1、計算機(jī)硬件的五大單元

輸入單元、 輸出單元、CPU 內(nèi)部的控制單元、算數(shù)邏輯單元與內(nèi)存五大部分

2、一切設(shè)計的起點(diǎn)： CPU 的架構(gòu)

CPU 其實(shí)內(nèi)部已經(jīng)含有一些微指令，我們所使用的軟件都要經(jīng)過 CPU 內(nèi)部的微指令集來達(dá)成才行。 那這些指令集的設(shè)計主要又被分為兩種設(shè)計理念，這就是目前世界上常見到的兩種主要 CPU 架構(gòu)， 分別是：精簡指令集 （RISC） 與復(fù)雜指令集 （CISC） 系統(tǒng)。下面我們就來談?wù)勥@兩種不同 CPU 架構(gòu)的差異啰！

3、精簡指令集 （Reduced Instruction Set Computer, RISC）

這種 CPU 的設(shè)計中，微指令集較為精簡，每個指令的執(zhí)行時間都很短，完成的動作也很單純，指令的執(zhí)行性能較佳； 但是若要做復(fù)雜的事情，就要由多個指令來完成。常見的 RISC微指令集 CPU 主要例如甲骨文 （Oracle） 公司的 SPARC 系列、 IBM 公司的 Power Architecture （包括 PowerPC） 系列、與安謀公司 （ARM Holdings） 的 ARM CPU 系列等。在應(yīng)用方面，SPARC CPU 的電腦常用于學(xué)術(shù)領(lǐng)域的大型工作站中，包括銀行金融體系的主要服務(wù)器也都有這類的電腦架構(gòu)； 至于PowerPC架構(gòu)的應(yīng)用上，例如索尼（Sony）公司出產(chǎn)的Play Station 3（PS3）就是使用PowerPC架構(gòu)的Cell處理器； 那安謀的 ARM 呢？你常使用的各廠牌手機(jī)、PDA、導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換器、路由器等）等，幾乎都是使用 ARM架構(gòu)的 CPU 喔！ 老實(shí)說，目前世界上使用范圍最廣的 CPU 可能就是 ARM 這種架構(gòu)的呢！

4、復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer, CISC）

與RISC不同的，CISC在微指令集的每個小指令可以執(zhí)行一些較低階的硬件操作，指令數(shù)目多而且復(fù)雜， 每條指令的長度并不相同。因?yàn)橹噶顖?zhí)行較為復(fù)雜所以每條指令花費(fèi)的時間較長， 但每條個別指令可以處理的工作較為豐富。常見的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架構(gòu)的CPU。由于AMD、Intel、VIA所開發(fā)出來的x86架構(gòu)CPU被大量使用于個人電腦（Personal computer）用途上面， 因此，個人電腦常被稱為x86架構(gòu)的電腦！那為何稱為x86架構(gòu)[8]呢？這是因?yàn)樽钤绲哪穷wIntel發(fā)展出來的CPU代號稱為8086，后來依此架構(gòu)又開發(fā)出80286,80386…， 因此這種架構(gòu)的CPU就被稱為x86架構(gòu)了。在2003年以前由Intel所開發(fā)的x86架構(gòu)CPU由8位升級到16、32位，后來AMD依此架構(gòu)修改新一代的CPU為64位， 為了區(qū)別兩者的差異，因此64位的個人電腦CPU又被統(tǒng)稱為x86_64的架構(gòu)喔！

Tips: 所謂的位指的是CPU一次數(shù)據(jù)讀取的最大量！64位CPU代表CPU一次可以讀寫64bits這么多的數(shù)據(jù)，32位CPU則是CPU一次只能讀取32位的意思。 因?yàn)镃PU讀取數(shù)據(jù)量有限制，因此能夠從內(nèi)存中讀寫的數(shù)據(jù)也就有所限制。所以，一般32位的CPU所能讀寫的最大數(shù)據(jù)量，大概就是4GB左右。

那么不同的x86架構(gòu)的CPU有什么差異呢？除了CPU的整體結(jié)構(gòu)（如第二層高速緩存、每次運(yùn)行可執(zhí)行的指令數(shù)等）之外， 主要是在于微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先進(jìn)的微指令集， 這些微指令集可以加速多媒體程序的運(yùn)行，也能夠加強(qiáng)虛擬化的性能，而且某些微指令集更能夠增加能源效率， 讓CPU耗電量降低呢！由于電費(fèi)越來越高，購買電腦時，除了整體的性能之外， 節(jié)能省電的CPU特色也可以考慮喔！

5、例題：最新的Intel/AMD的x86架構(gòu)中，請查詢出多媒體、虛擬化、省電功能各有哪些重要的 微指令集？（僅供參考）

答：

• 多媒體微指令集：MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, AMD-3DNow!
• 虛擬化微指令集：Intel-VT, AMD-SVM
• 省電功能：Intel-SpeedStep, AMD-PowerNow!
• 64/32位相容技術(shù)：AMD-AMD64, Intel-EM64T

6、其他單元的設(shè)備

五大單元中最重要的控制、算術(shù)邏輯被整合到 CPU 的封裝中，但系統(tǒng)當(dāng)然不可能只有 CPU?。∧瞧渌齻€重要電腦單元的設(shè)備還有哪些呢？ 其實(shí)在主機(jī)機(jī)箱內(nèi)的設(shè)備大多是通過主板（main board） 連接在一塊，主板上面有個鏈接溝通所有設(shè)備的芯片組，這個芯片組可以將
所有單元的設(shè)備鏈接起來， 好讓 CPU 可以對這些設(shè)備下達(dá)命令。其他單元的重要設(shè)備主要有：

• 系統(tǒng)單元：系統(tǒng)單元包括 CPU 與內(nèi)存及主板相關(guān)元件。而主板上頭其實(shí)還有很多的連接接口與相關(guān)的適配卡，包括鳥哥近期常使用的 PCI-E 10G 網(wǎng)卡、 磁盤陣列卡、還有顯卡等等。尤其是顯卡，這東西對于玩3D游戲來說是非常重要的一環(huán)，他與顯示的精致度、色彩與分辨率都有關(guān)系。
• 存儲單元：包括內(nèi)存 （main memory, RAM） 與輔助內(nèi)存，其中輔助內(nèi)存其實(shí)就是大家常聽到的“儲存設(shè)備”啰！包括硬盤、軟盤、光盤、磁帶等等的。 輸入、輸出單元：同時涵蓋輸入輸出的設(shè)備最常見的大概就是觸摸屏了。至于單純的輸入設(shè)備包括前面提到的鍵盤鼠標(biāo)之外，目前的體感設(shè)備也是重要的輸入設(shè)備喔！ 至于輸 出設(shè)備方

7、Intel芯片架構(gòu)

由于主板是鏈接各元件的一個重要項(xiàng)目，因此在主板上面溝通各部元件的芯片組設(shè)計優(yōu)劣，就會影響性能不少喔！早期的芯片組通常分為兩個橋接器來控制各元件的溝通， 分別是：
（1）北橋：負(fù)責(zé)鏈接速度較快的CPU、內(nèi)存與顯卡接口等元件；
（2）南橋：負(fù)責(zé)連接速度較慢的設(shè)備接口， 包括硬盤、USB、網(wǎng)卡等等。

8、執(zhí)行腦袋運(yùn)算與判斷的 CPU

由于CPU負(fù)責(zé)大量運(yùn)算，因此CPU通常是具有相當(dāng)高發(fā)熱量的元件。所以如果你曾經(jīng)拆開過主板， 應(yīng)該就會看到CPU上頭通常會安插一顆風(fēng)扇來主動散熱的。x86個人電腦的CPU主要供應(yīng)商為Intel與AMD，目前（2015）主流的CPU都是雙核以上的架構(gòu)了！ 原本的單核心CPU僅有一個運(yùn)算單元，所謂的多核心則是在一顆CPU封裝當(dāng)中嵌入了兩個以上的運(yùn)算核心， 簡單的說，就是一個實(shí)體的CPU外殼中，含有兩個以上的CPU單元就是了。
不同的CPU型號大多具有不同的腳位（CPU上面的插腳），能夠搭配的主板芯片組也不同，所以當(dāng)你想要將你的主機(jī)升級時，不能只考慮CPU，你還得要留意你的主板上面所支持的CPU型號喔！ 不然買了最新的CPU也不能夠安插在你的舊主板上頭的！目前主流的CPU有
Intel的 i3/i5/i7 系列產(chǎn)品中，甚至先后期出廠的類似型號的腳位也不同， 例如 i7-2600 使用LGA1155 腳位而 i7-4790 則使用 FCLGA1150 腳位，挑選時必須要很小心喔！我們前面談到CPU內(nèi)部含有微指令集，不同的微指令集會導(dǎo)致CPU工作效率的優(yōu)劣。除了這點(diǎn)之外， CPU性能的比較還有什么呢？那就是CPU的頻率了！什么是頻率呢？簡單的說， 頻率就是CPU每秒鐘可以進(jìn)行的工作次數(shù)。 所以頻率越高表示這顆CPU單位時間內(nèi)可以作更多的事情。舉例來說，Intel的 i7-4790 CPU頻率為3.6GHz， 表示這顆CPU在一秒內(nèi)可以進(jìn)行3.6x109次工作，每次工作都可以進(jìn)行少數(shù)的指令運(yùn)行之意。

Tips 注意，不同的CPU之間不能單純的以頻率來判斷運(yùn)算性能喔！這是因?yàn)槊款wCPU的微指令集不相同，架構(gòu)也不見得一樣，可使用的第二層高速緩存及其計算機(jī)制可能也不同， 加上每次頻率能夠進(jìn)行的工作指令數(shù)也不同！所以，頻率目前僅能用來比較同款CPU的速度！

9、CPU的工作頻率：外頻與倍頻

早期的 CPU 架構(gòu)主要通過北橋來鏈接系統(tǒng)最重要的 CPU、內(nèi)存與顯卡設(shè)備。因?yàn)樗械脑O(shè)備都得通過北橋來鏈接，因此每個設(shè)備的工作頻率應(yīng)該要相同。 于是就有所謂的前端總線（FSB） 這個東西的產(chǎn)生。但因?yàn)?CPU 的運(yùn)算速度比其他的設(shè)備都要來的快，又為了要滿足FSB 的頻率，因此廠商就在 CPU 內(nèi)部再進(jìn)行加速， 于是就有所謂的外頻與倍頻了。

總結(jié)來說，在早期的 CPU 設(shè)計中，所謂的外頻指的是CPU與外部元件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時的速度，倍頻則是 CPU 內(nèi)部用來加速工作性能的一個倍數(shù)， 兩者相乘才是CPU的頻率速度。例如 Intel Core 2 E8400 的內(nèi)頻為 3.0GHz，而外頻是333MHz，因此倍頻就是9倍啰?。?.0G=333Mx9, 其中1G=1000M）

10、CPU超頻

• 很多計算機(jī)硬件玩家很喜歡玩“超頻”，所謂的超頻指的是： 將CPU的倍頻或者是外頻通過主板的設(shè)置功能更改成較高頻率的一種方式。但因?yàn)镃PU的倍頻通常在出廠時已經(jīng)被鎖定而無法修改，因此較常被超頻的為外頻。
• 舉例來說，像上述3.0GHz的CPU如果想要超頻，可以將他的外頻333MHz調(diào)整成為400MHz，但如此一來整個主板的各個元件的運(yùn)行頻率可能都會被增加成原本的1.333倍（4/3），雖然CPU可能可以到達(dá)3.6GHz，但卻因?yàn)轭l率并非正常速度，故可能會造成死機(jī)等問題。但如此一來所有的數(shù)據(jù)都被北橋卡死了，北橋又不可能比CPU 更快，因此這家伙常常是系統(tǒng)性能的瓶頸。
• 為了解決這個問題，新的 CPU 設(shè)計中， 已經(jīng)將內(nèi)存控制器整合到 CPU 內(nèi)部，而鏈接 CPU 與內(nèi)存、顯卡的控制器的設(shè)計，在Intel部份使用 QPI （QuickPathInterconnect） 與 DMI 技術(shù)，而 AMD 部份則使用 Hyper Transport 了，這些技術(shù)都可以讓CPU 直接與內(nèi)存、顯卡等設(shè)備分別進(jìn)行溝通，而不需要通過外部的鏈接芯片了。
• 因?yàn)楝F(xiàn)在沒有所謂的北橋了 （整合到 CPU 內(nèi)），因此，CPU 的頻率設(shè)計就無須考慮得要同步的外頻，只需要考慮整體的頻率即可。所以，如果你經(jīng)常有查閱自己 CPU 頻率的習(xí)慣，當(dāng)使用 cpu-z這個軟件時，應(yīng)該會很驚訝的發(fā)現(xiàn)到，怎么外頻變成 100MHz而倍頻可以到達(dá) 30 以上！相當(dāng)有趣呢！

Tips 現(xiàn)在 Intel 的 CPU 會主動幫你超頻喔！例如 i7-4790 這顆 CPU 的規(guī)格 [10] 中，基本頻率為 3.6GHz，但是最高可自動超頻到 4GHz 喔！ 通過的是 Intel 的 turbo 技術(shù)。同時，如果你沒有大量的運(yùn)算需求，該 CPU 頻率會降到 1.xGHz 而已，借此達(dá)到節(jié)能省電的目的！所以，各位好朋友， 不需要自己手動超頻了！Intel 已經(jīng)自動幫你進(jìn)行超頻了…所以，如果你用cpu-z 觀察 CPU 頻率，發(fā)現(xiàn)該頻率會一直自動變動，很正常！你的系統(tǒng)沒壞掉！

11、32位與64位的CPU與總線“寬度”

• 從前面的簡易說明中，我們知道 CPU 的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通通得要來自于內(nèi)存。因此，如果內(nèi)存能提 供給 CPU的數(shù)據(jù)量越大的話，當(dāng)然整體系統(tǒng)的性能應(yīng)該也會比較快！ 那如何知道內(nèi)存能提 供的數(shù)據(jù)量呢？此時還是得要借由 CPU 內(nèi)的內(nèi)存控制芯片與內(nèi)存間的傳輸速度“前端總線速 度（Front Side Bus, FSB） 來說明。
• 與 CPU 的頻率類似的，內(nèi)存也是有其工作的頻率，這個頻率限制還是來自于 CPU 內(nèi)的內(nèi)存 控制器所決定的。以圖0.2.1 為例， CPU內(nèi)置的內(nèi)存控制芯片對內(nèi)存的工作頻率最高可達(dá)到 1600MHz。這只是工作頻率（每秒幾次）。一般來說，每次頻率能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，大多為 64位，這個 64 位就是所謂的“寬度”了！ 因此，在圖0.2.1 這個系統(tǒng)中，CPU可以從內(nèi)存中取 得的最快帶寬就是 1600MHz
  64bit = 1600MHz 8 Bytes = 12.8GByte/s。
• 與總線寬度相似的，CPU每次能夠處理的數(shù)據(jù)量稱為字組大小（word size）， 字組大小依據(jù)CPU的設(shè)計而有32位與64位。我們現(xiàn)在所稱的電腦是32或64位主要是依據(jù)這個 CPU解析的字組大小而來的！早期的32位CPU中，因?yàn)镃PU每次能夠解析的數(shù)據(jù)量有限， 因此由內(nèi)存?zhèn)鱽淼臄?shù)據(jù)量就有所限制了。這也導(dǎo)致32位的CPU最多只能支持最大到4GBytes的內(nèi)存。

Tips 得利于北橋整合到 CPU 內(nèi)部的設(shè)計，CPU 得以“個別”跟各個元件進(jìn)行溝通！因此，每種元件與 CPU 的溝通具有很多不同的方式！例如內(nèi)存使用系統(tǒng)總線帶寬來與 CPU 溝通。而顯卡則通過PCI-E的序列信道設(shè)計來與CPU溝通喔！詳細(xì)說明我們在本章稍后的主板部份再來談?wù)劇?/strong>