主频

基本知识

　　我们都知道，脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫）。电脑中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。其1GHz=1000MHz1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（纳秒），其中：1s=1000ms，1 ms=1000μs，1μs=1000ns。 　　

　　CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集，CPU的位数等等）。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。比如AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能以较低的主频，达到英特尔公司的Pentium 4系列CPU较高主频的CPU性能，所以AthlonXP系列CPU才以PR值的方式来命名。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。 　　

　　CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。举个例子来说，假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。 　　

　　提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。由于CPU是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。因此制造工艺的限制，是CPU主频发展的障碍之一。

和内存区别

　　内存主频和CPU主频一样，习惯上被用来表示内存的速度，它代表着该内存所能达到的工作频率。内存主频是以MHz（兆赫）为单位来计量的。内存主频越高在一定程度上代表着内存所能达到的速度越快。内存主频决定着该内存能在什么样的频率正常工作。目前市场上较为主流的是333MHz和400MHz的DDR内存。

　　大家知道，计算机系统的时钟速度是以频率来衡量的。晶体振荡器控制着时钟速度，在石英晶片上加上电压，其就以正弦波的形式震动起来，这一震动可以通过晶片的形变和大小记录下来。晶体的震动以正弦调和变化的电流的形式表现出来，这一变化的电流就是时钟信号。而内存本身并不具备晶体振荡器，因此内存工作时的时钟信号是由主板芯片组的北桥或直接由主板的时钟发生器提供的，也就是说内存无法决定自身的工作频率，其实际工作频率是由主板来决定的。

　　一般情况下内存的工作频率是和主板的外频相一致的，通过主板的调节CPU的外频也就调整了内存的实际工作频率。内存工作时有两种工作模式，一种是同步工作模式，此模式下内存的实际工作频率与CPU外频一致，这是大部分主板所采用的默认内存工作模式。另外一种是异步工作模式，这样允许内存的工作频率与CPU外频可存在一定差异，它可以让内存工作在高出或低于系统总线速度33MHz，又或者让内存和外频以3：4、4：5等,定比例的频率上。利用异步工作模式技术就可以避免以往超频而导致的内存瓶颈问题。

　　举个例子：一块845E的主板只能支持DDR266内存，其主频是266MHz，这是DDR内存的等效频率，其实际工作频率是133MHz。在正常情况下（不进行超频），该主板上内存工作频率可以设置到DDR266的模式。但如果主板支持内存异步功能，那么就可以采用内存、外频频率以4：5的比例模式下工作，这样内存的工作频率就可以达到166MHz，此时主板就可以支持DDR333（等效频率333MHz，实际频率166MHz）了。

其他相关概念

　　我们还经常碰到外频和倍频这两个词语，那么他们是什么意思呢？

　　外频，也叫CPU外部频率或基频，计量单位为“MHz“。CPU的主频与外频有一定的比例（倍频）关系，由于内存和设置在主板上的L2Cache的工作频率与CPU外频同步，所以使用外频高的CPU组装电脑，其整体性能比使用相同主频但外频低一级的CPU要高。这项参数关系试用于主板的选择。

　　倍频，是CPU主频和外频之间的比例关系，一般为：主频=外频*倍频。Intel公司所有CPU（少数测试产品例外）的倍频 通常已被锁定（锁频），用户无法用调整倍频的方法来调整CPU的主频，但仍然可以通过调整外频为设置不同的主频。AMD和其它公司的CPU未锁频。

　　我们知道，电脑有许多配件，配件不同，速度也就不同。在286、386和早期的486电脑里，CPU的速度不是太高，和内存保持一样的速度。后来随着CPU速度的飞速提升，内存由于电气结构关系，无法象CPU那样提升很高的速度（就算现在内存达到400、533，但跟CPU的几个G的速度相比，根本就不是一个级别的），于是造成了内存和CPU之间出现了速度差异。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 Ⅱ 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。

　　CPU主频、外频和前端总线（FSB）频率的单位都是Hz，目前通常是以MHz和GHz作为计量单位。需要注意的是不要将外频和FSB频率混为一谈，我们时常在IT媒体上可以看见一些外频800MHz、533MHz的词语，其实这些是把外频和FSB给混淆了。例如Pentium 4处理器的外频目前有100MHz和133MHz两种，由于Intel使用了四倍传输技术，受益于Pentium4处理器的四倍数据传输（QDR，Quad data Rate）总线。该技术可以使系统总线在一个时钟周期内传送4次数据，也就是传输效率是原来的4倍，相当于用了4条原来的前端总线来和内存发生联系。在外频仍然是133MHZ（如P4 Northwood处理器）的时候，前端总线的速度增加4倍变成了133×4=533MHZ，当外频升到200MHZ，前端总线变成800MHZ，所以你会看到533前端总线的P4和800前端总线的P4，就是这样来的。他们的实际外频只有133和200。即FSB=CPU外频×4。AMD Athlon 64处理器基于同样的道理，也将会以200MHz外频支持800MHz的前端总线频率。但是对于AMD Athlon XP处理器，因其前端总线使用双倍数据传输技术（DDR，Double Date Rate），它的前端总线频率为外频的两倍，所以外频200MHz的Athlon XP处理器的前端总线频率为400MHz。对于早期的处理器，如Pentium III，其外频和前端总线频率是相等的。

　　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重视起来。FSB是将CPU连接到北桥芯片的总线，也是CPU和外界交换数据的主要通道，因此前端总线的数据传输能力对整机性能影响很大，数据传输带宽取决于所有同时传输数据的宽度和传输频率，即数据带宽＝总线频率×数据位宽÷8。例如Intel公司的PⅡ 333使用6 6MHz的前端总线，所以它与内存之间的数据交换带宽为528MB/s =（66×64）/8，而其PⅡ 350则使用100MHz的前端总线，所以其数据交换峰值带宽为800MB/s=（100×64）/8。再比如Intel 845芯片组只支持单通道DDR333内存，所以理论内存带宽为333MHz×8Bytes（数据宽度）＝2.7GB/s，而Intel 875平台在双通道下的内存带宽可达400MHz×8Bytes（数据宽度）×2＝6.4GB/s。目前PC机常用的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz几种。

研究进展情况

　　IBM公司近日宣称，其已经研发出世界上“最快的”微处理器芯片。这款被IBM称为z196的微处理器芯片为企业级四核芯片。该芯片在512平方毫米的表面上，装载有14亿个晶体管，每秒可以完成500亿个指令，其主频为5.2GHz。尽管铁杆超频发烧友可以通过跳频等方法使得微处理器获得高于5.2GHz的主频，但IBM的这款z196并不需要其他降温冷却措施即可达到5.2GHz的主频。

　　z196芯片利用IBM45纳米SOI处理器技术制造而成，并内嵌DRAM（eDRAM）科技。在过去三年中，IBM花费15亿美元用户该芯片的研发。专家预期，在不久的未来，IBM将把该芯片用于大型机zEnterprise 196中。zEnterprise 196系统比其前一代的处理器系统z10系统运算能力高出60[%]，比1970年，IBM代Model 91系统运算能力高出近1.7万倍。

　　Engadget网站透露消息称，富士通Venus CPU的处理速度为每秒1280亿次，但该处理器暂时尚不能应用到超级计算机种。而IBM研发的z196将于9月10日开始即将应用至大型计算机中。