本文來自微信公眾號(hào)：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(hào)的時(shí)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(huì)上發(fā)布的各種 CPU 參數(shù)。借著這個(gè)時(shí)機(jī)，我給大家深入地講講 CPU 的型號(hào)規(guī)則、代際架構(gòu)與微架構(gòu)方面的知識(shí)。

CPU 在整個(gè)計(jì)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(duì) 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(shí) CPU。

在本文中，我以手頭有一臺(tái)之前用過的 ThinkPad x270 的筆記本電腦舉例。在這臺(tái)電腦中的 CPU 型號(hào)是 Intel (R) Core (TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz。那么這個(gè)型號(hào)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(gè)型號(hào)為切入點(diǎn)，深入地了解個(gè)人 PC 電腦中 CPU 硬件相關(guān)的技術(shù)點(diǎn)。

一、Intel 的 CPU 型號(hào)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(hào)的產(chǎn)品，也為了能更好地讓消費(fèi)者對(duì)自己家的產(chǎn)品快速地了解。都會(huì)定義一套產(chǎn)品規(guī)則。對(duì)于 Intel 來說，它的命令規(guī)則大致如下：

Intel 把 CPU 的編號(hào)分成了品牌標(biāo)志、品牌修飾符、代際編號(hào)、SKU、產(chǎn)品線后綴五個(gè)部分。接下來我們分別展開對(duì)這五個(gè)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(chǎng)需求，包括凌動(dòng)、賽揚(yáng)、奔騰、酷睿、至強(qiáng)等多個(gè)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(gè)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(shí)間里是 PC 家用電腦的主流。賽揚(yáng)是 1998 年時(shí)為了和 AMD 競爭低價(jià)市場(chǎng)推出的產(chǎn)品，可以理解為縮水版的奔騰。酷睿是 2006 年推出，直到現(xiàn)在仍然是 PC 電腦里的主流品牌。

• 志強(qiáng)（Xeon）是企業(yè)級(jí)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(gè)子品牌旗下的產(chǎn)品。

• 凌動(dòng)（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?yàn)楣膯栴}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(chǎng)。

第二部分是品牌修飾符。這個(gè)部分是為了區(qū)分處理器的市場(chǎng)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(hào)。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(hào)是“7”。這個(gè)代際編號(hào)對(duì)應(yīng)的是 Intel 于 2016 年推出的內(nèi)部代號(hào)為“Kaby Lake” 的 CPU 架構(gòu)。一般來說，CPU 代際編號(hào)越大，則代表架構(gòu)推出的時(shí)間點(diǎn)越新。單核的性能也會(huì)更好。關(guān)于“Kaby Lake” 后面我們還會(huì)單獨(dú)介紹。

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

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(tái)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(hào)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?cè)倩仡^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(gè) Intel 的酷睿子品牌的 CPU，i7 代表著中高端，代際編號(hào)是 7，這個(gè)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(hào)是 200。產(chǎn)品線后綴的 U 代表的是低功耗，比較省電，同時(shí)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(hào)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(gè) CPU 的檔次。14 代表的是代際。900、700、600 屬于 SKU 編號(hào)。

二、CPU 的代際

前面在看到 Kaby Lake 的時(shí)候，肯定很多小伙伴都會(huì)表示看不懂這是什么意思。所以這里專門準(zhǔn)備一個(gè)小節(jié)來解釋下。前面我們提到每個(gè) CPU 型號(hào)中都包含了一個(gè)代際編號(hào)。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(gè)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(jì)的不同。各個(gè)代際除了這個(gè)數(shù)字的編號(hào)外，還會(huì)有一個(gè)英文代號(hào)。比如第 7 代的代際編號(hào)就是 Kaby Lake。最新的第 14 代的代際編號(hào)是 Raptor Lake Refresh。下表是我搜集整理到的各個(gè)代際的信息（在手機(jī)上看需要往右拖動(dòng)一下表格才能夠看全）。

時(shí)間	代數(shù)	CPU 代際	制程工藝	微架構(gòu)
2013	第 4 代	Haswell	22nm	Haswell
2014	第 5 代	Broadwell	14nm	Haswell
2015	第 6 代	Skylake(client)	14nm	Skylake
2016	第 7 代	Kaby Lake	14nm	Skylake
2017	第 8 代	Coffee Lake	14nm	Skylake
2018	第 9 代	Coffee Lake Refresh	14nm	Skylake
2019	第 10 代	Ice Lake(client)	10nm	Sunny Cove
2020	第 11 代	Tiger Lake	10nm	Willow Cove
2021	第 12 代	Alder Lake S	7nm	大核 Golden Cove 小核 Gracemont
2022	第 13 代	Raptor Lake	7nm	大核 Raptor Cove 小核 Gracemont
2023	第 14 代	Raptor Lake Refresh	7nm	大核 Raptor Cove 小核 Gracemont

在上面的表中，我列出了每一代 CPU 發(fā)行的時(shí)間、代數(shù)、代際編號(hào)、制程工藝，還有最后一列是微架構(gòu)。因?yàn)槲业睦想娔X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(duì)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(gè)

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(gè)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?yàn)槲覀儾淮蛩闵钊胫v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(duì)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(gè) 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(huì)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(cè)識(shí)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(jì)

另外每個(gè)代際的 CPU 還有個(gè)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(gè)物理核設(shè)計(jì)時(shí)采用的技術(shù)方案。不同的微架構(gòu)對(duì)核的設(shè)計(jì)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(huì)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(hào)為 Kaby Lake，微架構(gòu)的設(shè)計(jì)仍然沿用的是 Skylake 中的核設(shè)計(jì)。那么 Skylake 中的物理核是怎么設(shè)計(jì)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(duì)列中，等待 CPU 后端處理。還包括了 CPU 中的分支預(yù)測(cè)的實(shí)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(duì)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(gè)端口。每個(gè)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(chǔ)操作。每個(gè)

因?yàn)橛?8 個(gè) Port，所以后端在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，是可以最多處理 8 個(gè)微操作的。

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

在這里包括了 L1 級(jí)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(jì)也是不同的，單核性能也會(huì)有變化，后面的文章里我們?cè)僦v。

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(gè) 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(chǔ)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(chǔ)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(duì) CPU 會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí)了。后面我們?cè)賮硪黄恼陆榻B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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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入了解 CPU 的型号、代际架构与微架构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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