Heath's Blog

There is no end, it is just the beginning! - A Game Developer's Notes

从CPU超频中学些硬件知识

一、前言

     从大学到现在配过两台PC,第一台Celeron的机器从大二用到研究生毕业,之后开始用笔记本。第二台PC是09年入手的,那阵子玩超频,但心浮气躁,胡乱尝试一下就浅尝辄止了,连一些基本原理都没有弄清楚。最近刚搞好新房安顿下来,有了自己的工作间,在重新组装PC和设置BIOS的时候又想超频了,但这次我期望做到知其所以然,故在网上查阅了一些资料恶补了一下硬件知识,权当作学习笔记。由于网络上关于硬件(特别是内存部分)知识很杂,仅以自己认为比较靠谱的内容为依据,如有不准确之处,欢迎指正。由于使用的是Intel CPU,本文限于Intel架构,且不适用I系列架构。

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总线概览

二、术语


主板芯片组:北桥芯片和南桥芯片。

北桥(Northbridge):PC主板芯片组其中之一,设计用来处理高速信号,与CPU、内存、AGP/PCIE、南桥芯片进行通信。

南桥(Southbridge):PC主板芯片组其中之一,设计用来处理低俗信号,通过北桥和CPU通信,与大多数I/O控制设备接口,如PCI控制器、ATA控制器、USB控制器、网络控制器、音效控制器。各个芯片厂商对南桥芯片的命名有所不同,Intel将其称为ICH,nVidia称为MCP,ATI称为IXP/SB。

前端总线(FSB, Front Side Bus):指CPU与北桥芯片之间的数据传输通道。

锁相环(PLL, Phase-Locked Loop):一个闭环的反馈控制系统,它可以使PLL的输出可以与一个参考信号保持固定的相位关系。

时钟频率:确切点是晶振频率,与锁相环电路配合使用为PC提供定时信号,通过倍频/分频产生不同频率的基准信号,用以同步系统的每一步操作。对于CPU主频,它是由晶振提供的频率通过CPU内部的PLL电路倍频而来。

CPU外频:系统总线的工作频率,体现了CPU与芯片组之间的总线速度。

前端总线频率:CPU与北桥芯片之间的总线工作频率。之所以将CPU外频与前端总线频率区分开来,是因为Intel在Pentium 4中加入了Quad Pumped Bus架构,使得系统总线在一个时钟周期内传输4次数据,也就相当于工作频率为CPU外频的4倍。

CPU倍频:为倍频系数的简称,是指CPU主频与CPU外频之间的相对比例关系。在PC发展初期,由于CPU速度不高,大部分元件时钟均保持同步,直到80486时代,在CPU制程持续进步下,CPU的速度也加速增长,当时由于其他外部元件受电气结构所限,无法跟进成长,因此Intel首次在CPU中加入了倍频设计。它的作用是使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU速度可以通过倍频来提升。

双倍数据速率(DDR, Double Data Rate):使SDRAM在一个时钟周期内进行两次数据传输的技术,具体地说它在信号的上升沿和下降沿传输数据一次,数据传输率是之前仅利用上升沿进行数据传输的SDRAM的两倍。

内存频率:分为核心频率(Internal rate)和I/O总线频率(Bus clock)。每条内存都是由内存芯片组成,内存芯片的频率就是核心频率。I/O总线频率是指北桥与内存之间的总线频率。通常内存条标称的实际上是最大数据传输频率:I/O总线频率X2。其实,从DDR到DDR3,其内存颗粒的频率没有怎么提升,提升的是总线频率。JEDEC制定的DDR三代参数对照如下表所示:

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双通道:就是在北桥芯片里设计两个内存控制器,这两个内存控制器可相互独立工作,每个控制器控制一个内存通道。在这两个内存通道上CPU可分别寻址、读取数据,从而使内存的带宽增加一倍,数据存取速度也相应增加一倍(理论上)。流行的双通道内存构架是由两个64bit DDR内存控制器构筑而成的,其带宽可达128bit。因为双通道体系的两个内存控制器是独立的、具备互补性的智能内存控制器,因此二者能实现彼此间零等待时间,同时运作。两个内存控制器的这种互补“天性”可让有效等待时间缩减50%,从而使内存的带宽翻倍。双通道内存技术是解决CPU总线带宽与内存带宽的矛盾的低价、高性能的方案。

 

三、原理

CPU主频=外频×倍频


     从公式可以看出,要提升CPU主频可以从提高外频和倍频两方面着手。然而在实际操作过程中,两者都会受CPU本身及外部硬件(主要是主板)体质的限制,如:锁倍频、主板FSB Frequency上限。

1)提高外频

     因为CPU外频的设置直接影响系统总线工作频率,所以通过提升外频和搭配合适的内存,可以在主板支持的前端总线频率上限内有效提升系统的整体性能。之所以要搭配合适的内存,是因为前端总线频率提高,最大的受影响者就是内存,所以内存能够支持的最高工作频率也需要考虑。虽然GPU数据也要通过前端总线由CPU经过北桥到达显卡,但是在仅针对CPU超频的情况下,一般会将CPU与显卡之间通信的频率锁定在100MHz。举个例子:有一块前端总线上限频率为1600MHz的主板,假如搭配一块上限为1600MT/s的DDRIII内存,1:2分频比的前提下,需要将CPU的外频提升到接近400MHz,整个系统才会比较平衡。

2)提高倍频

     通过倍频的定义,可以看出,在外频一定的情况下,提高倍频,只能单纯地提高CPU工作频率。虽然,CPU的计算能力除了跟工作频率有关外,还与硬件架构和指令集有关,成倍提高工作频率肯定不等于成倍提高了计算能力,但可以肯定的是频率提高肯定会在一定程度上提高计算能力。

四、实作

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    五电容版E5200具有很强的超频空间,在倍频定在X8的情况下,1.2V便可以轻松上370MHz。主板在不超频情况下FSB就已经支持1600MHz了,Corsair在使用XMP时支持1600,在整体考量(散热、CPU寿命)后决定将CPU外频定在350MHz、倍频设为x10,这样FSB可工作在1400MHz,内存按照 1:2分频比I/O总线工作在700MHz下(数据传输频率为1400MT/s)。BIOS设置如下:

IMG_0602

内存CL、tRCD等值让其自动读取SPD配置。

IMG_0604

CaptureCaptureMem


参考:


[1] 前端总线 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%89%8D%E7%AB%AF%E6%80%BB%E7%BA%BF

[2] 晶振及其选用指南 http://www.naiteli.com.cn/Info/Detail_50139_7547.html

[3] 倍频 http://baike.baidu.com/view/25647.htm

[4] DDR SDRAM http://en.wikipedia.org/wiki/DDR_SDRAM

[5] DDR2 SDRAM http://en.wikipedia.org/wiki/DDR2_SDRAM

[6] DDR3 SDRAM http://en.wikipedia.org/wiki/DDR3_SDRAM

[7] 五电容E5200 http://tech.163.com/digi/09/0316/08/54H0RJNT001618J7.html

posted on 2012-06-10 23:16 Heath 阅读(1317) 评论(2)  编辑 收藏 引用 所属分类: Studying

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# re: 从CPU超频中学些硬件知识 2012-06-11 09:45 fseraph

超频也得超明白啊,最近在玩暗黑3没?  回复  更多评论   

# re: 从CPU超频中学些硬件知识[未登录] 2012-06-11 10:08 heath

@fseraph
我才玩到噩梦第三章  回复  更多评论   


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