深入了解 CPU 的型號、代際架構(gòu)與微架構(gòu)

本文來自微信公眾號：開發(fā)內(nèi)功修煉 （ID：kfngxl），作者：張彥飛 allen

大家好，我是飛哥！

在 10 月 16 號的時候，Intel 正式發(fā)布了第 14 代的酷睿處理器。但還有很多同學(xué)看不懂這種發(fā)布會上發(fā)布的各種 CPU 參數(shù)。借著這個時機(jī)，我給大家深入地講講 CPU 的型號規(guī)則、代際架構(gòu)與微架構(gòu)方面的知識。

CPU 在整個計算機(jī)硬件中、技術(shù)體系中都算是最最重要的東西了。但很遺憾的是，80% 以上的開發(fā)同學(xué)對 CPU 并不是很了解。所以在前面的文章中，我?guī)ьI(lǐng)大家深入地學(xué)習(xí)了很多內(nèi)核中管理和調(diào)度 CPU 資源相關(guān)的文章。在今天，我從 CPU 硬件相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)切入，帶領(lǐng)大家更好地認(rèn)識 CPU。

在本文中，我以手頭有一臺之前用過的 ThinkPad x270 的筆記本電腦舉例。在這臺電腦中的 CPU 型號是 Intel (R) Core (TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz。那么這個型號字符串中都隱含了哪些技術(shù)信息呢？今天，就讓我們以這個型號為切入點(diǎn)，深入地了解個人 PC 電腦中 CPU 硬件相關(guān)的技術(shù)點(diǎn)。

一、Intel 的 CPU 型號規(guī)則

無論是哪家 CPU 廠商，為了更好地管理自己生產(chǎn)的眾多型號的產(chǎn)品，也為了能更好地讓消費(fèi)者對自己家的產(chǎn)品快速地了解。都會定義一套產(chǎn)品規(guī)則。對于 Intel 來說，它的命令規(guī)則大致如下：

Intel 把 CPU 的編號分成了品牌標(biāo)志、品牌修飾符、代際編號、SKU、產(chǎn)品線后綴五個部分。接下來我們分別展開對這五個部分來了解。

第一部分是品牌標(biāo)志。最最常見的 x86 CPU 品牌包括 Intel 和 AMD 兩家公司。而 Intel 又面向不同的市場需求，包括凌動、賽揚(yáng)、奔騰、酷睿、至強(qiáng)等多個子品牌。

• 酷睿（CORE）、賽揚(yáng)（CELERON）、奔騰（PENTIUM）都是應(yīng)用在家用 PC 電腦上的品牌。其中奔騰和賽揚(yáng)這兩個品牌已經(jīng)算作是歷史了。奔騰在 1992 年推出，之后在很長一段時間里是 PC 家用電腦的主流。賽揚(yáng)是 1998 年時為了和 AMD 競爭低價市場推出的產(chǎn)品，可以理解為縮水版的奔騰?？犷Ｊ?2006 年推出，直到現(xiàn)在仍然是 PC 電腦里的主流品牌。

• 至強(qiáng)（Xeon）是企業(yè)級的 CPU，多用于服務(wù)器和工作站。大家在工作中使用的線上服務(wù)器，基本都是這個子品牌旗下的產(chǎn)品。

• 凌動（Atom）主打省電和低功耗，主要用在手機(jī)平板等設(shè)備上。是的，Intel 也是做過手機(jī) CPU 的，但因為功耗問題在競爭中被 arm 架構(gòu)各家處理器廠商打敗，在 2016 年后逐漸退出市場。

第二部分是品牌修飾符。這個部分是為了區(qū)分處理器的市場定位的，一般來說同一年代生產(chǎn)的 CPU 中，i3 i5 i7 i9 的性能是依次遞增的。分別代表著低端、中端和高端的定位。

第三部分是 CPU 的代際編號。這一部分有可能是一位數(shù)字，也有可能是兩位的數(shù)字。在我們舉例的這顆 CPU 上，代際編號是“7”。這個代際編號對應(yīng)的是 Intel 于 2016 年推出的內(nèi)部代號為“Kaby Lake” 的 CPU 架構(gòu)。一般來說，CPU 代際編號越大，則代表架構(gòu)推出的時間點(diǎn)越新。單核的性能也會更好。關(guān)于“Kaby Lake” 后面我們還會單獨(dú)介紹。

第四部分是 SKU 編號。這是 CPU 廠商為了方便對所有的產(chǎn)品進(jìn)行庫存管理而制定的編號。這類似于超市里商品的條形碼、圖書的 ISBN 號，方便查詢和管理產(chǎn)品的庫存量。一般來說，這個值也是越大性能越好，但不絕對。

第五部分是產(chǎn)品線后綴。在筆記本電腦中，H 代表的是高性能、U 系列代表的是較低功耗、Y 系列代表的是極低的功耗。在臺式機(jī)中，X 代表的是最高性能、K 代表的是高性能、T 代表的是功耗優(yōu)化。

關(guān)于型號規(guī)則大家也可以參考 Intel 的官網(wǎng)介紹（https://www.intel.cn/ content / www / cn / zh / processors / processor-numbers.html）。

現(xiàn)在我們再回頭來看一下我們開頭提到的 CPU，Intel (R) Core (TM) i5-7200U CPU。這里面包含的含義就是，這是一個 Intel 的酷睿子品牌的 CPU，i7 代表著中高端，代際編號是 7，這個代際的處理器架構(gòu)是 2016 年發(fā)布的采用的 Kaby Lake 架構(gòu)生產(chǎn)的。SKU 編號是 200。產(chǎn)品線后綴的 U 代表的是低功耗，比較省電，同時也就代表著性能并不是最強(qiáng)的。

在看最新的發(fā)布的酷睿 CPU 型號有，Intel (R) Core (TM) i9-14900K、Intel (R) Core (TM) i7-14700K、Intel (R) Core (TM) i5-14600K 等幾款 CPU。這里面也表示了還是屬于 Intel 酷睿 子品牌下的產(chǎn)品。i9、i7、i5 分別代表著每個 CPU 的檔次。14 代表的是代際。900、700、600 屬于 SKU 編號。

二、CPU 的代際

前面在看到 Kaby Lake 的時候，肯定很多小伙伴都會表示看不懂這是什么意思。所以這里專門準(zhǔn)備一個小節(jié)來解釋下。前面我們提到每個 CPU 型號中都包含了一個代際編號。比如第 7 代、第 8 代，就在剛剛 2023 的 10 月 16 日，已經(jīng)更新到了第 14 代。

這個代際代表的 CPU 的生產(chǎn)年份不同、生產(chǎn)工藝不同、架構(gòu)設(shè)計的不同。各個代際除了這個數(shù)字的編號外，還會有一個英文代號。比如第 7 代的代際編號就是 Kaby Lake。最新的第 14 代的代際編號是 Raptor Lake Refresh。下表是我搜集整理到的各個代際的信息（在手機(jī)上看需要往右拖動一下表格才能夠看全）。

在上面的表中，我列出了每一代 CPU 發(fā)行的時間、代數(shù)、代際編號、制程工藝，還有最后一列是微架構(gòu)。因為我的老電腦中的 CPU 是 Kaby Lake，所以我把 Kaby Lake 的詳細(xì)的資料給大家翻出來。

我們這顆 CPU 是雙核四線程的。所以對應(yīng)的 CPU 的 die 圖（CPU 芯片的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)）就是下面這個

在 Die 圖中，最上方的 Memory Controller 是內(nèi)存控制器。當(dāng)前 CPU 能支持什么樣規(guī)格的內(nèi)存，以及能支持多大的內(nèi)存，都是由 CPU 中的內(nèi)存控制器來決定的。其中 Kaby Lake 的內(nèi)存控制器相比上一代 Skylake 來說，將支持的內(nèi)存頻率從 DDR4-2133 提升到了 DDR4-2400。

下方中間位置是兩個物理核，這是 CPU 中最重要的部分。還有兩塊 L3 Cache，要注意的是雖然在硬件上是有兩塊 L3，但不管有幾塊，所有的 L3 緩存都是所有核共享的。

在 CPU 的下方最右側(cè)的 Gen9.5 是 CPU 中集成顯卡。因為我們不打算深入講顯卡，所以這里大家只要知道 PC 電腦的 CPU 里是包含一塊集成顯卡的就夠了。對這塊顯卡感興趣的同學(xué)可以移步 https://en.wikichip.org/ wiki / intel / microarchitectures / gen9。

在 CPU 的下方最左側(cè)是 System Agent 模塊。在該模塊中主要包括外圍組件快速互聯(lián)（Peripheral Component Interconnect Express，簡稱 PCIe） 通道、圖像處理單元（Image Processing Unit，IPU) 等

在 Kaby Lake 中包含 20 個 PCIe 通道。其中有的通道是用于和顯卡通信，有的是通過南橋和硬盤、網(wǎng)卡等設(shè)備通信。

南橋芯片是用于幫助 CPU 和外圍設(shè)備交互的。固態(tài)硬盤、機(jī)械硬盤、網(wǎng)卡等 IO 設(shè)備一般來說都是通過南橋來和 CPU 相連的。南橋會收集好了這些設(shè)備上的數(shù)據(jù)再傳輸給 CPU 處理。另外現(xiàn)在有些高性能的固態(tài)硬盤也是直接通過 PCIe 通道和 CPU 通信，這樣的硬盤性能更好。

另外 IPU 的功能是支持視頻錄制成像、人臉檢測識別等圖像相關(guān)處理的硬件支持。

以上就是 Kaby Lake 架構(gòu)下 CPU 的主要物理結(jié)構(gòu)。

另外從表中還可以看到 Kaby Lake 是 2016 年發(fā)布的，制程工藝是 14 nm。CPU 的制程工藝一直在進(jìn)步，從 2013 年的 22 nm 逐步發(fā)展到了今天的 7 nm。制程工藝的進(jìn)步帶來的好處主要是能效比的提升，單位面積上晶體管的數(shù)量增加了，但是需要的能耗卻變低了。

至于說其它的代際的架構(gòu)中的內(nèi)存控制器、PCIe 通道的變化情況，我們后面再單獨(dú)寫一篇文章。

三、物理核微架構(gòu)設(shè)計

另外每個代際的 CPU 還有個非常不同的地方在于微架構(gòu)的不同。微架構(gòu)指的是每個物理核設(shè)計時采用的技術(shù)方案。不同的微架構(gòu)對核的設(shè)計是不同的，比如 TLB、L1、L2 等各種緩存，再比如 CPU 核內(nèi)部的運(yùn)算單元都會有所不同。

通過上一節(jié)中的表格，可以看到我手頭的這顆 Intel (R) Core (TM) i5-7200U CPU 代際編號為 Kaby Lake，微架構(gòu)的設(shè)計仍然沿用的是 Skylake 中的核設(shè)計。那么 Skylake 中的物理核是怎么設(shè)計的呢？我從官網(wǎng)站到了它的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)。

上面的圖中大致可以根據(jù)顏色的不同分成三大塊區(qū)域。

第一塊區(qū)域是黃色部分的前端，也叫 Front End。

前端部分的作用是從內(nèi)存中獲取指令并解碼，然后把解碼后的指令放到隊列中，等待 CPU 后端處理。還包括了 CPU 中的分支預(yù)測的實現(xiàn) BPU。另外也還包含解析指令是需要用到的 L1 指令緩存和指令 TLB。

其中從上圖中也可以看到，Skylake 核中的 L1 指令緩存的大小是 32 KiB。

第二塊區(qū)域是綠色的后端，又叫 Execution Engine。

后端模塊的作用是從隊列中獲取前端解碼好了的指令開始運(yùn)行。在后端中包括 Port0、Port1、...、Port7 等 8 個端口。每個端口都支持不同的微操作（uOP）的處理。

其中 Port0、Port1、Port5、Port6 支持整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)的加法運(yùn)算，Port2、Port3 用于地址生成和加載，Port4 用于存儲操作。每個

因為有 8 個 Port，所以后端在一個時鐘周期內(nèi)，是可以最多處理 8 個微操作的。

第三塊區(qū)域是紫色的存儲系統(tǒng)，又叫 Momory SubSystem。

在這里包括了 L1 級別的 Data 緩存區(qū)，圖中也展示了它的大小是 32KiB。還包括 L2 緩存，其大小是 256 KiB。另外還有 Data TLB 等緩存。這些緩存都是位于 CPU 核內(nèi)部的。訪問它們的速度比訪問內(nèi)存更快。

不同代際的 CPU 的微架構(gòu)設(shè)計也是不同的，單核性能也會有變化，后面的文章里我們再講。

總結(jié)

今天借助我手頭的一枚老舊的 CPU Intel (R) Core (TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz。咱們深入地介紹了 Intel 的 CPU 命名規(guī)則。了解了命名規(guī)則有助于你快速判斷一顆 CPU 的大概的性能。不過如果你是一名發(fā)燒友，還是建議你搜索天梯圖來了解每個 CPU 的排名情況。

另外我們也找到了這顆 CPU 的硬件解剖圖 - Die 圖。從 Die 圖里我們直觀地看到了 CPU 內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)。在 i5-7200U 中包括了集成顯卡、包括了物理核、還看到了 L3 緩存的位置。另外內(nèi)存控制器也是集成在 CPU 的，CPU 就是通過它來和內(nèi)存通信的。還有就是 PCIe 通道，是 CPU 用來和硬盤、網(wǎng)卡、顯卡等設(shè)備通信的通路。

最后我們深入到了 Skylake 的物理核的內(nèi)部。了解到了物理核中的三大組成部分：前端、后端和存儲模塊。其中前端負(fù)責(zé)指令的解析，后端負(fù)責(zé)指令解析后的微操作的運(yùn)行處理。存儲系統(tǒng)為前端和后端提供了 L1、L2 等緩存，用于加速內(nèi)存訪問。

看到這里，相信你對 CPU 會有更深刻的認(rèn)識了。后面我們再來一篇文章介紹不同代際中都在哪些地方有進(jìn)步。別猶豫，快把本文快分享給你的好基友吧！

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