處理器即指中央處理器CPU，CPU的性能大致上反映出了它所配置的那部微機的性能，因此CPU的性能指標十分重要。 CPU性能主要取決於其主頻和工作效率。
基本介紹
- 中文名：處理器性能
- 外文名：processor performance
- 別稱：CPU score
- 學科：計算機科學與技術
- 類別：計算機系統
- 主要參數：主頻和工作效率
基本概念,性能參數,主頻,外頻,匯流排頻率,倍頻係數,快取,工作電壓,製程,超執行緒,處理技術,流水線技術,多執行緒,多核心,SMP,NUMA技術,亂序執行,分枝技術,
基本概念
處理器即指中央處理器CPU，CPU從雛形出現到發展壯大的今天，由於製造技術的越來越先進，其集成度越來越高，內部的電晶體數達到幾百萬個。雖然從最初的CPU發展到現在其電晶體數增加了幾十倍，但是CPU的內部結構仍然可分為控制單元，邏輯單元和存儲單元三大部分。CPU的性能大致上反映出了它所配置的那部微機的性能，因此CPU的性能指標十分重要。 CPU性能主要取決於其主頻和工作效率。
性能參數
計算機的性能在很大程度上由CPU的性能決定，而CPU的性能主要體現在其運行程式的速度上。影響運行速度的性能指標包括CPU的工作頻率、Cache容量、指令系統和邏輯結構等參數。
主頻
CPU的主頻=外頻×倍頻係數。主頻和實際的運算速度存在一定的關係，但並不是一個簡單的線性關係。 所以，CPU的主頻與CPU實際的運算能力是沒有直接關係的，主頻表示在CPU內數字脈衝信號震盪的速度。在Intel的處理器產品中，也可以看到這樣的例子：1 GHz Itanium晶片能夠表現得差不多跟2.66 GHz至強（Xeon）/Opteron一樣快，或是1.5 GHz Itanium 2大約跟4 GHz Xeon/Opteron一樣快。CPU的運算速度還要看CPU的流水線、匯流排等各方面的性能指標。
外頻
外頻是CPU的基準頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主機板的運行速度。通俗地說，在台式機中，所說的超頻，都是超CPU的外頻（當然一般情況下，CPU的倍頻都是被鎖住的）相信這點是很好理解的。但對於伺服器CPU來講，超頻是絕對不允許的。前面說到CPU決定著主機板的運行速度，兩者是同步運行的，如果把伺服器CPU超頻了，改變了外頻，會產生異步運行，（台式機很多主機板都支持異步運行）這樣會造成整個伺服器系統的不穩定。
絕大部分電腦系統中外頻與主機板前端匯流排不是同步速度的，而外頻與前端匯流排（FSB）頻率又很容易被混為一談。
匯流排頻率
前端匯流排（FSB)是將CPU連線到北橋晶片的匯流排。前端匯流排（FSB）頻率（即匯流排頻率）是直接影響CPU與記憶體直接數據交換速度。有一條公式可以計算，即數據頻寬=（匯流排頻率×數據位寬）/8，數據傳輸最大頻寬取決於所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率。比方，支持64位的至強Nocona，前端匯流排是800MHz，按照公式，它的數據傳輸最大頻寬是6.4GB/秒。
外頻與前端匯流排（FSB）頻率的區別：前端匯流排的速度指的是數據傳輸的速度，外頻是CPU與主機板之間同步運行的速度。也就是說，100MHz外頻特指數字脈衝信號在每秒鐘震盪一億次；而100MHz前端匯流排指的是每秒鐘CPU可接受的數據傳輸量是100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。
倍頻係數
快取
快取大小也是CPU的重要指標之一，而且快取的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內快取的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大於系統記憶體和硬碟。實際工作時，CPU往往需要重複讀取同樣的數據塊，而快取容量的增大，可以大幅度提升CPU內部讀取數據的命中率，而不用再到記憶體或者硬碟上尋找，以此提高系統性能。但是由於CPU晶片面積和成本的因素來考慮，快取都很小。
L1 Cache(一級快取）是CPU第一層高速快取，分為數據快取和指令快取。內置的L1高速快取的容量和結構對CPU的性能影響較大，不過高速緩衝存儲器均由靜態RAM組成，結構較複雜，在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級高速快取的容量不可能做得太大。一般伺服器CPU的L1快取的容量通常在32－256KB。
L2 Cache（二級快取）是CPU的第二層高速快取，分內部和外部兩種晶片。內部的晶片二級快取運行速度與主頻相同，而外部的二級快取則只有主頻的一半。L2高速快取容量也會影響CPU的性能，原則是越大越好，以前家庭用CPU容量最大的是512KB，筆記本電腦中也可以達到2M，而伺服器和工作站上用CPU的L2高速快取更高，可以達到8M以上。
L3 Cache(三級快取），分為兩種，早期的是外置，記憶體延遲，同時提升大數據量計算時處理器的性能。降低記憶體延遲和提升大數據量計算能力對遊戲都很有幫助。而在伺服器領域增加L3快取在性能方面仍然有顯著的提升。比方具有較大L3快取的配置利用物理記憶體會更有效，故它比較慢的磁碟I/O子系統可以處理更多的數據請求。具有較大L3快取的處理器提供更有效的檔案系統快取行為及較短訊息和處理器佇列長度。
其實最早的L3快取被套用在AMD發布的K6-III處理器上，當時的L3快取受限於製造工藝，並沒有被集成進晶片內部，而是集成在主機板上。在只能夠和系統匯流排頻率同步的L3快取同主記憶體其實差不了多少。後來使用L3快取的是英特爾為伺服器市場所推出的Itanium處理器。接著就是P4EE和至強MP。Intel還打算推出一款9MB L3快取的Itanium2處理器，和以後24MB L3快取的雙核心Itanium2處理器。
但基本上L3快取對處理器的性能提高顯得不是很重要，比方配備1MB L3快取的Xeon MP處理器卻仍然不是Opteron的對手，由此可見前端匯流排的增加，要比快取增加帶來更有效的性能提升。
工作電壓
工作電壓指的也就是CPU正常工作所需的電壓。
早期CPU（386、486）由於工藝落後，它們的工作電壓一般為5V，發展到奔騰586時，已經是3.5V/3.3V/2.8V了，隨著CPU的製造工藝與主頻的提高，CPU的工作電壓有逐步下降的趨勢，Intel最新出品的Coppermine已經採用1.6V的工作電壓了。低電壓能讓可移動攜帶型筆記本，平板的電池續航時間提升，第二低電壓能使CPU工作時的溫度降低，溫度低才能讓CPU工作在一個非常穩定的狀態，第三，低電壓能使CPU在超頻技術方面得到更大的發展。
製程
製程越小發熱量越小，這樣就可以集成更多的電晶體，CPU效率也就更高。
分枝是指程式運行時需要改變的節點。分枝有無條件分枝和有條件分枝，其中無條件分枝只需要CPU按指令順序執行，而條件分枝則必須根據處理結果再決定程式運行方向是否改變，因此需要“分枝預測”技術處理的是條件分枝。
L1高速快取，也就是我們經常說的一級高速快取。在CPU裡面內置了高速快取可以提高CPU的運行效率。
L2高速快取，指CPU外部的高速快取。
高速快取是內置於CPU用來緩衝待處理的數據。快取越大，可快取的數據越多。但是L2Cache（L2高速快取）並不是越大越好，超過某一額定效率提高並不明顯。L2Cache越大，發熱相對增加造成數據堆疊在L2Cache上。
Pentium Pro處理器的L2和CPU運行在相同頻率下的，但成本昂貴，所以Pentium II運行在相當於CPU頻率一半下的，容量為512K。為降低成本Intel公司曾生產了一種不帶L2的CPU名為賽揚。
超執行緒
可以同時執行多重執行緒，就能夠讓CPU發揮更大效率，那就是超執行緒(Hyper-Threading)技術，超執行緒技術減少了系統資源的浪費，可以把一顆CPU模擬成兩顆CPU使用，在同時間內更有效地利用資源來提高性能。
處理技術
流水線技術
在解釋超流水線與超標量前，先了解流水線（Pipeline）。流水線是Intel首次在486晶片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業生產上的裝配流水線。在CPU中由5－6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然後將一條X86指令分成5－6步後再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經典奔騰每條整數流水線都分為四級流水，即指令預取、解碼、執行、寫回結果，浮點流水又分為八級流水。超標量是通過內置多條流水線來同時執行多個處理器，其實質是以空間換取時間。而超流水線是通過細化流水、提高主頻，使得在一個機器周期內完成一個甚至多個操作，其實質是以空間換取時間。例如Pentium 4的流水線就長達20級。將流水線設計的步（級）越長，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應工作主頻更高的CPU。但是流水線過長也帶來了一定副作用，很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象，Intel的奔騰4就出現了這種情況，雖然它的主頻可以高達1.4G以上，但其運算性能卻遠遠比不上AMD 1.2G的速龍甚至奔騰III-s。
多執行緒
同時多執行緒Simultaneous Multithreading，簡稱SMT。SMT可通過複製處理器上的結構狀態，讓同一個處理器上的多個執行緒同步執行並共享處理器的執行資源，可最大限度地實現寬發射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由於數據相關或Cache未命中帶來的訪問記憶體延時。當沒有多個執行緒可用時，SMT處理器幾乎和傳統的寬發射超標量處理器一樣。SMT最具吸引力的是只需小規模改變處理器核心的設計，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多執行緒技術則可以為高速的運算核心準備更多的待處理數據，減少運算核心的閒置時間。這對於桌面低端系統來說無疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz Pentium 4開始，部分處理器將支持SMT技術。
多核心
多核心，也指單晶片多處理器（Chip Multiprocessors，簡稱CMP）。CMP是由美國史丹福大學提出的，其思想是將大規模並行處理器中的SMP（對稱多處理器）集成到同一晶片內，各個處理器並行執行不同的進程。這種依靠多個CPU同時並行地運行程式是實現超高速計算的一個重要方向，稱為並行處理。與CMP比較，SMP處理器結構的靈活性比較突出。但是，當半導體工藝進入0.18微米以後，線延時已經超過了門延遲，要求微處理器的設計通過劃分許多規模更小、局部性更好的基本單元結構來進行。相比之下，由於CMP結構已經被劃分成多個處理器核來設計，每個核都比較簡單，有利於最佳化設計，因此更有發展前途。IBM 的Power 4晶片和Sun的MAJC5200晶片都採用了CMP結構。多核處理器可以在處理器內部共享快取，提高快取利用率，同時簡化多處理器系統設計的複雜度。但這並不是說明，核心越多，性能越高，比如說16核的CPU就沒有8核的CPU運算速度快，因為核心太多，而不能合理進行分配，所以導致運算速度減慢。在買電腦時請酌情選擇。2005年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結構。新安騰處理器開發代碼為Montecito，採用雙核心設計，擁有最少18MB片內快取，採取90nm工藝製造。它的每個單獨的核心都擁有獨立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支電晶體。
SMP
SMP（Symmetric Multi-Processing），對稱多處理結構的簡稱，是指在一個計算機上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享記憶體子系統以及匯流排結構。在這種技術的支持下，一個伺服器系統可以同時運行多個處理器，並共享記憶體和其他的主機資源。像雙至強，也就是所說的二路，這是在對稱處理器系統中最常見的一種（至強MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路）。也有少數是16路的。但是一般來講，SMP結構的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規的一般是8個到16個，不過這對於多數的用戶來說已經夠用了。在高性能伺服器和工作站級主機板架構中最為常見，像UNIX伺服器可支持最多256個CPU的系統。
構建一套SMP系統的必要條件是：支持SMP的硬體包括主機板和CPU；支持SMP的系統平台，再就是支持SMP的套用軟體。為了能夠使得SMP系統發揮高效的性能，作業系統必須支持SMP系統，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位作業系統。即能夠進行多任務和多執行緒處理。多任務是指作業系統能夠在同一時間讓不同的CPU完成不同的任務；多執行緒是指作業系統能夠使得不同的CPU並行的完成同一個任務。
要組建SMP系統，對所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內部必須內置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）單元。Intel 多處理規範的核心就是高級可程式中斷控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers–APICs）的使用；再次，相同的產品型號，同樣類型的CPU核心，完全相同的運行頻率；最後，儘可能保持相同的產品序列編號，因為兩個生產批次的CPU作為雙處理器運行的時候，有可能會發生一顆CPU負擔過高，而另一顆負擔很少的情況，無法發揮最大性能，更糟糕的是可能導致當機。
NUMA技術
NUMA即非一致訪問分布共享存儲技術，它是由若干通過高速專用網路連線起來的獨立節點構成的系統，各個節點可以是單個的CPU或是SMP系統。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，一般採用硬體技術實現對cache的一致性維護，通常需要作業系統針對NUMA訪存不一致的特性（本地記憶體和遠端記憶體訪存延遲和頻寬的不同）進行特殊最佳化以提高效率，或採用特殊軟體編程方法提高效率。NUMA系統的例子。這裡有3個SMP模組用高速專用網路聯起來，組成一個節點，每個節點可以有12個CPU。像Sequent的系統最多可以達到64個CPU甚至256個CPU。顯然，這是在SMP的基礎上，再用NUMA的技術加以擴展，是這兩種技術的結合。
亂序執行
亂序執行（out-of-orderexecution），是指CPU允許將多條指令不按程式規定的順序分開發送給各相應電路單元處理的技術。這樣將根據個電路單元的狀態和各指令能否提前執行的具體情況分析後，將能提前執行的指令立即傳送給相應電路單元執行，在這期間不按規定順序執行指令，然後由重新排列單元將各執行單元結果按指令順序重新排列。採用亂序執行技術的目的是為了使CPU內部電路滿負荷運轉並相應提高了CPU的運行程式的速度。
分枝技術
（branch）指令進行運算時需要等待結果，一般無條件分枝只需要按指令順序執行，而條件分枝必須根據處理後的結果，再決定是否按原先順序進行。
