搜索
计算机组装与维护教程江西省电子信息技师学院计算机江水林...Q947153215第2章中央处理器CPU是计算机系统的核心，由运算器和控制器组成。CPU的内部结构分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这3个部分相互协调，便可以进行分析、判断、运算，并控制计算机各部分协调工作。计算机的一切工作都受CPU控制。其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除)和逻辑运算(如逻辑加、逻辑乘和逻辑非运算)；而控制器不具有运算功能，它只是读取各种指令，并对指令进行分析，作出相应的控制。通常，在CPU中还有若干个寄存器，它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。因为CPU是决定一台微机性能的核心部件，人们常以它来判定微机的档次，例如装有Pentium4CPU的微机称之为Pentium4机型，装有AthlonXPCPU的微机称之为AthlonXP机型。2．1微处理器的发展历程1971年Intel公司成功地把传统的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上，发布了第一款4位微处理器芯片4004，含有2300个晶体管，时钟频率为1MHz，包括寄存器、累加器、算术逻辑部件、控制部件、时钟发生器及内部总线等。1．第1代微处理器1978和1979年，Intel公司先后推出了8086和8088芯片，它们都是16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。它们的内部数据总线都是16位，外部数据总线8086是16位，8088是8位。1981年，8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。同一时期诞生的微处理器还有摩托罗拉的68000，带有16个32位的寄存器，因而本质上应算作32位的处理器，也只采用了16位的外部数据总线和24位的外部地址总线的设计来精简芯片的引脚数。摩托罗拉生产的CPU主要用在苹果型微机中。2．第2代微处理器1982年，Intel推出了80286芯片，该芯片含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286有两种工作方式：实模式和保护模式。摩托罗拉在此期间开发出了68020CPU，这是68000系列中真正的32位处理器，具有32位地址总线和32位的数据总线，可寻址4GB内存。3．第3代微处理器1985年Intel推出了80386芯片，它是80x86系列中的第一种32位微处理器，内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz、25MHz、33MHz、40MHz。其内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。除了标准的80386芯片(称为80386DX)外，出于不同的市场和应用考虑，Intel又陆续推出了一些其他类型的80386芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。除Intel公司生产386芯片外，还有AMD、Cyrix、IBM、Ti等公司也生产386芯片，如摩托罗拉在此期间开发了68030CPU。4．第4代微处理器1989年Intel推出了80486芯片，为32位微处理器，集成了120万个晶体管，其时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80x86系列中首次采用了RISC技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协处理器的80386DX提高了4倍。80486也陆续出现了几种类型，上面介绍的最初类型是80486DX。1990年推出了80486SX，它是486类型中的一种低价格类型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。其他公司也推出了486CPU，如图2-4所示。5．第5代微处理器Intel公司于1993年又推出了80586，为32位微处理器，其正式名称为Pentium(奔腾)。Pentium含有310万个晶体管，时钟频率最初为60MHz和66MHz，后提高到200MHz。66MHz的Pentium微处理器的性能比33MHz的80486DX提高了3倍多，而100MHz的Pentium则比33MHz的80486DX快6到8倍。从这时的Pentium处理器开始采用了现在一直使用的“外频X倍频=CPU工作频率”设置。PentiumCPU的外观，如图2-5所示。与Pentium属于同一级别的CPU还有AMDK5、Cyrix6x86，如图2-6、图2-7所示。摩托罗拉在此期间开发出了PowerPC601CPU。6．第6代微处理器1995年11月Intel公司推出了新一代32位微处理器PentiumPro，即P6，如图2-8所示。PentiumPro是第一款属于第六代的微处理器。PentiumPro含有550万个晶体管，时钟频率为133MHz，处理速度几乎是100MHz的Pentium的2倍。在此款CPU中Intel首次将二级缓存整合到CPU上，并且此二级缓存与处理器的内核捆绑在一起，使它的工作频率与CPU时钟频率同步。此款处理器采用了两种制造工艺，分别是0.25μm和0.35μm。此款CPU的时钟频率为150-200MHz，系统总线为60/66MHz，而且采用Socket8架构的产品，它支持所有以前的Pentium指令(不包括MMX)，此款CPU还是第一次使用独立双总线的结构。1997年，在Pentium(P54C)和PentiumPro的基础上又有了新的发展，一块奔腾Pentium(P54C)，加上57条多媒体指令，构成了多功能PentiumMMX(P55C)。P55C相对于P54C在以下几方面做了改进：支持称为MMX多媒体扩展的新指令集，有57条新指令，用于高效地处理图形、视频、音频数据；内部Cache从16KB增加到32KB；优化了CPU的执行核心。与PentiumMMX属于同一级别的CPU有AMDK6、Cyrix6x86MX、CyrixMediaGX。为了弥补PentiumPro芯片的某些缺陷，Intel在PentiumPro基础上开发了两个变体：K1amath(即PentiumⅡ)和Deschutes来补充完善它。PentiumⅡ使用MMX和AGP技术，其系统总线速度达到66MHz，一级Cache含16KB指令Cache和16KB数据Cache，二级Cache为512KB，采用了0.35μm的制造工艺，CPU工作电压为2.8V；而Deschueses是PentiumⅡ的一个0.25μm版本，具有更低的电源电压，适用于便携机。自从推出PentiumⅡ后，Intel便放弃了Socket7市场转而力推Slot1架构。Slot1架构的PentiumⅡCPU1998年4月Intel推出了第一块Celeron(赛扬)处理器。赛扬的发展经历了多个阶段：第一阶段是代号为“Covington”的赛扬266和300，采用0.25μm制造工艺，Slot1架构，没有片内L2缓存，所以它的整数运算能力很差，如图2-14所示；第二阶段的赛扬代号为“Mendocino”，采用0.25μm制造工艺，Slot1架构，它与Covington最大的不同便是增加了整合在CPU内部的128KL2缓存，并与CPU相同频率工作，有300MHz和333MHz两种频率规格；第三阶段的赛扬如图2-15所示，为降低成本和价格，Intel推出了Socket370接口赛扬333和366，与Slot1接口的赛扬相比，这种Socket370接口的赛扬只是改变了接口方式并提高了主频(但还是运行在66MHz的外频上)，其他没有任何变化。赛扬系列的核心工作电压为2.0V。同期，AMD和Cyrix分别推出了K6-2和CyrixMII。Intel公司在Slotl架构加上PentiumⅡ处理器取得高端PC系统的成功后，1999年2月推出了PentiumⅢ处理器，它继续采用Slot1的架构，0.25μm制造工艺，集成以CPU时钟半速运行的512KB的二级缓存。PentiumⅢ在以往MMX指令的基础上增加了70条多媒体指令的SSE技术，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。代号为“Coppermine”的PentiumⅢ处理器,采用了0.18μm制造工艺,核心硅片上集成了2810万个以上的晶体管，速度为500MHz以上。在微处理器的市场中，虽然Intel公司以其绝对的优势、生产能力和设计成为工业界领袖，但是许多具有实力的公司也正跻身微处理器市场，向Intel发出了强有力的挑战，像AMD的Athlon(K7)处理器的性能已超过了PentiumⅢ。Athlon又叫K7，此款产品相对于AMD以前的产品可算是革命性的进步，它不是直接照抄Intel的架构，而是创造了一种属于自己的PC平台。Athlon拥有2180万个晶体管，包含3Dnow!和MMX指令集，使用0.25μm和0.18μm制造工艺，一级缓存大小为128KB(其中64KB用于指令，另64KB用于数据)，二级缓存为512KB，其速度为处理器时钟频率的一半。Athlon芯片在体系结构上最重要的特点是采用了Digita1AlphaCPU的EV6总线技术，前端总线速度为200MHz，进一步将达到400MHz或者更高，理论上允许主板支持2个处理器。同时此处理器采用SlotA架构，AMD将此新型处理器命名为Athlon，时钟频率在500-850MHz之间，2000年3月AMD领先于Intel率先推出了1GHz的Athlon微处理器。摩托罗拉开发出了PowerPCG3/G4，用于苹果型微机.7．第7代微处理器Intel和AMD都将分别发布64位微处理器产品，将标志着微处理器进入64位时代。Intel推出的第一代64位处理器采用IA-64架构，代号为Itanium，以取代使用了20多年的IA-32x86指令集架构。但是，Intel的IA-64将不提供对IA-32应用的向后兼容，即不能运行现有的32位软件。AMD下一代的处理器代号为K8Hammer。K8Hammer处理器分为C1awHammer、SledgeHammer两大系列，其中前者是针对桌面及工作站的主流产品，而后者则是面向服务器用高端处理器，均采用64位架构，并采用了X86-64指令，向下兼容32位指令集，也就是说可以运行现在所有的32位软件。2．2CPU的分类CPU有多种分类方法。1．按生产CPU的厂家来分按生产CPU的厂家来分，CPU可分为：IntelCPU、AMDCPU、VIACPU等。2．按CPU的档次分按CPU的档次来分，CPU可分为AthlonXP、Pentium4、Athlon、PentiumⅢ、Celeron、Duron等。3．按CPU的接口分按CPU的接口来分，CPU可分为：Socket7、Slot1、Socket478、Socket370、SocketA(462)等。例如，PentiumⅢ有Slot1和Socket370两种接口，Pentium4有Socket423和Socket478两种接口。4．按照标称频率分同一型号CPU按照其标称频率又可分为不同档次，如Pentium4有1.5GHz、1.6GHz、1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz、2.6GHz、2.8GHz、3.0GHz、3.2GHz、3.4GHz等，AthlonXPl500+、1600+、1800+、1900+、2000+、2200+、2400+、2600+、2700+、2800+等。5．按制造内芯技术分同一CPU名称，按其制造内芯技术的不同，又分为多个档次，如Pentium4有Willamette核心、Tualatin核心、NorthWood核心。Athlon有Thunderbi