限制CPU性能的條件分析

張宸瑜

（安陽(yáng)正一中學(xué)，安陽(yáng) 455000）

CPU是計(jì)算機(jī)重要的核心部件之一，它的外觀隨著科技的發(fā)展日見(jiàn)小巧，但性能卻越來(lái)越好。通過(guò)對(duì)限制CPU性能的條件進(jìn)行研究分析，能夠探索更好的CPU性能優(yōu)化路徑，能夠讓計(jì)算機(jī)得以更好發(fā)展，以下將從幾個(gè)方面對(duì)限制CPU性能的幾個(gè)因素進(jìn)行分析。

1 頻率

CPU的頻率是指CPU運(yùn)行其各項(xiàng)功能的工作效率。頻率包括主頻、外頻、倍頻三個(gè)部分。其中，主頻指的是CPU內(nèi)核運(yùn)行中所參照的時(shí)間頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度。因此，不能單純的將CPU主頻的速度理解為整體CPU的性能速度，我們只能將主頻的速度作為CPU性能表達(dá)的一部分來(lái)理解。在日常生活中，我們常見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)CPU技術(shù)參數(shù)233、300就是主頻速度的顯示。外頻是圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行的，即CPU的標(biāo)準(zhǔn)頻率，是CPU與主板之間連接配合運(yùn)行時(shí)的速度。外頻速度與接受來(lái)自計(jì)算機(jī)其它設(shè)備信息數(shù)據(jù)的能力有著直接關(guān)系，其速度越快，接受能力就越強(qiáng)，從而也就帶動(dòng)計(jì)算機(jī)整體運(yùn)行速度的提升。倍頻主要反應(yīng)的是CPU外頻與主頻運(yùn)行數(shù)據(jù)相差的倍數(shù)。

2 緩存容量

CPU的緩存方式分為內(nèi)部緩存和外部緩存。前者是指密封在CPU結(jié)構(gòu)內(nèi)部的高速緩存，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU運(yùn)算指令和數(shù)據(jù)的暫時(shí)性?xún)?chǔ)存，其讀取速度與主頻速度相同。KB是標(biāo)記內(nèi)部緩存容量大小的一般表示單位。后者是CPU結(jié)構(gòu)以外的高速緩存，其運(yùn)行速度和CPU運(yùn)行的頻率相同。

CPU所具備的內(nèi)部緩存容量越大，那么CPU在存取數(shù)據(jù)時(shí)與外部緩存產(chǎn)生的聯(lián)系就越少，這樣CPU的外部緩存功能就可以有空間去輔助計(jì)算機(jī)的其它設(shè)備的運(yùn)行功能，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度就會(huì)提高。CPU內(nèi)部緩存的運(yùn)行一般與CPU的整體運(yùn)行保持一致，其緩存容量的大小對(duì)CPU性能的發(fā)揮產(chǎn)生主要影響。CPU外部緩存也對(duì)CPU的性能的影響非常重要，主要在配合協(xié)調(diào)CPU與內(nèi)存之間的速度差異，使其兩者保持一種性能平穩(wěn)的狀態(tài)。外部緩存在CPU的設(shè)計(jì)制造中成本較高，因此，它的存在與否是決定CPU性能優(yōu)劣的標(biāo)志。

3 工作電壓因素

工作電壓指的是CPU在運(yùn)行中所需要的供給電壓保準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)在發(fā)展的最初階段一般需要5V的電壓來(lái)支持其運(yùn)行，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，到目前為止，CPU穩(wěn)定運(yùn)行所需要的電壓標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得有效的降低，甚至在1.1V的低壓條件下也能穩(wěn)定的運(yùn)行。工作電壓越高，CPU內(nèi)部的信號(hào)就越強(qiáng)，可以調(diào)整提高CPU性能的穩(wěn)定。但在高電壓條件下，CPU性能雖然得到最大的發(fā)揮，但也會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱和功耗較大的問(wèn)題，這也會(huì)影響CPU的使用壽命。

4 流水線的性能指標(biāo)

（1）流水線的吞吐率。在指令級(jí)流水線的運(yùn)轉(zhuǎn)中，吞吐率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，指的是在一定時(shí)間內(nèi)指令處理或結(jié)果輸出的數(shù)量。吞吐率的計(jì)算基本公式表達(dá)為：TP=n/Tk。式中，n代表任務(wù)總數(shù)量；Tk指的是完成任務(wù)總數(shù)量需要的時(shí)間。（2）流水線加速比。數(shù)量相同的任務(wù)處理，采用流水線的處理方式和不采用流水線的處理方式所用的時(shí)間之比，就稱(chēng)之為加速比。（3）流水線的效率。指令流水線內(nèi)對(duì)各設(shè)備的利用率也稱(chēng)之為流水線的效率，其效率的大小主要由時(shí)間和時(shí)空兩個(gè)因素決定。

5 CPU內(nèi)部總線方式

將計(jì)算機(jī)的所有寄存器的輸入端口和輸出端口進(jìn)行有效的連接，使之共同服務(wù)于內(nèi)部各設(shè)備的運(yùn)行，這是較為簡(jiǎn)單的總線方式，但是這種總線方式經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)CPU運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸功能發(fā)揮不穩(wěn)定，性能不兼容等問(wèn)題。在CPU的內(nèi)部總線方式上，采用一條線進(jìn)行各部件連接的為單線結(jié)構(gòu)，采用兩條以上的線進(jìn)行連接的，稱(chēng)為雙總線或多總線結(jié)構(gòu)。

6 CPU控制方式

6.1 同步控制方式

CPU運(yùn)行中獲得的指令不同，那么相應(yīng)的微操作和難易程度也有所不同，導(dǎo)致每一條指令的微操作對(duì)處理時(shí)間的需求也不盡相同。同步控制方式，指的是CPU運(yùn)行系統(tǒng)中存在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，全部的控制信號(hào)均由該時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)提供信號(hào)支持。在具體的設(shè)計(jì)制作中，有以下三種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）采用固定的機(jī)器周期。以最長(zhǎng)的微操作程序和最復(fù)雜的微操作標(biāo)準(zhǔn)作為最大數(shù)據(jù)參照，對(duì)其進(jìn)行完全的時(shí)間統(tǒng)一，即以相同時(shí)間間隔、數(shù)量相等的節(jié)拍作為機(jī)器周期來(lái)接收、處理各項(xiàng)指令。（2）采用較為靈活的機(jī)器周期。在這種方式下，對(duì)CPU內(nèi)部每個(gè)機(jī)器的節(jié)拍數(shù)設(shè)置數(shù)量可以不同。（3）采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法。前者主要用于對(duì)機(jī)器獲得的大部分指令被放置在同一個(gè)較短的機(jī)器時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行操作處理；后者則負(fù)責(zé)對(duì)復(fù)雜程度較高的指令內(nèi)容采用局部控制的方式進(jìn)行操作處理。

6.2 異步控制方式

該控制方式不需要采取調(diào)整時(shí)間、標(biāo)記信號(hào)的技術(shù)手段，各個(gè)機(jī)器按照自身的規(guī)則運(yùn)行，它們之間的有效聯(lián)系方式為產(chǎn)生應(yīng)答效果。這項(xiàng)技術(shù)手段能夠有效提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，但是內(nèi)部電路設(shè)計(jì)部較復(fù)雜，制作難度較高。

6.3 聯(lián)合控制方式

聯(lián)合控制是一種較為中庸的控制實(shí)現(xiàn)方式，該方式的控制原理為：對(duì)不同的指令的微操作既有同步控制方式的處理，又有異步控制方式的處理，其中，以同步控制方式的指令處理數(shù)量較多。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析限制CPU性能的條件，我們可以了解到更好的優(yōu)化CPU性能的路徑，能夠讓CPU性能得以充分發(fā)揮，能夠讓計(jì)算機(jī)的運(yùn)行越來(lái)越迅捷。我們還需要將所學(xué)習(xí)的知識(shí)融入到計(jì)算機(jī)的計(jì)算和應(yīng)用之中，為計(jì)算機(jī)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。