CPU缓存和中央处理器

快捷方式: 差异，相似，杰卡德相似系数，参考。

CPU缓存和中央处理器之间的区别

CPU缓存 vs. 中央处理器

在计算机系统中，CPU高速缓存（CPU Cache，在本文中简称缓存）是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。 当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。 缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。 在处理器看来，缓存是一个透明部件。因此，程序员通常无法直接干预对缓存的操作。但是，确实可以根据缓存的特点对程序代码实施特定优化，从而更好地利用缓存。. 中央处理器 （Central Processing Unit，缩写：CPU），是计算机的主要设备之一，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。中央处理器、内部存储器和输入／输出设备是现代电脑的三大核心部件。1970年代以前，中央处理器由多个独立单元构成，后来发展出由集成电路制造的中央处理器，這些高度收縮的元件就是所謂的微处理器，其中分出的中央处理器最為复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元。 中央处理器廣義上指一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。这个空泛的定义很容易地将在“CPU”这个名称被普遍使用之前的早期计算机也包括在内。无论如何，至少从1960年代早期开始，这个名称及其缩写已开始在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比，“中央处理器”在物理形态、设计制造和具体任务的执行上有了极大的发展，但是其基本的操作原理一直没有改变。 早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是，这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集成电路的出现而加速。IC使得更为复杂的中央处理器可以在很小的空间中设计和制造（在微米的數量级）。中央处理器的标准化和小型化都使得这一类数字设备和電子零件在现代生活中的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器出现在包括从汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。.

奔腾4

奔騰4（Pentium 4，或簡称奔4或P4），Intel生產的第七代x86微處理器，是繼1995年出品的第六代P6架构Pentium Pro之後第一款重新設計過的處理器，這一新的架構稱做NetBurst，（此前的Pentium II、Pentium III及相应各版本的Celeron仍旧属于P6架构）。Pentium 4首款產品工程代号為：Willamette，拥有1.4GHz左右的核心時脈，并使用Socket 423腳位架構，于2000年11月发布。值得注意的是，Pentium 4有著非常快速到400MHz的前端匯流排，之後更有提升到533MHz、800MHz，它其實是一個100MHz时钟频率的四倍数据速率（QDR）前端匯流排，因此数据传输速率为4×100MHz。相应的，Pentium 4前期的竞争对手AMD Athlon处理器采用双倍数据输率（DDR）前端匯流排，拥有266MHz或333MHz的数据传输速率（2×133MHz、2×166MHz）。 令业界观察人士感到意外的是，NetBurst架构的Pentium 4在“每周期整数处理能力”和“每周期浮点处理能力”这两个重要性能上比前一代的P6架构不升反降。它通过牺牲每个周期的性能以实现非常高的--和SSE性能。与英特尔的传统保持一致的是，Pentium 4也有低端Celeron〔通常称为Celeron 4〕及Celeron D版本和用于SMP配置的高端Xeon〔至強〕版本。 Pentium 4的设计目标是适应更快的时钟速度，因为消费者开始依据更高的時脈购买電腦。在这方面Pentium 4是一个经典的市场驱动技术的范例。这很快就推动超微半導體（AMD）的“时钟频率神话运动”。英特尔使用一个特别长的指令流水线来实现这个目标，同Pentium III和Athlon那样的传统x86 CPU相比，Pentium 4降低了每个时钟周期的处理能力，但是它能够以更高的时钟速度工作。AMD則採用所謂的PR值來標示與Pentium 4相對應的Athlon XP處理器。 英特尔在發表Pentium 4時向大眾宣布说，NetBurst架構能夠運行在10GHz。然而，NetBurst架构在3.8GHz便遇到提升制程也无法解决的高功耗问题。这迫使英特尔在2005年年中放弃NetBurst，并转向升温更少的Pentium M，祭出“MoDT ('''M'''obile '''o'''n '''D'''esk'''T'''op)”的旗帜；并由此发展处Intel Core微架构取代NetBurst。.

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字 (计算机)

在電腦领域，对于某种特定的计算机设计而言，字（word）是用于表示其自然的数据单位的术语，而在台灣這個術語稱作「字組」，以與字的原意區別。在这个特定電腦中，字是其用来一次性处理事务的一个固定长度的位（bit）组。一个字的位数（即字长）是電腦系统结构中的一个重要特性。 字长在计算机结构和操作的多个方面均有体现。電腦中大多数寄存器的大小是一个字长。電腦处理的典型数值也可能是以字长为单位。CPU和内存之间的数据传送单位也通常是一个字长。还有而内存中用于指明一个存储位置的地址也经常是以字长为单位的。 现代電腦的字长通常为16、32、64位。其他曾经使用过的字长有：8、9、12、18、24、36、39、40、48、60位；slab是早期的另一个字长实例。某些最早期的電腦是十进制的而不是二进制的，通常拥有10位或者12位的十进制数字作为字长，还有一些早期的電腦根本就没有固定字长。 有时候字长被定义为某个特定值是为了与早期的電腦保持兼容。现在个人電腦中最通用的微处理器（例如：Intel的Pentium系列和AMD的Athlon系列）就是一个例子。它们中的IA-32构架是早期的具有16位字长的Intel 8086构架的扩展。而IA-32处理器仍然支持8086（x86）程序，所以在IA-32中，“字”的含义仍然为16位，尽管事实上它运行起来（特别是当默认操作数为32位时）更像一台32位電腦。类似地，在更新型的x86-64构架中，“字”仍然是16位的，虽然64位操作数更为常见。.

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定址空間

定址--空間（Address space），又稱為位址--空間、地址--空間，定義了某個範圍內的離散位址，這些位址可能分別對應到某個網路節點、周邊裝置、磁區或是某個實體或是邏輯裝置等等。.

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寄存器

寄存器（Register），是中央處理器內的其中組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計數器。在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器。 在電腦架構裡，處理器中的暫存器是少量且速度快的電腦記憶體，藉由提供快速共同地存取數值來加速電腦程式的執行：典型地說就是在已知時間點所作的之計算中間的數值。 暫存器是記憶體階層中的最頂端，也是系統操作資料的最快速途徑。暫存器通常都是以他們可以保存的位元數量來估量，舉例來說，一個8位元暫存器或32位元暫存器。暫存器現在都以暫存器陣列的方式來實作，但是他們也可能使用單獨的正反器、高速的核心記憶體、薄膜記憶體以及在數種機器上的其他方式來實作出來。 這個名詞通常都用來意指由一個指令之輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。更適當的是稱他們為「架構暫存器」。例如，x86指令集定義八個32位元暫存器的集合，但一個實作x86指令集的CPU可以包含比八個更多的暫存器。.

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随机存取存储器

随机存取存储器（Random Access Memory，缩写：RAM），也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以隨時读写（重新整理時除外，見下文），而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程式的临时資料存储媒介。 主記憶體（Main memory）即電腦內部最主要的記憶體，用來載入各式各樣的程式與資料以供CPU直接執行與運用。由於DRAM的性價比很高，且擴展性也不錯，是現今一般電腦主記憶體的最主要部分。2014年生產電腦所用的主記憶體主要是DDR3 SDRAM，而2016年開始DDR4 SDRAM逐漸普及化，筆電廠商如華碩及宏碁開始在筆電以DDR4記憶體取代DDR3L。.

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超威半导体

超微半导体公司（Advanced Micro Devices, Inc.；縮寫：AMD、超微，或譯「超威」），創立於1969年，是一家專注於微处理器及相關技術設計的跨国公司，总部位于美國加州舊金山灣區矽谷內的森尼韦尔市。最初，超微擁有晶圓廠來製造其設計的晶片，自2009年超微將自家晶圓廠拆分為現今的GlobalFoundries（格羅方德）以後，成為無廠半導體公司，僅負責硬體積體電路設計及產品銷售業務。現時，超微的主要產品是中央處理器（包括嵌入式平台）、圖形處理器、主機板晶片組以及電腦記憶體， 超微半導體是目前除了英特爾以外，最大的x86架構微處理器供應商，自收購冶天科技以後，則成為除了輝達以外僅有的獨立圖形處理器供應商，自此成为一家同時擁有中央處理器和圖形處理器技術的半導體公司，也是唯一可与英特爾和輝達匹敵的廠商。在2017年第一季全球個人電腦中央處理器的市場佔有率中，英特爾以79.8％排名第一、AMD以20.2％位居第二。於2017年8月，AMD CPU在德國電商Mindfactory的銷售量首次以54.0%超越intel，並於9月增長至55.0%，於10月(同時也是Coffee Lake推出之月份)，銷售份額仍繼續成長至57.7%，於11月，由於增加部分未計算型號，份額下降至57.4%.

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英特尔

英特爾公司（Intel Corporation，、）是世界上最大的半導體公司，也是第一家推出x86架構處理器的公司，總部位於美國加利福尼亞州聖克拉拉。由羅伯特·諾伊斯、高登·摩爾、安迪·葛洛夫，以“集成電子”（Integrated Electronics）之名在1968年7月18日共同創辦公司，將高階晶片設計能力與領導業界的製造能力結合在一起。英特爾也有開發主機板晶片組、網路卡、快閃記憶體、繪圖晶片、嵌入式處理器，與對通訊與運算相關的產品等。“Intel Inside”的廣告標語與Pentium系列處理器在1990年代間非常成功的打響英特爾的品牌名號。 英特爾早期在開發SRAM與DRAM的記憶體晶片，在1990年代之前這些記憶體晶片是英特爾的主要業務。在1990年代時，英特爾做了相當大的投資在新的微處理器設計上與培養快速崛起的PC工業。在這段期間英特爾成為PC微處理器的供應領導者，而且市場定位具有相當大的攻勢與有時令人爭議的行銷策略，就像是微軟公司一樣支配著PC工業的發展方向。而Millward Brown Optimor發表的2007年在世界上最強大的品牌排名顯示出英特爾的品牌價值由第15名掉落了10個名次到第25名。 而主要競爭對手有AMD、NVIDIA及Samsung。.

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電子計算機

--，亦稱--，计算机是一种利用数字电子技术，根据一系列指令指示其自动执行任意算术或逻辑操作序列的设备。计算机遵循被称为“程序”的一般操作集的能力使他们能够执行极其广泛的任务。 计算机被用作各种工业和消费设备的控制系统。这包括简单的特定用途设备（如微波炉和遥控器）、工业设备（如工业机器人和计算机辅助设计），以及通用设备（如个人电脑和智能手机之类的移动设备）等。尽管计算机种类繁多，但根据图灵机理论，一部具有最基本功能的计算机，应当能够完成任何其它计算机能做的事情。因此，理论上从智能手机到超级计算机都应该可以完成同样的作业（不考虑时间和存储因素）。由于科技的飞速进步，下一代计算机总是在性能上能够显著地超过其前一代，这一现象有时被称作“摩尔定律”。通过互联网，计算机互相连接，极大地提高了信息交换速度，反过来推动了科技的发展。在21世纪的现在，计算机的应用已经涉及到方方面面，各行各业了。 自古以来，简单的手动设备——就像算盘——帮助人们进行计算。在工业革命初期，各式各样的机械的出现，其初衷都是为了自动完成冗长而乏味的任务，例如织机的编织图案。更复杂的机器在20世纪初出现，通过模拟电路进行复杂特定的计算。第一台数字电子计算机出现于二战期间。自那时以来，电脑的速度，功耗和多功能性不断增加。在现代，机械计算--机的应用已经完全被电子计算机所取代。 计算机在组成上形式不一，早期计算机的体积足有一间房屋的大小，而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。当然，即使在今天依然有大量体积庞大的巨型计算机为特别的科学计算或面向大型组织的事务处理需求服务。比较小的，为个人应用而设计的称为微型计算机（Personal Computer，PC），在中國地區简称為「微机」。我們今天在日常使用“计算机”一词时通常也是指此，不过现在计算机最为普遍的应用形式却是嵌入式，嵌入式计算机通常相对简单、体积小，并被用来控制其它设备——无论是飞机、工业机器人还是数码相机。 同计算机相关的技术研究叫计算--机科学，而「计算机技术」指的是将计算--机科学的成果应用于工程实践所派生的诸多技术性和经验性成果的总合。「计算机技术」与「计算机科学」是两个相关而又不同的概念，它们的不同在于前者偏重于实践而后者偏重于理论。至於由数据为核心的研究則称為信息技术。 传统上，现代计算机包括至少一个处理单元（通常是中央处理器（CPU））和某种形式的存储器。处理元件执行算术和逻辑运算，并且排序和控制单元可以响应于存储的信息改变操作的顺序。外围设备包括输入设备（键盘，鼠标，操纵杆等）、输出设备（显示器屏幕，打印机等）以及执行两种功能（例如触摸屏）的输入/输出设备。外围设备允许从外部来源检索信息，并使操作结果得以保存和检索。.

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IBM

国际商业机器股份有限公司（International Business Machines Corporation，首字母縮略字：IBM，曾译万国商用机器公司）是美國一家跨國科技公司及諮詢公司，總部位於紐約州阿蒙克市。IBM主要客户是政府和企业。IBM生产并销售计算机硬件及软件，并且为系统架构和网络托管提供咨询服务。截止2013年，IBM已在全球拥有12个研究实验室和大量的软件开发基地。IBM雖然是一家商業公司，但在材料、化学、物理等科学领域卻也有很高的成就，利用這些學術研究為基礎，发明很多产品。比较有名的IBM发明的产品包括硬盘、自動櫃員機、通用产品代码、SQL、关系数据库管理系统、DRAM及沃森。.

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Opteron

Opteron是美國AMD公司一系列的64位元微處理器，中文名为皓龙。於2003年4月22日正式推出。Opteron處理器主要用於多路伺服器的領域上。最早的Opteron處理器採用了K8微處理器架構，及至2007年後期逐步過渡至K10微處理器架構。目前最新的Opteron採用的是2011年發表的Bulldozer微架構及其改版。除了x86及x86-64以外，還發售過使用ARM架構（AArch64、ARMv8）的機種。 其主要競爭對手為英特爾的Xeon處理器系列。原定Opteron將會採用Zen微架構打造，取代Bulldozer/Piledriver微架構的產品，不過最終AMD決定將推出十四年之久的本系列終止，以採用Zen微架構打造的EPYC系列取代之。.

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System/360

#重定向 IBM System/360.

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指令管線化

指令管線化（Instruction pipeline）是為了讓計算機和其它數位電子裝置能夠加速指令的通過速度（單位時間內被執行的指令數量）而設計的技術。 管線在處理器的內部被組織成層級，各個層級的管線能半獨立地單獨運作。每一個層級都被管理並且鏈接到一條“鏈”，因而每個層級的輸出被送到其它層級直至任務完成。 處理器的這種組織方式能使總體的處理時間顯著縮短。 未管線化的架構產生的效率低，因為有些CPU的模組在其他模組執行時是閒置的。管線化雖並不會完全消除CPU的閒置時間，但是能夠讓這些模組並行運作而大幅提升程式執行的效率。 但並不是所有的指令都是獨立的。在一條簡單的管線中，完成一個指令可能需要5層。如右圖所示，要在最佳性能下運算，當第一個指令被執行時，這個管線需要運行隨後4條獨立的指令。如果隨後4條指令依賴於第一條指令的輸出，管線控制邏輯必須插入延遲時脈周期到管線內，直到依賴被解除。而轉發技術能顯著減少延時。憑藉多個層，雖然管線化在理論上能提高效能，優勝於無管線的內核（假設時脈也因應層的數量按比例增加），但事實上，許多指令碼設計中並不會考慮到理想的執行。.

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指令集架構

指令集架構（Instruction Set Architecture，縮寫為ISA），又稱指令集或指令集体系，是计算机体系结构中與程序設計有關的部分，包含了基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，存储体系，中斷，異常處理以及外部I/O。指令集架構包含一系列的opcode即操作码（機器語言），以及由特定處理器执行的基本命令。 指令集体系与微架构（一套用于执行指令集的微处理器设计方法）不同。使用不同微架構的電腦可以共享一种指令集。例如，Intel的Pentium和AMD的AMD Athlon，兩者几乎採用相同版本的x86指令集体系，但是兩者在内部设计上有本质的区别。 一些虛擬機器支持基于Smalltalk，Java虛擬機，微軟的公共語言运行时虛擬機所生成的字节码，他們的指令集体系將bytecode（字节码）从作为一般手段的代码路径翻譯成本地的機器語言，并通过解译执行并不常用的代码路径，全美達以相同的方式开发了基于x86指令体系的VLIW處理器。.

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