限制CPU性能的條件分析

張宸瑜

（安陽正一中學(xué)，安陽 455000）

CPU是計算機(jī)重要的核心部件之一，它的外觀隨著科技的發(fā)展日見小巧，但性能卻越來越好。通過對限制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，能夠讓計算機(jī)得以更好發(fā)展，以下將從幾個方面對限制CPU性能的幾個因素進(jìn)行分析。

1 頻率

CPU的頻率是指CPU運行其各項功能的工作效率。頻率包括主頻、外頻、倍頻三個部分。其中，主頻指的是CPU內(nèi)核運行中所參照的時間頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度。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)的一部分來理解。在日常生活中，我們常見到的計算機(jī)CPU技術(shù)參數(shù)233、300就是主頻速度的顯示。外頻是圍繞計算機(jī)系統(tǒng)總線路的設(shè)計運行的，即CPU的標(biāo)準(zhǔn)頻率，是CPU與主板之間連接配合運行時的速度。外頻速度與接受來自計算機(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)，從而也就帶動計算機(jī)整體運行速度的提升。倍頻主要反應(yīng)的是CPU外頻與主頻運行數(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，用于實現(xiàn)對CPU運算指令和數(shù)據(jù)的暫時性儲存，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，其運行速度和CPU運行的頻率相同。

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算機(jī)的其它設(shè)備的運行功能，相應(yīng)的計算機(jī)運行速度就會提高。CPU內(nèi)部緩存的運行一般與CPU的整體運行保持一致，其緩存容量的大小對CPU性能的發(fā)揮產(chǎn)生主要影響。CPU外部緩存也對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在運行中所需要的供給電壓保準(zhǔn)。計算機(jī)在發(fā)展的最初階段一般需要5V的電壓來支持其運行，隨著計算機(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)定的運行。工作電壓越高，CPU內(nèi)部的信號就越強(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，但也會導(dǎo)致發(fā)熱和功耗較大的問題，這也會影響CPU的使用壽命。

4 流水線的性能指標(biāo)

（1）流水線的吞吐率。在指令級流水線的運轉(zhuǎn)中，吞吐率是一項重要的指標(biāo)，指的是在一定時間內(nèi)指令處理或結(jié)果輸出的數(shù)量。吞吐率的計算基本公式表達(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間之比，就稱之為加速比。（3）流水線的效率。指令流水線內(nèi)對各設(shè)備的利用率也稱之為流水線的效率，其效率的大小主要由時間和時空兩個因素決定。

5 CPU內(nèi)部總線方式

將計算機(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)備的運行，這是較為簡單的總線方式，但是這種總線方式經(jīng)常會出現(xiàn)CPU運算、數(shù)據(jù)傳輸功能發(fā)揮不穩(wěn)定，性能不兼容等問題。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處理時間的需求也不盡相同。同步控制方式，指的是CPU運行系統(tǒng)中存在一個統(tǒng)一的時間計算標(biāo)準(zhǔn)，全部的控制信號均由該時間標(biāo)準(zhǔn)提供信號支持。在具體的設(shè)計制作中，有以下三種實現(xiàn)方式：

（1）采用固定的機(jī)器周期。以最長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，對其進(jìn)行完全的時間統(tǒng)一，即以相同時間間隔、數(shù)量相等的節(jié)拍作為機(jī)器周期來接收、處理各項指令。（2）采用較為靈活的機(jī)器周期。在這種方式下，對CPU內(nèi)部每個機(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。前者主要用于對機(jī)器獲得的大部分指令被放置在同一個較短的機(jī)器時間范圍內(nèi)進(jìn)行操作處理；后者則負(fù)責(zé)對復(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)整時間、標(biāo)記信號的技術(shù)手段，各個機(jī)器按照自身的規(guī)則運行，它們之間的有效聯(lián)系方式為產(chǎn)生應(yīng)答效果。這項技術(shù)手段能夠有效提升計算機(jī)的運行速度，但是內(nèi)部電路設(shè)計部較復(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現(xiàn)方式，該方式的控制原理為：對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

通過分析限制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，能夠讓計算機(jī)的運行越來越迅捷。我們還需要將所學(xué)習(xí)的知識融入到計算機(jī)的計算和應(yīng)用之中，為計算機(jī)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。