 与北桥芯片之间总线的速度，即数据带宽。数据传输带宽取决于同时传输的数据宽度和总线频率，即

数据带宽=（总线频率×数据宽度）÷8

目前，PC 机上所能达到的前端总线频率有266 MHz、333 MHz、400 MHz、533 MHz、800 MHz、1 333 MHz 等几种。

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，100 MHz 外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100 MHz 前端总线频率指的是CPU 可接收的数据传输量是100 MHz×64 bit÷8=800 MB/s。

3.倍频

随着计算机的发展，CPU 主频也越来越高。与此同时，计算机的其他一些部件，如显卡、硬盘、内存等却因受到制造工艺的限制跟不上CPU 如此之高的工作频率。这样就产生了一种速度上的“瓶颈”，从而限制了CPU 主频的进一步提高，为解决这个问题，人们引入了倍频技术。倍频表示主频与外频之间的倍数，通过一个计算公式可以表示主频、外频和倍频三者之间的关系：主频=外频*倍频。引入倍频技术就可以让CPU 和其他部件以不同的频率进行工作。

4.字长(www.chuimin.cn)

字长是指CPU 与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次所能交换的二进制位数。位数越多，处理数据的速度就越快。字长就好比一条公路的宽度，道路越宽，车流量就会越大。

5.寻址空间

寻址空间由地址总线宽度决定，它规定了CPU 可以访问的物理内存的地址空间大小，即CPU 能够识别和使用内存的容量。

6.高速缓存

高速缓存也称为高速缓冲存储器，是可以进行快速数据存取的存储器，其速度远远高于内存。高速缓存的出现是源于CPU 在完成指令操作时，需要频繁的和内存交换数据，而内存的速度远远低于CPU 的速度，这样就造成了一种系统“瓶颈”的现象，CPU 在处理指令时大多数的时间在等待内存处理完毕，这种等待极大地浪费了CPU 资源。为解决这个问题，人们在CPU 内部集成了高速缓存，它的工作频率与CPU 完全同步。一般将高速缓存分为两类：一级缓存（Level 1 Cache）、二级缓存（Level 2 Cache）和三级缓存（Level 3 Cache）。一级缓存，位于CPU 内核的旁边，是与CPU 结合最为紧密的CPU 缓存，也是历史上最早出现的CPU 缓存。二级缓存，主要用来存放计算机运行时操作系统的指令、程序数据和地址指针等数据，容量越大，系统的速度越快，因此Intel 与AMD 公司都尽最大可能加大L2 缓存的容量，并使其与CPU 在相同频率下工作。三级缓存，分为早期的外置和现在的内置两种。实际作用是可以进一步降低内存延迟，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，对运行大型场景文件处理很有帮助。

7.扩展指令集

在CPU 中增加扩展指令集是为了增加CPU 处理多媒体和3D 图形方面的应用能力。目前主要的扩展指令集有MMX（多媒体扩展指令集）、SSE（单指令多数据流扩展集）、3Dnow！和增强版3Dnow！指令集。前两种指令集是由Intel 研发的，后两种是由AMD研发的。

8.制造工艺

CPU 的制造工艺是指CPU 内电路与电路之间的距离，趋势是向密集度愈高的方向发展，密度愈高的电路设计，意味着在同样大小面积的产品中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。CPU 的制造工艺（也叫作CPU 制程）直接关系到CPU 的电气性能。现在主流CPU 的制作工艺为45 nm（纳米）、32 nm、22 nm 和14 nm。CPU 制作工艺的纳米数越小，同等面积下晶体管数量越多，工作能力越强大，相对功耗越低，更适合在较高的频率下运行，所以也更适合超频。

9.工作电压

CPU 的工作电压分为内核电压和I/O 电压两种，通常CPU 的内核电压小于等于I/O电压。内核电压的大小是根据CPU 的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O 电压一般都在1.2~5 V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。

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