1.2 CPU架构-----一切设计的起点
CPU架构是一切设计的起点
CPU内部已经包含一些微指令，我们所使用的软件都要经过CPU内部的微指令集来达成。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念，这就是目前世界上常见到的两种主要CPU架构,分别是：
精简指令集（RISC）、复杂指令集（CISC）系统
精简指令集（Reduced Instruction Set Computer, RISC）：
这种CPU设计中，微指令集较为精简，每个指令的执行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行性能较佳；若做复杂的事情，就要由多个指令来完成。
常见的RISC微指令集CPU主要例如甲骨文 （Oracle） 公司的 SPARC 系列、 IBM 公司的 PowerArchitecture （包括 PowerPC） 系列、与安谋公司 （ARM Holdings） 的 ARM CPU 系列等。
应用方面：
SPARC CPU的电脑常用于学术领域的大型工作站中，包括银行金融体系的主要的服务器也都是这类的电脑架构。
PowerPC架构：索尼（Sony）公司出产的Play Station 3（PS3）就是使用PowerPC架构的Cell处理器。
安谋的 ARM：常使用的各厂牌手机、PDA、导航系统、网络设备（交换器、路由器等）等，几乎都是使用 ARM架构的 CPU ！目前世界上使用范围最广的 CPU 可能就是 ARM 这种架构
复杂指令集（Complex Instruction Set Computer, CISC）：
与精简指令集（RISC）不同，CISC在微指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。
因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。
常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。
应用：AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构的CPU被大量使用于个人电脑用途上面，因此个人电脑常被称为X86架构的电脑。
X86架构：
个人电脑常被称为X86架构，为何称为X86架构？因为最早的那颗Intel发展出来的CPU代号称为8086，后来依此架构又开发出80286、80386，因此这种架构的COU就被称为了X86架构
2003年以前由Intel开发的X86架构CPU由8位升级到16、32位，后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位
为了区别两者差异，64位个人电脑CPU又被统称为x86_64的架构
不同的X86架构的CPU有什么差异？
除了CPU的整体结构（如第二层高速缓存、每次运行可执行的指令数等）之外，主要是在于微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先进的微指令集，
这些微指令集可以加速多媒体程序的运行，也能够加强虚拟化的性能，而且某些微指令集更能够增加能源效率，让CPU省电。
最新的Intel/AMD的x86架构中，请查询出多媒体、虚拟化、省电功能各有哪些重要的微指令集？
多媒体微指令集：MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, AMD-3DNow!
虚拟化微指令集：Intel-VT, AMD-SVM
省电功能：Intel-SpeedStep, AMD-PowerNow!
64/32位相容技术：AMD-AMD64, Intel-EM64T
32位、64位概念解释：
所谓的位，是CPU一次读取数据的最大量，64位CPU代表CPU一次可以读写64bits这么多的数据，32位CPU则是CPU一次只能读取32bits的意思。
CPU读取数据量有限制，因此能够从内存中读写的数据也就有所限制，一般32位的CPU所能读写的最大数据量大概就是4GB左右
1.3 其他单元设备
五大单元中最重要的控制、算术逻辑被整合到CPU的封装中。以下介绍其他三个重要电脑单元的设备：
主板：主机箱中的设备大多是通过主板连接在一块，主板上面有个链接沟通所有设备的芯片组，这个芯片组可以将所有单元的设备链接起来，好让CPU可以对这些设备下达命令。
其他单元重要设备主要有：
系统单元：系统单元包括 CPU、内存、主板相关元件。
主板上面还有很多连接接口与相关的适配卡，包括网卡、磁盘阵列卡、显卡，显卡与显示的精致度、色彩与分辨率都有关系。
存储单元：包括内存、辅助内存。辅助内存就是常说的存储设备，包括：硬盘、软盘、光盘、磁带等
输入、输出单元：触摸屏、鼠标、键盘、显示器、打印机、音效喇叭等
电脑按用途分类：
超级计算机：运行速度最快的电脑，维护操作费用非常高。主要用于需要高速计算的计划中。如国防军事、气象预测、太空科技等。
大型计算机：具有数个高速CPU，功能上不及超级计算机，但也可用来处理大量数据与复杂运算。大型企业主机、全国性的证券交易所、大型企业数据库服务器
迷你电脑：迷你电脑保有大型计算机同时支持多使用者特性，主机可以放在一般作业场所，不必像前两个大型计算机需要特殊的空调场所。通常用来作为科学
研究、工程分析与工厂的流程管理等。
工作站：工作站的价格比迷你电脑便宜很多，针对特殊用途而设计的电脑。在个人电脑性能还没有提升到目前的状况之前，工作站电脑的性能/价格比是所有电脑
中较佳的。在学术研究与工程分析方面相当常见。
微电脑：个人电脑就属于这部分的电脑分类，分为台式、笔记本等。
1.4 电脑上面常用的计算单位(容量、速度）
电脑的运算能力除了CPU微指令集设计的优劣之外，主要还是由速度来决定的。存放在电脑存储设备中的数据容量也是有单位的。
容量单位：
0/1这个二进制的单位称为bit
Byte：字节 1 Byte = 8 bits
k： 1k = 1024Byte
M：1M = 1024K
CPU的频率：
我们前面谈到CPU内部含有微指令集，不同的微指令集会导致CPU工作效率的优劣。除了这点之外， CPU性能的比较还有什么呢？
那就是CPU的频率了！什么是频率？
频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数。 所以频率越高表示这颗CPU单位时间内可以作更多的事情。
举例来说，Intel的 i7-4790 CPU频率为3.6GHz， 表示这颗CPU在一秒内可以进行3.6x109次工作，每次工作都可以进行少数的指令运行之意。
Tips 注意:不同的CPU之间不能单纯的以频率来判断运算性能！这是因为每颗CPU的微指令集不相同，架构也不见得一样，可使用的第二层高速缓存及其计算机制可能也不同，加上每次频率能够进行的工作指令数也不同！所以，频率目前仅能用来比较同款CPU的速度！
CPU工作频率：外频与倍频
早期的 CPU 架构主要通过北桥来链接系统最重要的 CPU、内存与显卡设备。因为所有的设备都得通过北桥来链接，因此每个设备的工作频率应该要相同。 于是就有所谓的前端总线
（FSB） 这个东西的产生。但因为 CPU 的运算速度比其他的设备都要来的快，又为了要满足FSB 的频率，因此厂商就在 CPU 内部再进行加速， 于是就有所谓的外频与倍频了。
外频：总结来说，在早期的 CPU 设计中，所谓的外频指的是CPU与外部元件进行数据传输时的速度。
倍频：倍频是 CPU 内部用来加速工作性能的一个倍数， 两者相乘才是CPU的频率速度
例如 Intel Core 2 E8400 的内频为 3.0GHz，而外频是333MHz，因此倍频就是9倍！
（3.0G=333Mx9, 其中1G=1000M）
Tips 很多计算机硬件玩家很喜欢玩“超频”，所谓的超频指的是： 将CPU的倍频或者是外频通过主板的设置功能更改成较高频率的一种方式。
但因为CPU的倍频通常在出厂时已经被锁定而无法修改， 因此较常被超频的为外频。
举例来说，像上述3.0GHz的CPU如果想要超频，可以将他的外频333MHz调整成为400MHz，但如此一来整个主板的各个元件的运行频率可能
都会被增加成原本的1.333倍（4/3）， 虽然CPU可能可以到达3.6GHz，但却因为频率并非正常速度，故可能会造成死机等问题。
如此一来所有的数据都被北桥卡死了，北桥又不可能比 CPU 更快，因此这家伙常常是系统性能的瓶颈。
为了解决这个问题，新的 CPU 设计中， 已经将内存控制器整合到 CPU 内部，而链接 CPU 与内存、显卡的控制器的设计，
在Intel部份使用 QPI （Quick PathInterconnect） 与 DMI 技术，而 AMD 部份则使用 Hyper Transport 了，
这些技术都可以让CPU 直接与内存、显卡等设备分别进行沟通，而不需要通过外部的链接芯片了。
现在没有所谓的北桥了 （整合到 CPU 内），因此，CPU 的频率设计就无须考虑得要同步的外频，只需要考虑整体的频率即可。 所以，如果你经常有查阅自己 CPU 频率的习惯，
当使用 cpu-z [9] 这个软件时，应该会很惊讶的发现到，怎么外频变成 100MHz 而倍频可以到达 30 以上！
Tips 现在 Intel 的 CPU 会主动超频！例如 i7-4790 这颗 CPU 的规格 [10] 中，基本频率为 3.6GHz，但是最高可自动超频到 4GHz ！ 通过的是 Intel 的 turbo 技术。
如果你没有大量的运算需求，该 CPU 频率会降到 1.xGHz 而已，借此达到节能省电的目的！
32位与64位的CPU与总线“宽度”:
CPU 的各项数据通通得要来自于内存。因此，如果内存能提供给 CPU 的数据量越大的话，当然整体系统的性能应该也会比较快！
那如何知道内存能提供的数据量呢？此时还是得要借由 CPU 内的内存控制芯片与内存间的传输速度“前端总线速度（Front Side Bus, FSB） 来说明
与 CPU 的频率类似的，内存也是有其工作的频率，这个频率限制还是来自于 CPU 内的内存控制器所决定的。
CPU 内置的内存控制芯片对内存的工作频率最高可达到1600MHz。这只是工作频率（每秒几次）。
一般来说，每次频率能够传输的数据量，大多为64 位，这个 64 位就是所谓的“宽度”了！
因此，CPU可以从内存中取得的最快带宽就是 1600MHz 64bit = 1600MHz 8 Bytes = 12.8GByte/s。
与总线宽度相似的，CPU每次能够处理的数据量称为字组大小（word size）， 字组大小依据CPU的设计而有32位与64位。
我们现在所称的电脑是32或64位主要是依据这个 CPU解析的字组大小而来的！
早期的32位CPU中，因为CPU每次能够解析的数据量有限， 因此由内存传来的数据量就有所限制了。这也导致32位的CPU最多只能支持最大到4GBytes的内存。
内存使用系统总线带宽来与 CPU 沟通、显卡则通过PCI-E的序列信道设计来与CPU沟通、
CPU等级：
由于x86架构的CPU在Intel的Pentium系列（1993年）后就有不统一的脚位与设计，为了将不同种类的CPU规范等级， 所以就有i386,i586,i686等名词出现了。
基本上，在Intel PentiumMMX与AMD K6年代的CPU称为i586等级， 而Intel Celeron与AMD Athlon（K7）年代之后的32位CPU就称为i686等级。 至于目前的64位CPU则统称为x86_64等级。
很多程序都有对CPU做最优化的设计，有的程序注明是给x86_64的CPU使用时，就不要将他安装在686以下等级的电脑中，否则可是会无法执行该软件的。
超线程 （Hyper-Threading, HT）：
我们知道现在的 CPU 至少都是两个核心以上的多核心 CPU 了，但是 Intel 还有个很怪的东西，叫做 CPU 的超线程 （Hyper-Threading） 功能！
我们知道现在的CPU 运算速度都太快了，因此运算核心经常处于闲置状态下。而我们也知道现在的系统大多都是多任务的系统， 同时间有很多的程序会让 CPU 来执行。因此，若 CPU 可以假象的同时
执行两个程序，不就可以让系统性能增加了吗？反正 CPU 的运算能力还是没有用完啊！
那是怎么达成的啊这个 HT 功能？
在每一个CPU 内部将重要的寄存器 （register） 分成两群， 而让程序分别使用这两群寄存器。也就是说，可以有两个程序“同时竞争 CPU 的运算单元”，而非通过操作系统的多任务切换！
这一过程就会让 CPU 好像“同时有两个核心”的模样！
因此，虽然大部分 i7 等级的 CPU 其实只有四个实体核心，但通过 HT 的机制， 则操作系统可以抓到八个核心！并且让每个核心逻辑上分离，就可以同时运行八个程序了。
虽然很多研究与测试中，大多发现 HT 虽然可以提升性能，不过，有些情况下却可能导致性能降低！
因为，实际上明明就仅有一个运算单元嘛！
不过在鸟哥使用数值模式的情况下，因为鸟哥操作的数值模式主要为平行运算功能，且运算通常无法达到 100% 的 CPU 使用率，通常仅有大约60%运算量而已。
因此在鸟哥的实作过程中，这个 HT 确实提升相当多的性能！
至少应该可以节省大约30%~50%的等待时间喔！不过网络上大家的研究中， 大多说这个是 case by case，而且使用的软件影响很大！所以，在鸟哥的例子是启用 HT 帮助很大！您
的案例就得要自行研究啰！
1.6 内存
CPU所使用的数据都是来自内存，不论是软件程序还是数据，都必须要读入内存后CPU才能利用。
个人电脑的内存主要元件为动态随机存取内存（Dynamic Random Access Memory, DRAM），随机存取内存只有在通电时才能记录与使用，断电后数据消失。
因此也称这种AM为挥发性内存
动态随机存取内存（DRAM）: Dynamic Random Access Memory
DRAM分为：SDRAM、DDR SDRAM
DDR:双倍数据传送速度，可以在一次工作周期中进行两次数据的传送
DRAM根据技术的更新又分好几代，而使用上较广泛的有所谓的SDRAM与DDR SDRAM两种。
这两种内存的差别除了在于脚位与工作电压上的不同之外，DDR是所谓的双倍数据传送速度（Double Data Rate）， 他可以在一次工作周期中进行两次数据的传送，感觉上就好像是CPU的倍频啦！
所以传输频率方面比SDRAM还要好。新一代的PC大多使用DDR内存了。
SDRAM与DDR SDRAM的型号与频率及带宽之间的关系： 带宽=频率*数据宽度
内存能提供的数据量由CPU 内的内存控制芯片与内存间的传输速度“前端总线速度（Front Side Bus, FSB） 来说明
Byte:字节 1 Byte = 8 bits
k:1k = 1024Byte
M:1M = 1024K
频率:表示内存每秒钟的工作次数
数据宽度:64bit表示cpu一次能读取的数据为64bit
DDR SDRAM又依据技术的发展，有DDR, DDR2, DDR3, DDR4等等，其中，DDR2 的频率倍数则是 4 倍而DDR3 则是 8 倍！
Tips :在图 中，内存的规格内提到 DDR3/DDR3L 同时支持，我们知道 DDR3 了，那DDR3L 是啥鬼？
为了节省更多的电力，新的制程中降低了内存的操作电压，因此 DDR3 标准电压为 1.5V，但 DDR3L 则仅须 1.35V ！通常可以用在耗电量需求更低的笔记本中！
但并非所有的系统都同步支持！这就得要看主板的支持规格啰！否则你买了 DDR3L 安插在不支持的主板上，DDR3L 内存是可能会烧毁的！
内存除了频率/带宽与型号需要考虑之外，内存的容量也是很重要的喔！
因为所有的数据都得要载入内存当中才能够被CPU判读，如果内存容量不够大的话将会导致某些大容量数据无法被完整的载入， 此时已存在内存当中但暂时没有被使用到的数据必须要先被释放，
使得可用内存容量大于该数据，那份新数据才能够被载入呢！ 所以，通常越大的内存代表越快速的系统，这是因为系统不用常常释放一些内存内部的数据。
以服务器来说，内存的容量有时比CPU的速度还要来的重要的！
&& 多通道设计
由于所有的数据都必须要存放在内存，所以内存的数据宽度当然是越大越好。 但传统的总线宽度一般大约仅达64位，为了要加大这个宽度，因此芯片组厂商就将两个内存汇整在一起，
如果一支内存可达64位，两支内存就可以达到128位了，这就是双通道的设计理念。
如上所述，要启用双通道的功能你必须要安插两支（或四支）内存，这两支内存最好连型号都一模一样比较好， 这是因为启动双通道内存功能时，数据是同步写入/读出这一对内存中，
如此才能够提升整体的带宽啊！ 所以当然除了容量大小要一致之外，型号也最好相同啦！
华硕主板示意图上那四根内存插槽的颜色呢？是否分为两种颜色，且两两成对？ 为什么要这样设计？答出来了吗？
是啦！这种颜色的设计就是为了双通道来的！要启动双通道的功能时， 你必须要将两根容量相同的内存插在相同颜色的插槽当中！
Tips 服务器所需要的速度更快！因此，除了双通道之外，中阶服务器也经常提供三信道，甚至四信道的内存环境！
例如 2014 年推出的服务器用 E5-2650 v3 的 Intel CPU 中，它可以接受的最大信道数就是四信道且为 DDR4 ！
DRAM与SRAM
除了内存条之外，事实上整部个人电脑当中还有许许多多的内存存在！最为我们所知的就是CPU内的第二层高速缓存内存。 我们现在知道CPU的数据都是由内存提供，
但CPU到内存之间还是得要通过内存控制器！ 如果某些很常用的程序或数据可以放置到CPU内部的话，那么CPU数据的读取就不需要跑到内存重新读取了！
这对于性能来说不就可以大大的提升？这就是第二层高速缓存的设计概念。第二层高速缓存与内存及CPU的关系如下图所示：
第二层高速缓存（L2 cache）整合到CPU内部，因此这个L2内存的速度必须要CPU频率相同。
使用DRAM是无法达到这个频率速度的，此时就需要静态随机存取内存（Static Random Access Memory, SRAM）的帮忙了。
SRAM在设计上使用的电晶体数量较多，价格较高，且不易做成大容量，不过由于其速度快， 因此整合到CPU内成为高速缓存内存以加快数据的存取是个不错的方式！
新一代的CPU都有内置容量不等的L2高速缓存在CPU内部，以加快CPU的运行性能。
只读存储器（ROM）：
主板上面的元件是非常多的，而每个元件的参数又具有可调整性。举例来说，CPU与内存的频率是可调整的；
而主板上面如果有内置的网卡或者是显卡时，该功能是否要启动与该功能的各项参数， 是被记录到主板上头的一个称为CMOS的芯片上，这个芯片需要借着额外的电源来发挥记录功能，
这也是为什么你的主板上面会有一颗电池缘故。
