限制CPU性能的条件分析

张宸瑜

（安阳正一中学，安阳 455000）

CPU是计算机重要的核心部件之一，它的外观随着科技的发展日见小巧，但性能却越来越好。通过对限制CPU性能的条件进行研究分析，能够探索更好的CPU性能优化路径，能够让计算机得以更好发展，以下将从几个方面对限制CPU性能的几个因素进行分析。

1 频率

CPU的频率是指CPU运行其各项功能的工作效率。频率包括主频、外频、倍频三个部分。其中，主频指的是CPU内核运行中所参照的时间频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。因此，不能单纯的将CPU主频的速度理解为整体CPU的性能速度，我们只能将主频的速度作为CPU性能表达的一部分来理解。在日常生活中，我们常见到的计算机CPU技术参数233、300就是主频速度的显示。外频是围绕计算机系统总线路的设计运行的，即CPU的标准频率，是CPU与主板之间连接配合运行时的速度。外频速度与接受来自计算机其它设备信息数据的能力有着直接关系，其速度越快，接受能力就越强，从而也就带动计算机整体运行速度的提升。倍频主要反应的是CPU外频与主频运行数据相差的倍数。

2 缓存容量

CPU的缓存方式分为内部缓存和外部缓存。前者是指密封在CPU结构内部的高速缓存，用于实现对CPU运算指令和数据的暂时性储存，其读取速度与主频速度相同。KB是标记内部缓存容量大小的一般表示单位。后者是CPU结构以外的高速缓存，其运行速度和CPU运行的频率相同。

CPU所具备的内部缓存容量越大，那么CPU在存取数据时与外部缓存产生的联系就越少，这样CPU的外部缓存功能就可以有空间去辅助计算机的其它设备的运行功能，相应的计算机运行速度就会提高。CPU内部缓存的运行一般与CPU的整体运行保持一致，其缓存容量的大小对CPU性能的发挥产生主要影响。CPU外部缓存也对CPU的性能的影响非常重要，主要在配合协调CPU与内存之间的速度差异，使其两者保持一种性能平稳的状态。外部缓存在CPU的设计制造中成本较高，因此，它的存在与否是决定CPU性能优劣的标志。

3 工作电压因素

工作电压指的是CPU在运行中所需要的供给电压保准。计算机在发展的最初阶段一般需要5V的电压来支持其运行，随着计算机技术的不断发展和突破，到目前为止，CPU稳定运行所需要的电压标准已经获得有效的降低，甚至在1.1V的低压条件下也能稳定的运行。工作电压越高，CPU内部的信号就越强，可以调整提高CPU性能的稳定。但在高电压条件下，CPU性能虽然得到最大的发挥，但也会导致发热和功耗较大的问题，这也会影响CPU的使用寿命。

4 流水线的性能指标

（1）流水线的吞吐率。在指令级流水线的运转中，吞吐率是一项重要的指标，指的是在一定时间内指令处理或结果输出的数量。吞吐率的计算基本公式表达为：TP=n/Tk。式中，n代表任务总数量；Tk指的是完成任务总数量需要的时间。（2）流水线加速比。数量相同的任务处理，采用流水线的处理方式和不采用流水线的处理方式所用的时间之比，就称之为加速比。（3）流水线的效率。指令流水线内对各设备的利用率也称之为流水线的效率，其效率的大小主要由时间和时空两个因素决定。

5 CPU内部总线方式

将计算机的所有寄存器的输入端口和输出端口进行有效的连接，使之共同服务于内部各设备的运行，这是较为简单的总线方式，但是这种总线方式经常会出现CPU运算、数据传输功能发挥不稳定，性能不兼容等问题。在CPU的内部总线方式上，采用一条线进行各部件连接的为单线结构，采用两条以上的线进行连接的，称为双总线或多总线结构。

6 CPU控制方式

6.1 同步控制方式

CPU运行中获得的指令不同，那么相应的微操作和难易程度也有所不同，导致每一条指令的微操作对处理时间的需求也不尽相同。同步控制方式，指的是CPU运行系统中存在一个统一的时间计算标准，全部的控制信号均由该时间标准提供信号支持。在具体的设计制作中，有以下三种实现方式：

（1）采用固定的机器周期。以最长的微操作程序和最复杂的微操作标准作为最大数据参照，对其进行完全的时间统一，即以相同时间间隔、数量相等的节拍作为机器周期来接收、处理各项指令。（2）采用较为灵活的机器周期。在这种方式下，对CPU内部每个机器的节拍数设置数量可以不同。（3）采用中央控制和局部控制相结合的方法。前者主要用于对机器获得的大部分指令被放置在同一个较短的机器时间范围内进行操作处理；后者则负责对复杂程度较高的指令内容采用局部控制的方式进行操作处理。

6.2 异步控制方式

该控制方式不需要采取调整时间、标记信号的技术手段，各个机器按照自身的规则运行，它们之间的有效联系方式为产生应答效果。这项技术手段能够有效提升计算机的运行速度，但是内部电路设计部较复杂，制作难度较高。

6.3 联合控制方式

联合控制是一种较为中庸的控制实现方式，该方式的控制原理为：对不同的指令的微操作既有同步控制方式的处理，又有异步控制方式的处理，其中，以同步控制方式的指令处理数量较多。

7 结束语

通过分析限制CPU性能的条件，我们可以了解到更好的优化CPU性能的路径，能够让CPU性能得以充分发挥，能够让计算机的运行越来越迅捷。我们还需要将所学习的知识融入到计算机的计算和应用之中，为计算机的发展贡献力量。