处理器史话 | CPU的主频、倍频、超频，不是频率越高速度就越快
作者：管理员 来源：本站 浏览数：350 发布时间：2016/10/18 13:21:17
什么是CPU的效率？CPU的效率与哪些因素有关？
回答这个问题之前，先看下面的例子：
一个古老而经典的游戏——扫雷，在两台电脑上进行PK：配置分别为i7的笔记本和凌动的上网本，现在要做一件事，一天到晚都是在玩“扫雷”， 结果会如何呢？前者的效率不到0.0001%，后者的效率则可能达到50%以上。
为什么会有这么大的差距呢？
他们的“芯”不同：CPU的主频不同，核心数量不同。
理论上讲，同等技术条件下，核心数越多，主频越高，工作效率就越强！因为CPU是用来做运算的。
那么，CPU的运算速度与哪些因素有关呢？
1、主频
对于CPU来说，最主要的就是主频，主频意味着，CPU可以在每秒内进行多少个周期运算，主频越高就说明CPU在每秒内的周期运算就越多，自然就越强。
但是由于各种CPU内部结构的差异（如缓存、指令集），并不是时钟频率相同速度就相同，比如PIII和赛扬，雷鸟和DURON，赛扬和DURON，PIII与雷鸟，在相同主频下性能都不同程度的存在着差异。
2、核心
越多的核心同时运算自然比单核心的运算成倍数成长，核心越多，能力也就越强。
3、缓存
缓存是用来数据交换的暂时储存地，其中最主要的1级缓存，他是于CPU核心直接交换数据的地方，所以1级缓存越大，CPU能力越强，其次是2级缓存于3级缓存。
4、内存控制器
例如：AMD的是HT总线， Intel早期是FSB，现在是QPI，这个部件现在已近整合到CPU内部了，之前是在主板的北桥上，这个部件决定着CPU与内存之间的数据通道的大小，越大越好。
5、CPU其他技术
比如Intel的超线程技术，可以使得一个核心变成两个逻辑核心，从而达到单核心的高利用率。
1.CPU工作效率的进化
关于CPU效率进化的详细内容，推荐看一篇文章——《CPU效率进化史》。在这里，只进行简单的概述。
第1阶段：单任务执行（Single Threaded）。
代表性的系统为DOS，这个阶段最大特征是：在处理一个程序时，一段时间内系统仅仅只能处理程序中的一个任务，此时这个任务完全占用CPU，因此在单任务执行时代，主要是由于DOS系统不具备多任务处理能力，导致CPU 的运行效率缓慢。
第2阶段：多任务处理的过渡。
代表性的系统为WINDOWS3.X。
Intel在1985年推出的386处理器，是第一个具有“多任务处理”功能的CPU，这对微软的操作系统发展有着重要的影响，所谓“多任务”，就是CPU可以在同一时间内处理多个任务。即：CPU 在处理一个任务的同时，可以在中间暂时停止去作业另一个任务。
不过这也并不是真正的多任务处理，它只是在处理过程中不断暂停及切换工作方式罢了，因为 CPU 暂停下来去执行下一个任务，则需要停止上一个任务的进度。
第3阶段：多处理器并行方式。
这个时期的工作站服务器都给主板安装两个或多个 CPU 以满足需求。当执行多个任务时，系统可在多个 CPU 之间相互交换处理数据，同时也可让多个 CPU 同时执行一个任务。
不仅如此，如果程序被优化为多 CPU 处理，程序会把工作分给系统内不同的CPU同时处理，大大减少了运算时间。显然，这与只依靠 Windows 系统的自身处理方式（利用等待CPU闲置时间）效率有明显提升。
第4阶段：超线程处理时代
典型的系统为WindowsXP/2003，超线程（Hyper Threading）技术是把一个处理器模拟成两个处理器使用，这样能有效地利用和分配资源，减少系统资源的浪费，从而增加处理器的工作效率，达到提高整体性能的目的。
效果如下表所示：
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超线程技术
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执行过程
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结果
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无
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程序不能同时执行，需要等待运算中出现闲置，才能切换到另外一个程序。
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同一时间内，工作中的 C P U资源是不能分享给其他程序的。
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有
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程序能同时被执行：
利用特殊的硬件指令，把处理器内部的两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让处理器能够在多任务、多线程处理上达到更高的性能，同时还能自动分配工作量，减少 CPU的闲置时间
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CPU 资源能够被同时分享，从而提高了工作效率。
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具有超线程技术的 CPU 让游戏性能提升非常之大，给游戏用户带来了更快的游戏体验。
第5阶段：多核心处理时代
多核时代的来临，解决了由于超线程技术的缺陷，因为超线程技术只有在多核心处理器中才能完全发挥。
多核心处理器通过全新的封装技术，整合成为一颗处理器，真正地实现多处理器协同工作。多核心处理器核心的资源都是独立的，而且也可以交换使用资源，核心与核心之间沟通的延迟比多个单核心处理器同时运行更小。
同样是WindowsXP，具有多核CPU的系统，无论是在速度还是性能方面均超越了此前的时代。
2.与CPU频率有关的技术
围绕着CPU频率的话题，总是离不开这几个参数：主频、外频、倍频。在这些参数中，哪个参数可以体现CPU的性能，他们之间的关系又是如何呢？
三者之间的关系是：外频X倍频=主频。
换个角度表达一下：外频好比马路的宽度，倍频好比在这条马路上单位时间允许通过的车辆数。
那么主频代表什么？
单位时间内车辆的通行能力——马路越宽，单位时间内允许通过的车辆数越多，则这条道路上通行的车辆越多。
如果每辆车的货物为一条运算指令，那么这个主频，又意味着什么呢？
暂时让这个问题“飞一会儿”，现在来看一下这几个术语的含义，以及它们对CPU的工作效率的影响。
(1)主频
CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。
从理论上讲CPU的主频越高，它的速度也就越快，因为频率越高，单位时钟周期内完成的指令就越多，从而速度也就越快了。
但是事实并非如此，由于各种CPU内部结构的差异，如：缓存、指令集等，并不是时钟频率相同速度就相同，比如：PIII和赛扬，雷鸟和DURON，赛扬和DURON，PIII与雷鸟，在相同主频下性能都不同程度的存在着差异。
10年前主频的单位是MHz，现在主频的单位已经升级为GHz。
很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系，但是存在一定的联系，不过目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标，如：缓存、指令集，CPU的位数等等。
由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。比如AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能以较低的主频，达到英特尔公司的Pentium 4系列CPU较高主频的CPU性能，所以AthlonXP系列CPU才以PR值的方式来命名。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。
CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。下面举例说明一下：
为了计算方便，假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。
因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。
只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。
既然运算速度与主频的关系这样简单，那么是否可以任意提高主频呢？
答案是：No，提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。
由于CPU是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。因此制造工艺的限制，是CPU主频发展的最大障碍之一。
(2)外频
外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是MHz。
在早期的电脑中，内存与主板之间的同步运行的速度等于外频，在这种方式下，可以理解为CPU外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。对于目前的计算机系统来说，两者完全可以不相同，但是外频的意义仍然存在，计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘以一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。
在486之前，CPU的主频还处于一个较低的阶段，CPU的主频一般都等于外频。而在486出现以后，由于CPU工作频率不断提高，而PC机的一些其他设备（如插卡、硬盘等）却受到工艺的限制，不能承受更高的频率，因此限制了CPU频率的进一步提高。因此出现了倍频技术，该技术能够使CPU内部工作频率变为外部频率的倍数，从而通过提升倍频而达到提升主频的目的。倍频技术就是使外部设备可以工作在一个较低外频上，而CPU主频是外频的倍数。
在Pentium时代，CPU的外频一般是60/66MHz，从Pentium Ⅱ 350开始，CPU外频提高到100MHz，目前CPU外频已经达到了200MHz。由于正常情况下外频和内存总线频率相同，所以当CPU外频提高后，与内存之间的交换速度也相应得到了提高，对提高电脑整体运行速度影响较大。
外频与前端总线（FSB）频率很容易被混为一谈。
前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次，它更多的影响了PCI及其他总线的频率。
之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里（主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（QuadDate Rate）技术，或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X，它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。
一个CPU默认的外频只有一个，主板必须能支持这个外频。因此在选购主板和CPU时必须注意这点，如果两者不匹配，系统就无法工作。此外，现在CPU的倍频很多已经被锁定，所以超频时经常需要超外频。外频改变后系统很多其他频率也会改变，除了CPU主频外，前端总线频率、PCI等各种接口频率，包括硬盘接口的频率都会改变，都可能造成系统无法正常运行。当然有些主板可以提供锁定各种接口频率的功能，对成功超频有很大帮助。超频有风险，甚至会损坏计算机硬件。
那么外频的参数可以在哪里查询呢？请看下面的图片：
(3)倍频
CPU的倍频，全称是倍频系数。
CPU 的核心工作频率与外频之间，存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。理论上，倍频是从1.5 一直到无限的。但需要注意的是，倍频是以0.5 为一个间隔单位。
原先并没有倍频概念，CPU 的主频和系统总线的速度是一样的。但随着 CPU 的速度越来越快，倍频技术也就应运而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而 CPU 速度可以通过倍频来无限提升。
主频的定义中可知：当外频不变时，提高倍频，CPU 主频也就越高。
(4)分频和超频
由于外频不断提高，渐渐地提高到其他设备无法承受了，因此出现了分频技术（其实这是主板北桥芯片的功能）。分频技术就是通过主板的北桥芯片将CPU外频降低，然后再提供给各插卡、硬盘等设备。
早期的66MHz外频时代是PCI设备2分频，AGP设备不分频；后来的100MHz外频时代则是PCI设备3分频，AGP设 备2/3分频（有些100MHz的北桥芯片也支持PCI设备4分频）；
目前的北桥芯片一般都支持133MHz外频，即 PCI设备4分频、AGP设备2分频。总之，在标准外频（66MHz、100MHz、133MHz）下北桥芯片必须使PCI设备工作在33MHz，AGP设备工作在66MHz，才能说该芯片能正式支持该种外频。
接下来谈谈CPU的超频。
CPU超频其实就是通过提高外频或者倍频的手段来提高CPU主频从而提升整个系统的性能。超频的历史可以追溯到赛扬系列时代，从赛扬系列的出产而开始的，其中赛扬300A超450、366超550直到今天还为人们所津津乐道。而它们就是通过将赛扬CPU的 66MHz外频提升到100MHz从而提升了CPU的主频。而早期的DURON超频则与赛扬不同，它是通过破解倍频锁然后提升倍频的方式来提高频率。
总的看来，超倍频比超外频更稳定，因为超倍频没有改变外频，也就不会影响到其他设备的正常运作；但是如果超外频，就可能遇到非标准外频如75MHz、83MHz、112MHz等，这些情况下由于分频技术的限制，致使其他设备都不能工作在正常的频率下，从而可能造成系统的不稳定，甚至出现硬盘数据丢失、严重的可能损坏。
因此，借用业内人士的友情提示：超频虽有好处，但是也十分危险，所以请慎重超频！