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广州IT外包科普:CPU主频究竟是什么?

2017-10-26 22:01:44      点击:
广州IT外包 www.pc626.com报道:在日常装机中,大家挑选CPU处理器的时候,无非是先看看这块CPU有多少个物理核心,是否支持超线程技术,以intel为例就决定了你选择i7、i5还是i3系列;再细分一些就需要考虑CPU的频率高低问题,这个就直接决定选购的具体型号。那么我们平常总会说这款intel Core i3-8350k默频是4GHz,这个AMD锐龙3 1300X默频为3.5GHz,那么这个CPU频率真的就是CPU的运行速度了吗?它是由什么来决定呢?
Intel、AMD在发布新CPU的时候总会公布其的基础频率,其实这个频率多少多少GHz,其实指的是CPU内部的数字时钟信号频率,又称为时钟频率,因此它并不能代表CPU的真实性能水平,4GHz的CPU不一定就比3GHz的强,至少我们不能一概而论。但是时钟频率的高低确实关系到一个CPU的运算速度,频率越高意味着运算的速度越快?那么4GHz频率是有多快呢?
频率的概念
在CPU这个复杂的数字系统中,为了确保内部所有硬件单元能够协同快速工作,CPU架构工程师们往往会设计一套时钟信号与系统同步进行操作。时钟信号是由一系列的脉冲信号构成,并且总是按一定电压幅度、时间间隔连续发出的方波信号,它周期性地在0与1之间往复变化。如下图所示。
Intel、AMD在发布新CPU的时候总会公布其的基础频率,其实这个频率多少多少GHz,其实指的是CPU内部的数字时钟信号频率,又称为时钟频率,因此它并不能代表CPU的真实性能水平,4GHz的CPU不一定就比3GHz的强,至少我们不能一概而论。但是时钟频率的高低确实关系到一个CPU的运算速度,频率越高意味着运算的速度越快?那么4GHz频率是有多快呢?
频率的概念
在CPU这个复杂的数字系统中,为了确保内部所有硬件单元能够协同快速工作,CPU架构工程师们往往会设计一套时钟信号与系统同步进行操作。时钟信号是由一系列的脉冲信号构成,并且总是按一定电压幅度、时间间隔连续发出的方波信号,它周期性地在0与1之间往复变化。如下图所示。
在第一脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔称之为周期,它的单位是秒(s)。但单位时间1s内所产生的脉冲个数称之为频率,频率的最基本计量单位就是赫兹Hz。
时钟频率(f)与周期(T)两者互为倒数:f=1/T
这个公式表明的就是频率表示时钟在1秒钟内重复的次数,而目前的CPU普遍已经处于GHz级,也就是说每秒钟产生10亿个脉冲信号。
CPU处理器主频
以Intel Core i3-8350k为例,它的默频是4GHz,意味着它内部时钟频率为4GHz,一秒钟可以产生40亿个脉冲信号,换句话说每一个脉冲信号仅仅用时0.25ns(时钟周期)。这是多么令人震惊的时钟,可以想象到CPU内部结构是多么精妙,可以处理如此之短的信号,整套系统协同有序地运行,所以才会说CPU是全人类智慧的结晶,极大地提升了我们的科技水平进步。
时钟周期作为CPU操作的最小时间单位,内部的所有操作都是以这个时钟周期作为基准。一般来说CPU都是以时钟脉冲的上升沿作为执行指令的基准,频率越高,CPU执行的指令数越多,工作速度越快。
那么CPU频率是由什么决定的呢?其实这个是一个非常复杂的问题,因为决定这个频率是一个系统学的东西,影响到频率高度的因素非常之多,诸如CPU的架构、流水线设计、内部寄存器设计、支持的指令甚至是功耗、温度这些物理因素,所以说CPU出厂频率就是综合多种考虑,以木桶效应下的最小值作为CPU的最高频率。
那我们现在的CPU主频为什么会变呢?
而拥有Turbo Boost技术的CPU每一个核心都有自己的PLL(Phase Locked Loop,锁相环)电路,这样每个核心的电压和频率都可以独立控制,为此Intel专门在CPU内部设计了PCU(Power Control Unit,功耗控制)单元,PCU会以1ms(每秒1000次)的速度实时监测这四个核心的温度、电流及功耗等参数,因此又有Turbo Boost频率可以根据负载需要调整CPU的频率。同时由于参与到运算的核心数越多,控制起来就更为复杂,所以一般核心数目越多,能达到最高频率越低。
外频
CPU在诞生后不久,各大CPU巨头为了追求高性能,开启了频率大战(有没有效果这个我们先不提),但是这样一来,CPU虽然跑得更换了(主频更高),但是外部的主板芯片组、内存、外部接口(PCIe、Sata)可还是处于旧有标准,而且这些设备的运行频率早就固定下来了,并且远低于CPU工作频率。这样一来CPU就无法很好与之交流,Intel就机智地提出了倍频的概念(下面讲述),并且提出了影响至今的一个CPU主频计算公式:主频=外频 X 倍频,外频的提出可以让主板外部的设备工作在较低的频率下,并且还能正确地CPU进行交流。
但总是有很多网友将前端总线频率和外频混为一谈,其实他们不太一样。在以前有北桥的时代,前端总线是CPU总线接口单元和北桥芯片之间的数据交换通道,曾经在AMD雷鸟系列、Intel奔腾 4处理器以前,前端总线与外频是一致的,但后来有了四倍数据传输率技术或者是八倍数据传输率技术,前端总线频率就极大地提高了。举个例子,如果一个处理器的频率是2GHz,外频为100MHz,使用四倍数据传输率技术时,前端总线频率就变成400MHz;如果是八倍,那么就是800MHz。前端总线频率越大, 代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大, 更能充分发挥出CPU的功能。
目前处理器的默认外频基本上都是100MHz倍频目前的CPU设计的外频都相当低,只有100MHz,CPU要获得更快运算速度,我们就需要获得一个超高速的频率来支撑更快运算速度。而CPU通常就是在内部设计有一个锁相环频率发生器,对于输入的时钟信号进行分频处理,按照一定比例提高输入的外频频率,从而得到CPU的实际工作频率,这个比例就称之为倍频系数(简称倍频)。