【電腦科普】CPU-電腦運作的核心

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 27 日 12:00 | 分類 零組件 , 電腦 follow us in feedly

電腦,是現代科技中,最直接影響人們生活的技術。我們常用的筆電、智慧型手機都可算是電腦的一種。然而,電腦究竟是如何運作的呢?先前一系列文章中,已經介紹過 IC 的製造流程,電腦中的零組件大多是依循著這些流程製造出來的。然而,電腦究竟有哪些零組件?他們又是如何運作的?



首先,電腦有兩個重要元件,分別為 CPU 以及記憶體。CPU 負責做電腦控制,記憶體則做常用資料的儲存。也因此,大多數的消費者在升級電腦時,會優先升級這兩者。其他的零組件則還有負責進行圖形計算的 GPU 以及儲存大量資料的硬碟等。

 

CPU,電腦的核心

CPU,全名中央處理器(Central processing unit),是電腦的大腦。在電腦中,所有的指令都是 CPU 所下。它的重要性,就像是一間公司的全能經理,一個人便能完成多種複雜的工作,還會依照每個人的特性分配工作。只要有 CPU,整台電腦都會在掌控中,穩定的運作。

因為 CPU 是電腦的大腦,當要升級電腦的時候,優先升級的其中一個零組件便是 CPU。因此,在電腦規格中,各家的規格也就會優先標注每台電腦採用哪一家的 CPU,效能比前一代快多少等。

CPU 主要會分成三個部分,分別為「控制單元」、「算數邏輯運算單元」與「暫存器」。控制元件會依據程式的指令,控制算術邏輯運算單元以及暫存器的運作。算術邏輯運算單元則負責進行四則運算,以及布林邏輯運算。暫存器會儲存等待運算以及運算完的資料,此外還包含控制元件要接續執行的指令。下圖為 CPU 內部的簡圖。

CPU

電腦架構、設計以及實作的規範

目前,消費市場中最常見的 CPU 主要有兩大家族:X86 架構以及 ARM 架構。架構指的是電腦內部的設計以及實作的規範。像 ARM 以及 X86 就有不同的規範,影響兩者的實作方法以及效能。此外,架構可再細分成指令集架構以及微架構。

指令集架構(Instruction Set Architecture,ISA),是電腦指令的集合。ISA 就像是憲法,憲法只有規範大致的政府組織架構以及人民的權利和義務,剩下的就由法律補足。ISA 只規範 CPU 設計的規格,實際的實作方法則由微架構定義。

在 ISA 的規格中,只有要求 CPU 要支援哪些指令以及暫存器的大小。此外,支援的指令種類會影響控制元件的設計以及算數邏輯運算單元,因為控制元件是解讀指令,並控制算數邏輯運算單元的運作並將結果存至暫存器裡。可以說整個 CPU 是依循著 ISA 而生。

微架構(Microarchitecture),則是定義要如何實作出一顆 CPU。如果說 ISA 是憲法,那微架構就是法律。微架構明確的定義了實作 CPU 要有哪些元件,以及運行速度還有運行順序。此外,一個 ISA 可以產生多種微架構並不斷地改版。就像法律會依循社會而不斷的變動,但是憲法不會一直變動一樣。

Intel 新一代的 CPU 就是透過微架構的更新升級。近期推出的 Skylake 就是一例,Skylake 和 Broadwell 皆為 14nm 製程且都是 X86 架構,但是因為內部的設計改變使得效能有所不同。採用 ARM 架構的企業,也會因微架構的不同導致手機晶片有不同的效能,這也就是為何一樣採用 ARM 架構但是四核心的 CPU 不輸其他間企業的八核心 CPU。

 

X86 和 ARM 授權差異

ARM 架構主要是由 ARM 這間企業擁有,他們不自行製造 CPU 而是採用授權的方式,讓其他企業得以依循 ARM 的規範製造 CPU,或由 ARM 直接販售 CPU 的製造方法。因此,才會有這麼多企業採用,擁有相當高的市佔率。採用 ARM 的 CPU 主要有 Apple、高通、聯發科等,大部份的手機以及平板都是使用 ARM 架構的 CPU。

和 ARM 相比,X86 則是由 Intel 和 AMD 等企業自主設計以及製造,所以市面上的桌機或筆電大多是 X86 架構的 CPU。此外,由於 X86 尚未採取和 ARM 一樣的方式,授權其他廠商採用該架構,這也就是為何採用 X86 的企業比採用 ARM 的企業還要少。

然而,為何 X86 得以在市場上佔有一席之地而非被 ARM 取代?主因是兩者早期在發展時,追求不同的目標,X86 主攻高速計算,ARM 則是主攻低耗能。因此,在市場上,會有低時脈雙核心筆電的 CPU 計算速度勝於高時脈 8 核心的手機 CPU 的情形發生。

由此可知,多核心或高時脈並不全然代表高效能,還會有其他的因素參雜其中。像是微架構的新舊版本之差異、內部電路設計的改進、軟體支援的完善程度等。所以當有業者強調高時脈或多核心就代表高效能時,不需全然接受,畢竟有多種因素會抵銷多核或高時脈所帶來的優勢。

但是,隨著技術的演進,現在 X86 和 ARM 都在朝向對手原有的優勢發展,低功耗 Core M 的問世便是最明顯的例子。接下來,這兩大架構間的競爭將越來越激烈,或許會越來越常看到採用 X86 的手機或是採用 ARM 的筆電。之後,這兩者會提出何種方案以應對,令人相當期待。

(首圖來源:Flickr/qwikrex CC BY 2.0) 

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