服务器基础知识(2)--服务器CPU.pdf
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1、服务器基础知识(服务器基础知识(2 2)-服务器服务器 CPUCPU服务器服务器 CPUCPU服务器服务器 CPUCPU,顾名思义,就是在服务器上使用的CPU(Center Process Unit中央处理器)。我们知道, 服务器是网络中的重要设备, 要接受少至几十人、 多至成千上万人的访问,因此对服务器具有大数据量的快速吞吐、超强的稳定性、长时间运行等严格要求。所以说CPU 是计算机的“大脑”,是衡量服务器性能的首要指标。目前,服务器的CPU 仍按 CPU 的指令系统来区分,通常分为CISC 型 CPU 和 RISC 型 CPU两类,后来又出现了一种64 位的 VLIM(Very Long
2、Instruction Word 超长指令集架构)指令系统的 CPU。一、一、CISCCISC 型型 CPUCPUCISC 是英文“Complex Instruction Set Computer”的缩写,中文意思是“复杂指令集”,它是指英特尔生产的x86(intel CPU 的一种命名规范)系列CPU 及其兼容 CPU(其他厂商如 AMD,VIA 等生产的 CPU),它基于 PC 机(个人电脑)体系结构。这种 CPU 一般都是32 位的结构,所以我们也把它成为IA-32 CPU。(IA: Intel Architecture,Intel 架构)。CISC 型 CPU 目前主要有 intel
3、的服务器 CPU 和 AMD 的服务器 CPU 两类。(1)intel 的服务器 CPU(2)AMD 的服务器 CPU二、二、RISCRISC 型型 CPUCPURISC 是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的缩写,中文意思是“精简指令集”。它是在 CISC(Complex Instruction Set Computer)指令系统基础上发展起来的,有人对 CISC 机进行测试表明,各种指令的使用频度相当悬殊,最常使用的是一些比较简单的指令,它们仅占指令总数的20,但在程序中出现的频度却占80。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性, 使处理器的研制
4、时间长, 成本高。 并且复杂指令需要复杂的操作,必然会降低计算机的速度。 基于上述原因, 20 世纪 80 年代 RISC 型 CPU 诞生了, 相对于 CISC型 CPU ,RISC 型 CPU 不仅精简了指令系统,还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”,大大增加了并行处理能力 (并行处理并行处理是指一台服务器有多个CPU 同时处理。 并行处理能够大大提升服务器的数据处理能力。部门级、企业级的服务器应支持CPU 并行处理技术) 。 也就是说, 架构在同等频率下, 采用 RISC 架构的 CPU 比 CISC 架构的 CPU 性能高很多,这是由 CPU 的技术特征决定的。目前在中高档服务器中
5、普遍采用这一指令系统的CPU,特别是高档服务器全都采用 RISC 指令系统的 CPU。RISC 指令系统更加适合高档服务器的操作系统 UNIX, 现在 Linux 也属于类似 UNIX 的操作系统。 RISC 型 CPU 与 Intel 和 AMD 的 CPU 在软件和硬件上都不兼容。目前,在中高档服务器中采用目前,在中高档服务器中采用 RISCRISC 指令的指令的 CPUCPU 主要有以下几类:主要有以下几类:(1)PowerPC 处理器(2)SPARC 处理器(3)PA-RISC 处理器(4)MIPS 处理器(5)Alpha 处理器从当前的服务器发展状况看,以“小、巧、稳”为特点的IA
6、架构(CISC 架构)的 PC服务器凭借可靠的性能、低廉的价格,得到了更为广泛的应用。在互联网和局域网领域,用于文件服务、打印服务、通讯服务、Web 服务、电子邮件服务、数据库服务、应用服务等用途。最后值得注意的一点, 虽然 CPU 是决定服务器性能最重要的因素之一, 但是如果没有其他配件的支持和配合,CPU 也不能发挥出它应有的性能。三、三、CPUCPU 的几个技术指标的几个技术指标处理器主频处理器主频主频,就是 CPU 的时钟频率,简单说是CPU 运算时的工作频率(1 秒内发生的同步脉冲数)的简称。单位是 Hz。它决定计算机的运行速度,随着计算机的发展,主频由过去MHZ发展到了现在的 GH
7、Z(1G=1024M)。通常来讲,在同系列微处理器,主频越高就代表计算机的速度也越快,但对与不同类型的处理器, 它就只能作为一个参数来作参考。 另外 CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线的各方面的性能指标。 由于主频并不直接代表运算速度, 所以在一定情况下,很可能会出现主频较高的CPU 实际运算速度较低的现象。因此主频仅仅是CPU性能表现的一个方面,而不代表CPU 的整体性能。说到处理器主频,就要提到与之密切相关的两个概念:倍频与外频,外频是 CPU 的基准频率,单位也是MHz。外频是CPU 与主板之间同步运行的速度,而且目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度,
8、在这种方式下, 可以理解为 CPU 的外频直接与内存相连通, 实现两者间的同步运行状态; 倍频即主频与外频之比的倍数。 主频、 外频、倍频,其关系式:主频外频倍频。早期的CPU 并没有“倍频”这个概念,那时主频和系统总线的速度是一样的。随着技术的发展, CPU 速度越来越快,内存、硬盘等配件逐渐跟不上 CPU 的速度了, 而倍频的出现解决了这个问题, 它可使内存等部件仍然工作在相对较低的系统总线频率下,而CPU 的主频可以通过倍频来无限提升(理论上)。我们可以把外频看作是机器内的一条生产线,而倍频则是生产线的条数,一台机器生产速度的快慢(主频) 自然就是生产线的速度(外频)乘以生产线的条数(倍
9、频)了。现在的厂商基本上都已经把倍频锁死,要超频只有从外频下手,通过倍频与外频的搭配来对主板的跳线或在BIOS 中设置软超频,从而达到计算机总体性能的部分提升。所以在购买的时候要尽量注意CPU 的外频。处理器外频外频是 CPU 乃至整个计算机系统的基准频率, 单位是 MHz(兆赫兹)。在早期的电脑中,内存与主板之间的同步运行的速度等于外频, 在这种方式下, 可以理解为 CPU 外频直接与内存相连通, 实现两者间的同步运行状态。 对于目前的计算机系统来说, 两者完全可以不相同,但是外频的意义仍然存在, 计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上, 乘以一定的倍数来实现,这个倍数可以是大于1 的,
10、也可以是小于 1 的。说到处理器外频,就要提到与之密切相关的两个概念:倍频与主频,主频就是 CPU 的时钟频率;倍频即主频与外频之比的倍数。 主频、外频、倍频,其关系式:主频外频倍频。在 486 之前,CPU 的主频还处于一个较低的阶段, CPU 的主频一般都等于外频。 而在 486出现以后,由于 CPU 工作频率不断提高,而 PC 机的一些其他设备(如插卡、硬盘等)却受到工艺的限制,不能承受更高的频率, 因此限制了 CPU 频率的进一步提高。 因此出现了倍频技术, 该技术能够使 CPU 内部工作频率变为外部频率的倍数, 从而通过提升倍频而达到提升主频的目的。 倍频技术就是使外部设备可以工作在
11、一个较低外频上, 而 CPU 主频是外频的倍数。在 Pentium 时代,CPU 的外频一般是 60/66MHz,从 Pentium 350 开始,CPU 外频提高到 100MHz, 目前 CPU 外频已经达到了 200MHz。 由于正常情况下外频和内存总线频率相同,所以当 CPU 外频提高后, 与内存之间的交换速度也相应得到了提高, 对提高电脑整体运行速度影响较大。外频与前端总线(FSB)频率很容易被混为一谈。前端总线的速度指的是CPU 和北桥芯片间总线的速度, 更实质性的表示了 CPU 和外界数据传输的速度。 而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的,也就是说,100MHz 外频
12、特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次, 它更多的影响了 PCI 及其他总线的频率。 之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆,主要的原因是在以前的很长一段时间里(主要是在Pentium 4 出现之前和刚出现Pentium 4 时),前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线为外频,最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展, 人们发现前端总线频率需要高于外频, 因此采用了QDR(Quad Date Rate)技术,或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术的原理类似于AGP 的 2X 或者 4X,它们使得前端总线的频率成为外频的2 倍、4 倍甚至更高,从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们
13、重视起来。处理器缓存缓存(Cache)大小是 CPU 的重要指标之一,其结构与大小对CPU 速度的影响非常大。简单地讲, 缓存就是用来存储一些常用或即将用到的数据或指令, 当需要这些数据或指令的时候直接从缓存中读取, 这样比到内存甚至硬盘中读取要快得多, 能够大幅度提升 CPU 的处理速度。所谓处理器缓存,通常指的是二级高速缓存,或外部高速缓存。即高速缓冲存储器,是位于 CPU 和主存储器 DRAM(Dynamic RAM)之间的规模较小的但速度很高的存储器,通常由SRAM(静态随机存储器)组成。用来存放那些被 CPU 频繁使用的数据,以便使 CPU 不必依赖于速度较慢的 DRAM(动态随机存
14、储器)。L2 高速缓存一直都属于速度极快而价格也相当昂贵的一类内存,称为 SRAM(静态 RAM),SRAM(Static RAM)是静态存储器的英文缩写。由于SRAM 采用了与制作 CPU 相同的半导体工艺, 因此与动态存储器 DRAM 比较, SRAM 的存取速度快,但体积较大,价格很高。处理器缓存的基本思想是用少量的SRAM 作为 CPU 与 DRAM 存储系统之间的缓冲区,即Cache 系统。80486 以及更高档微处理器的一个显著特点是处理器芯片内集成了SRAM 作为Cache,由于这些 Cache 装在芯片内,因此称为片内 Cache。486 芯片内 Cache 的容量通常为8K。
15、高档芯片如 Pentium 为 16KB,Power PC 可达 32KB。Pentium 微处理器进一步改进片内Cache,采用数据和双通道Cache 技术,相对而言,片内Cache 的容量不大,但是非常灵活、方便,极大地提高了微处理器的性能。片内Cache 也称为一级 Cache。由于 486,586 等高档处理器的时钟频率很高, 一旦出现一级 Cache 未命中的情况,性能将明显恶化。在这种情况下采用的办法是在处理器芯片之外再加Cache, 称为二级 Cache。 二级 Cache 实际上是 CPU和主存之间的真正缓冲。由于系统板上的响应时间远低于CPU 的速度,如果没有二级Cache就
16、不可能达到 486,586 等高档处理器的理想速度。二级Cache 的容量通常应比一级 Cache大一个数量级以上。在系统设置中,常要求用户确定二级 Cache 是否安装及尺寸大小等。 二级 Cache 的大小一般为 128KB、256KB 或 512KB。在 486 以上档次的微机中, 普遍采用 256KB或 512KB 同步 Cache。所谓同步是指Cache 和 CPU 采用了相同的时钟周期,以相同的速度同步工作。相对于异步 Cache,性能可提高 30%以上。目前,PC 及其服务器系统的发展趋势之一是CPU 主频越做越高,系统架构越做越先进,而主存 DRAM 的结构和存取时间改进较慢。
17、因此,缓存(Cache)技术愈显重要,在 PC 系统中 Cache 越做越大。广大用户已把Cache 做为评价和选购 PC 系统的一个重要指标。处理器内核处理器内核核心(Die)又称为内核,是 CPU 最重要的组成部分。CPU 中心那块隆起的芯片就是核心,是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的,CPU 所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种 CPU 核心都具有固定的逻辑结构,一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。为了便于 CPU 设计、 生产、 销售的管理, CPU 制造商会对各种 CPU 核心给出相应的代号,这也就是所谓的 CPU 核心类
18、型。IntelIntel 处理器内核处理器内核INTEL Itanium 2INTEL Itanium 2McKinleyMcKinleyMcKinley 核心 Itanium 2处理器主频为 1Ghz 和 900Mhz 两种,32KB L1缓存,256KB L2缓存和 3MB 或者 L3 缓存,采用了 128bit 400MHz FSB接口,可以提供高达 s 的数据传输带宽。相对于 Itanium 处理器,Itanium 2 最大的改变就是将 L3 缓存整合到了处理器内部,同时做了其它的改进性能比前一代64bit 产品有了大幅度的提高。MadisonMadisonMadison 核心的 It
19、anium 2 处理器采用微米制程,运行的128bit 400MHz 的前端总线上,可提供高达 s 的系统带宽, 一级缓存为 16KB, 二级缓存为 256KB, 而三级缓存则提供了 3MB、4MB、6MB、9MB 等多种型号可供选择,频率则从开始起跳,由于架构与IA32 的 Xeon 处理器完全不同,性能上的提供相当明显。Madison 核心的 Itanium 2 可支持两路以上的 SMP,属于高档的 Itanium 2 MP 系列,目前在 Itanium 2 中应用最为广泛。FanwoodFanwood事实上采用 Fanwood 核心的 Itanium 2 也是 Madison 核心的两路
20、 SMP 演化版本, Fanwood运行于 400MHz 前端总线,一级缓存为16KB,二级缓存为 256KB,并且也具有最大 9MB 的三级缓存可供选择,除去不支持两路以上的SMP 外和 Madison 核心完全一致,Fanwood 核心的Itanium 2 频率从开始起跳,而低电压版本的Fanwood 频率则从 1GHz 开始起跳。DeerfieldDeerfield低电压 (LV)版 Itanium 2 处理器采用 Deerfield 核心,同样基于微米制程的Madison核心演化而成,但由于核心电压的下降,其时钟频率在1 GHz 和 GHz 之间的几个型号可供选择,同时三级缓存也只具有
21、和3MB 两种规格。不过由于其功耗为62 瓦,而且价格也大为降低,因此多采用于低成本系统和密集环境,如刀片服务器等。INTEL Xeon MPINTEL Xeon MPGallatinGallatin是 XEON MP 的核心名称,采用微米制程,前端总线是400MHz,Socket603 接口,集成512KB 二级缓存,1 到 4M 三级缓存,400FSB,支持最多 4 个 CPU 的 SMP,支持超线程技术。的带 1ML3, 有 5 千 5 百万和 6 千 1 百万晶体管二种类型产品, 的, 有 2 和 4M 缓存两种,分为 5 千 5 百万和 1 亿 2 千 3 百万晶体管产品。Potom
22、acPotomac支持 EM64T 基于 Potomac 核心的 Xeon MP,Potomac 是 Nocona 的大缓存,多 SMP 版本,其采用了微米制程,处具备 1MB 的二级缓存外,还具备 4 至 8MB 的三级缓存,前端总线也由以前的 400MHz 提升到 667MHz,频率则由开始起跳,同时而Potomac 可支持四路或八路处理器。其它特性方面类似于Nocona 核心的 Xeon DP。与 Potomac 一起发布的还有与其搭配的E8500 芯片组,除支持多路 SMP 外,最大可支持 64GB DDR2-400 Registered/ECC内存,并支持内存热插拔、内存 RAID、
23、内存映射等技术,并为未来的多核心处理器做好了支持的准备。同时也引入了新一代的PCI Express 扩展接口,最大可达 28 通道,为了实现企业级用户的高可用性,这些接口都支持热插拔。CranfordCranford为了让 Xeon MP得到更多的支持和应用,Intel 在 Potomac 核心的基础上推出了代号为Cranford 的简化版新 Xeon MP,彻底去除了Potomac 核心的三级缓存,看起来更像是支持多路处理的 Nocona 核心 Xeon DP。与 Potomac 一样,Cranford 也使用了 667MHz 的前端总线、1MB 的二级缓存,频率由较高的开始起跳。Paxvi
24、llePaxville(双核心)(双核心)Paxville 是 Xeon MP 的首款双核心, 主要分为 7041 2X2MB 3GHz 800FSB, 7040 2X2MB 3GHz667FSB,7030 2X1MB 800FSB,7020 2X1MB 667FSB几种型号。同 Pentium D 处理器非常的相似,也是将两个完全相同的处理器核心封装在一起,每个核心独享 2MB 或 1MB L2 缓存,共享800MHz 或 667MHz 的 FSB,支持超线程, VT、HT、EM64T、EDbit 等技术。这款处理器集成了高达3 亿个晶体管,依然采用 90nm 晶圆生产工艺,而并非英特尔已经
25、应用于桌面处理器的65nm 晶圆生产工艺。 这款双核 Xeon 处理器采用了同单核Xeon 同样的封装形式,均为604-pin FC-mPGA4(Flip Chip Micro Pin Grid Array),因此可以安装在现有的 Xeon 平台上。支持此款双核心的芯片组为INTEL E8501。TulsaTulsa(双核心)(双核心)全新企业级 Xeon MP 双核心处理器 Tulsa,是上代“Paxville”核心7000 系列的升级型号,最大变化即生产制程从90 微米过渡到了 65 微米。Xeon MP 7100 系列全部采用此核心, 它是全球 Cache 数目最大及晶体管数目最多的x8
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