深入了解 CPU 的型号、代际架构与微架构

大家好，我是飞哥！

在 10 月 16 号的时候，Intel 正式发布了第 14 代的酷睿处理器。但还有很多同学看不懂这种发布会上发布的各种 CPU 参数。借着这个时机，我给大家深入地讲讲 CPU 的型号规则、代际架构与微架构方面的知识。

CPU 在整个计算机硬件中、技术体系中都算是最最重要的东西了。但很遗憾的是，80%以上的开发同学对 CPU 并不是很了解。所以在前面的文章中，我带领大家深入地学习了很多内核中管理和调度 CPU 资源相关的文章。在今天，我从 CPU 硬件相关的技术细节切入，带领大家更好地认识 CPU。

在本文中，我以手头有一台之前用过的 ThinkPad x270 的笔记本电脑举例。在这台电脑中的 CPU 型号是 Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz。那么这个型号字符串中都隐含了哪些技术信息呢？今天，就让我们以这个型号为切入点，深入地了解个人 PC 电脑中 CPU 硬件相关的技术点。

一、Intel 的 CPU 型号规则

无论是哪家 CPU 厂商，为了更好地管理自己生产的众多型号的产品，也为了能更好地让消费者对自己家的产品快速地了解。都会定义一套产品规则。对于 Intel 来说，它的命令规则大致如下：

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Intel 把 CPU 的编号分成了品牌标志、品牌修饰符、代际编号、SKU、产品线后缀五个部分。接下来我们分别展开对这五个部分来了解。

第一部分是品牌标志。最最常见的 x86 CPU 品牌包括 Intel 和 AMD 两家公司。而 Intel 又面向不同的市场需求，包括凌动、赛扬、奔腾、酷睿、至强等多个子品牌。

• 酷睿（CORE）、赛扬（CELERON）、奔腾（PENTIUM）都是应用在家用 PC 电脑上的品牌。其中奔腾和赛扬这两个品牌已经算作是历史了。奔腾在 1992 年推出，之后在很长一段时间里是 PC 家用电脑的主流。赛扬是 1998 年时为了和 AMD 竞争低价市场推出的产品，可以理解为缩水版的奔腾。酷睿是 2006 年推出，直到现在仍然是 PC 电脑里的主流品牌。
• 志强（Xeon）是企业级的CPU，多用于服务器和工作站。大家在工作中使用的线上服务器，基本都是这个子品牌旗下的产品。
• 凌动（Atom）主打省电和低功耗，主要用在手机平板等设备上。是的，Intel 也是做过手机 CPU 的，但因为功耗问题在竞争中被 arm 架构各家处理器厂商打败，在 2016 年后逐渐退出市场。

第二部分是品牌修饰符。这个部分是为了区分处理器的市场定位的，一般来说同一年代生产的 CPU 中， i3 i5 i7 i9 的性能是依次递增的。分别代表着低端、中端和高端的定位。

第三部分是 CPU 的代际编号。这一部分有可能是一位数字，也有可能是两位的数字。在我们举例的这颗 CPU 上，代际编号是“7”。这个代际编号对应的是 Intel 于 2016 年推出的内部代号为“Kaby Lake” 的 CPU架构。一般来说，CPU 代际编号越大，则代表架构推出的时间点越新。单核的性能也会更好。关于“Kaby Lake” 后面我们还会单独介绍。

第四部分是 SKU 编号。这是 CPU 厂商为了方便对所有的产品进行库存管理而制定的编号。这类似于超市里商品的条形码、图书的 ISBN 号，方便查询和管理产品的库存量。一般来说，这个值也是越大性能越好，但不绝对。

第五部分是产品线后缀。在笔记本电脑中，H代表的是高性能、U系列代表的是较低功耗、Y系列代表的是极低的功耗。在台式机中，X代表的是最高性能、K代表的是高性能、T代表的是功耗优化。

关于型号规则大家也可以参考 Intel 的官网介绍（https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/processors/processor-numbers.html）。

现在我们再回头来看一下我们开头提到的 CPU，Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU。这里面包含的含义就是，这是一个Intel 的酷睿子品牌的 CPU，i7代表着中高端，代际编号是7，这个代际的处理器架构是 2016 年发布的采用的 Kaby Lake 架构生产的。SKU 编号是 200。产品线后缀的 U 代表的是低功耗，比较省电，同时也就代表着性能并不是最强的。

在看最新的发布的酷睿 CPU 型号有，Intel(R) Core(TM) i9-14900K、Intel(R) Core(TM) i7-14700K、Intel(R) Core(TM) i5-14600K 等几款 CPU。这里面也表示了还是属于 Intel 酷睿 子品牌下的产品。i9、i7、i5分别代表着每个 CPU 的档次。14 代表的是代际。900、700、600 属于 SKU 编号。

二、CPU 的代际

前面在看到 Kaby Lake 的时候，肯定很多小伙伴都会表示看不懂这是什么意思。所以这里专门准备一个小节来解释下。前面我们提到每个 CPU 型号中都包含了一个代际编号。比如第 7 代、第 8 代，就在刚刚 2023 的 10 月 16 日，已经更新到了第 14 代。

这个代际代表的 CPU 的生产年份不同、生产工艺不同、架构设计的不同。各个代际除了这个数字的编号外，还会有一个英文代号。比如第 7 代的代际编号就是 Kaby Lake。最新的第 14 代的代际编号是 Raptor Lake Refresh。下表是我搜集整理到的各个代际的信息（在手机上看需要往右拖动一下表格才能够看全）。

在上面的表中，我列出了每一代 CPU 发行的时间、代数、代际编号、制程工艺，还有最后一列是微架构。因为我的老电脑中的 CPU 是 Kaby Lake，所以我把 Kaby Lake 的详细的资料给大家翻出来。

我们这颗 CPU 是双核四线程的。所以对应的 CPU 的 die 图（CPU芯片的内部物理结构）就是下面这个

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在 Die图中，最上方的Memory Controller 是内存控制器。当前 CPU 能支持什么样规格的内存，以及能支持多大的内存，都是由 CPU 中的内存控制器来决定的。其中 Kaby Lake 的内存控制器相比上一代 Skylake 来说，将支持的内存频率从 DDR4-2133 提升到了 DDR4-2400。

下方中间位置是两个物理核，这是 CPU 中最重要的部分。还有两块 L3 Cache，要注意的是虽然在硬件上是有两块 L3，但不管有几块，所有的 L3 缓存都是所有核共享的。

在CPU 的下方最右侧的 Gen9.5 是 CPU 中集成显卡。因为我们不打算深入讲显卡，所以这里大家只要知道 PC 电脑的 CPU 里是包含一块集成显卡的就够了。对这块显卡感兴趣的同学可以移步 https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/gen9。

在 CPU 的下方最左侧是 System Agent 模块。在该模块中主要包括外围组件快速互联（Peripheral Component Interconnect Express，简称PCIe） 通道、图像处理单元（Image Processing Unit，IPU)等

在 Kaby Lake 中包含 20 个 PCIe 通道。其中有的通道是用于和显卡通信，有的是通过南桥和硬盘、网卡等设备通信。

南桥芯片是用于帮助 CPU 和外围设备交互的。固态硬盘、机械硬盘、网卡等 IO 设备一般来说都是通过南桥来和 CPU 相连的。南桥会收集好了这些设备上的数据再传输给 CPU 处理。另外现在有些高性能的固态硬盘也是直接通过 PCIe 通道和 CPU 通信，这样的硬盘性能更好。

另外 IPU 的功能是支持视频录制成像、人脸检测识别等图像相关处理的硬件支持。

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以上就是 Kaby Lake 架构下 CPU 的主要物理结构。

另外从表中还可以看到 Kaby Lake 是2016年发布的，制程工艺是 14 nm。CPU 的制程工艺一直在进步，从 2013 年的 22 nm 逐步发展到了今天的 7 nm。制程工艺的进步带来的好处主要是能效比的提升，单位面积上晶体管的数量增加了，但是需要的能耗却变低了。（本文来自于公众号「开发内功修炼」）

至于说其它的代际的架构中的内存控制器、PCIe 通道的变化情况，我们后面再单独写一篇文章。

三、物理核微架构设计

另外每个代际的 CPU 还有个非常不同的地方在于微架构的不同。微架构指的是每个物理核设计时采用的技术方案。不同的微架构对核的设计是不同的，比如 TLB、L1、L2 等各种缓存，再比如 CPU 核内部的运算单元都会有所不同。

通过上一节中的表格，可以看到我手头的这颗Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU 代际编号为Kaby Lake，微架构的设计仍然沿用的是 Skylake 中的核设计。那么 Skylake 中的物理核是怎么设计的呢？我从官网站到了它的内部物理结构。

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上面的图中大致可以根据颜色的不同分成三大块区域。

第一块区域是黄色部分的前端，也叫 Front End。

前端部分的作用是从内存中获取指令并解码，然后把解码后的指令放到队列中，等待 CPU 后端处理。还包括了 CPU 中的分支预测的实现 BPU。另外也还包含解析指令是需要用到的 L1 指令缓存和指令 TLB。

其中从上图中也可以看到，Skylake 核中的 L1 指令缓存的大小是 32 KiB。

第二块区域是绿色的后端，又叫 Execution Engine。

后端模块的作用是从队列中获取前端解码好了的指令开始运行。在后端中包括 Port0、Port1、...、Port7 等 8 个端口。每个端口都支持不同的微操作（uOP）的处理。

其中 Port0、Port1、Port5、Port6支持整数、浮点数的加法运算，Port2、Port3 用于地址生成和加载，Port4用于存储操作。每个

因为有 8 个 Port，所以后端在一个时钟周期内，是可以最多处理 8 个微操作的。

第三块区域是紫色的存储系统，又叫 Momory SubSystem。

在这里包括了 L1 级别的 Data 缓存区，图中也展示了它的大小是 32KiB。还包括 L2 缓存，其大小是 256 KiB。另外还有 Data TLB 等缓存。这些缓存都是位于 CPU 核内部的。访问它们的速度比访问内存更快。（本文来自于公众号「开发内功修炼」）

不同代际的 CPU 的微架构设计也是不同的，单核性能也会有变化，后面的文章里我们再讲。

总结

今天借助我手头的一枚老旧的 CPU Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz。咱们深入地介绍了 Intel 的 CPU 命名规则。了解了命名规则有助于你快速判断一颗 CPU 的大概的性能。不过如果你是一名发烧友，还是建议你搜索天梯图来了解每个 CPU 的排名情况。

另外我们也找到了这颗 CPU 的硬件解剖图 - Die 图。从 Die 图里我们直观地看到了 CPU 内部的物理结构。在 i5-7200U 中包括了集成显卡、包括了物理核、还看到了 L3 缓存的位置。另外内存控制器也是集成在 CPU 的，CPU 就是通过它来和内存通信的。还有就是 PCIe 通道，是 CPU 用来和硬盘、网卡、显卡等设备通信的通路。

最后我们深入到了 Skylake 的物理核的内部。了解到了物理核中的三大组成部分：前端、后端和存储模块。其中前端负责指令的解析，后端负责指令解析后的微操作的运行处理。存储系统为前端和后端提供了 L1、L2 等缓存，用于加速内存访问。

看到这里，相信你对 CPU 会有更深刻的认识了。后面我们再来一篇文章介绍不同代际中都在哪些地方有进步。别犹豫，快把本文快分享给你的好基友吧！