3CPU

计算机硬件之CPUCPU是计算机的核心，在计算机系统中相当于“大脑”，是用来控制计算机中其他设备运行的总指挥。本课将介绍CPU的发展历程、CPU的性能指标以及主流的CPU产品。通过本课的学习，可以了解到CPU相关的知识以及熟悉主流的CPU产品。2.1CPU概述CPU是CentralProcessingUnit的简称，又被称为中央处理器。它是计算机的核心部件，任何一台计算机的运行都离不开CPU。2.1.1CPU的作用2.1.2CPU的发展2.1.1CPU的作用CPU在整个计算机系统中居于核心地位，是整个计算机系统的指令中枢。它负责计算机系统指令的执行、逻辑运算以及数据存储、传送和输入/输出操作指令的控制。可将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。各个部分虽然分工不同，但是合作紧密，使CPU具有强大的运算、处理和协调能力。2.1.2CPU的发展CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史，按照其处理信息的字长，可以将CPU分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器，可以说个人计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。下面将介绍CPU从诞生到现今的发展历程。2.1.2CPU的发展1.CPU的诞生2.16位微处理器时代3.32位微处理器时代4.64位微处理器时代1.CPU的诞生1971年Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的4位微处理器，它集成了2300个晶体管。随后Intel又推出了8008微处理器。到了1974年，8008发展成8080，成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中。第二代微处理器集成了约9000个晶体管，平均的指令执行时间为1µs～2µs，采用汇编语言、BASIC等语言编程，用于单用户操作系统。4004微处理器和8008微处理器2.16位微处理器时代1978年Intel公司生产出了第一款16位微处理器8086，它是第三代微处理器的起点。8086的最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时Intel还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集。这些指令集统一称为x86指令集。Intel公司以后生产的CPU都兼容原来的x86指令。1979年Intel公司开发出了8088微处理器。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器。8088的工作频率有6.66MHz，7.16MHz和8MHz几种，集成了大约29000个晶体管。2.16位微处理器时代8086和8088问世后不久，Intel公司就开始对它们进行改进，更多的功能被集成在芯片上，这样就诞生了80186和80188微处理器。1981年美国IBM公司将8088芯片用于研制的个人计算机（PC）中，个人计算机的概念开始在全世界范围内发展起来。从8088应用到IBMPC机上开始，个人计算机开始走进了人们的工作和生活，它也标志着一个新时代的开始。微处理器2.16位微处理器时代1982年Intel公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器。80286集成了大约130000个晶体管。该微处理器的最大主频为20MHz。80286支持更大的内存，它能够模拟内存空间，也能同时运行多个任务，从而提高了处理速度。8086～80286这个时代是个人计算机起步的时代，当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少，直到20世纪90年代初，国内才开始普及计算机。3.32位微处理器时代1985年春天，Intel公司已经成为了一流的芯片研制公司，10月17日Intel正式发布了划时代的产品——80386DX，该款CPU内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后来逐步提高到20MHz，25MHz和33MHz，最后还有少量40MHz的产品。80386DX的内部和外部数据总线是32位的，地址总线也是32位的，这标志着CPU进入了32位微处理器时代。80386最经典的产品为80386DX-33MHz，一般我们说的80386就是指它。由于32位微处理器的强大运算能力，PC的应用扩展到很多领域，如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐等领域。80386使32位CPU成为了PC工业的标准。3.32位微处理器时代1989年，大家比较熟悉的80486芯片由Intel推出。这款经过4年开发和3亿美元资金投入的芯片首次实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，使用1µm的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz，40MHz，50MHz。80486的性能比带有80387数学协微处理器的80386DX性能提高了4倍。1993年Intel公司推出了划时代的586，并将其命名为Pentium（奔腾）处理器，该款CPU集成了310万个晶体管。从这款CPU开始，由于CPU的工作频率提高和大量晶体管的集成，造成了CPU的发热量上升，因此Intel首次为CPU配上了专用的散热风扇。。微处理器和处理器3.32位微处理器时代1997年Intel公司在PentiumCPU内部集成了多媒体扩展指令，即MMX指令集，指令集有57条多媒体指令，增强了图像、视频和音频等方面的效果，给用户带来了多媒体的享受。同年，Intel公司又推出了Slot1接口的PentiumII处理器。该款CPU内集成了32KB的L1Cache和512KB的L2Cache。同时，还推出了PentiumII处理器的简化版本，没有L2Cache的Celeron（赛扬）处理器。接着推出的CeleronA系列的CPU中，又集成了128KB的L2Cache，同时采用了Socket370的接口。3.32位微处理器时代1999年，Intel公司推出了PentiumIII处理器。PentiumIII处理器中新增了70条SSE扩展指令集，该指令集主要用于提高CPU的3D处理能力和影像效果。PentiumIII处理器刚面世时采用Slot1接口。后来经过改进，PentiumIII处理器采用了Socket370的接口和0.18µm的制造工艺。同时进行改进的还有面向低端市场的具有128KB的L2高速缓存的CeleronII，后来Intel推出了Tualatin（图拉丁）核心系列的CPU，这是PentiumIII系列CPU的最后一款。处理器3.32位微处理器时代2000年Intel公司推出了新一代的CPU——Pentium4处理器，最先推出的Pentium4处理器采用Willamette核心制造，制造工艺为0.18µm。2001年Intel又推出了Northwood核心的Pentium4处理器，采用了更先进的0.13µm制造工艺，新处理器采用了Socket478接口。2003年Intel放弃了0.13µm工艺的Northwood核心的Pentium4处理器，改向0.09µm工艺的Prescott核心发展，它采用LGA775接口，处理器不再有“脚”了，取而代之的是一个个的触点。处理器4.64位微处理器时代从CPU诞生到发展到32位都是由Intel公司独领风骚，不断发布具有里程碑意义的CPU产品，其他公司如AMD和VIA公司虽然也在不断努力，但是在和Intel的对抗中几乎每次都处于下风。但是在个人计算机领域率先发布64位微处理器的却是潜心研究的AMD公司。AMD公司在2003年发布了第一款应用于个人计算机的64位处理器——Athlon64(速龙)。Athlon64在支持64位代码的基础上提供了对32位和16位代码的良好兼容，有超过4GB的内存寻址能力，而传统的32位处理器最高仅支持4GB内存。Athlon64内置了内存控制器，可以极大地降低数据的收发延迟，缩短读写请求的反应时间，处理器的性能也因此获得可观的提升。4.64位微处理器时代AMD公司随后又推出了针对低端市场的Socket754接口的Sempron64（闪龙）处理器，这样AMD在高、中、低端市场都推出了相应的64位处理器。而Intel公司直到2005年才推出了面向中端的6系列的64位CPU，此后又陆续推出了面向高端市场的8系列和面向低端市场的3系列的64位CPU，这才开始将CPU的产品线在整个市场进行普及。所有的Intel64位CPU都采用LGA775接口、Prescott核心、0.09µm的制造工艺和拥有31级的流水线。处理器2.2CPU的性能指标CPU的性能高低影响整台计算机系统处理数据的速度，下面将介绍一些和CPU相关的性能指标。2.2CPU的性能指标2.2.1CPU的频率2.2.2CPU的位和字长2.2.3CPU的缓存——Cache2.2.4CPU的内核和接口2.2.5CPU的制造工艺与封装技术2.2.6超线程2.2.7CPU的指令集2.2.1CPU的频率CPU的频率是指计算机运行时的工作频率，也叫做CPU的主频或CPU的时钟频率，CPU的频率表示CPU内部数字脉冲信号振荡的速度，代表了CPU的实际运算速度，单位是Hz。CPU的频率越高，CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多，CPU的运算速度也就越快。CPU实际运行的频率与CPU的外频和倍频有关，其计算公式为：CPU的实际频率＝外频×倍频。下面将介绍与CPU频率相关的外频、倍频和前端总线频率的含义。2.2.1CPU的频率1.外频2.倍频3.前端总线频率1.外频外频即CPU的基准频率，是CPU与主板之间同步运行的速度。外频速度高，CPU就可以同时接收更多的来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提高。2.倍频倍频是CPU运行频率与系统外频之间差距的参数，也称为倍频系数，通常简称为倍频。在相同的外频下，倍频越高，CPU的频率就越高。3.前端总线频率前端总线（FSB）频率（即总线频率）直接影响CPU与内存交换数据的速度。数据传输的最大带宽取决于所有同时传输的数据宽度和总线频率。这里有一个计算公式：数据带宽＝（总线频率×数据位宽）/8，假设总线频率为100MHz，CPU的位宽为32位，则CPU与主板的数据交换速度为：100MHz×32bit÷8bit/B=400MB/s。2.2.2CPU的位和字长在计算机中是以二进制进行数据的处理和运算的，数据的组成代码是“0”和“1”。在计算机中把这样的一个代码叫1位（bit），如十进制数8换算成二进制数就是1000，其在计算机中被认为是4位。但是由于位的单位太小，于是把每8位称为一个字节（Byte），即1字节＝8位（1Byte＝8bit）。在计算机技术中，对CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU，同理，32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。2.2.3CPU的缓存——Cache缓存（Cache）的作用是为CPU和内存在数据交换时提供一个高速的数据缓冲区。当CPU要读取数据时，首先会在缓存中寻找，如果找到了则直接从缓存中读取，如果在缓存中未能找到，CPU才会从主内存中读取数据。CPU缓存一般分为L1高速缓存和L2高速缓存，当然现在很多CPU都有L3高速缓存了。2.2.4CPU的内核和接口CPU的内核是指CPU的核心，例如，Pentium4处理器的核心有Willamette，Northwood和Proscott。AthlonXP有Palomino和Barton两种核心，不同核心的CPU的性能也不同。以前就那么几种内核，现在内核是越来越多了。CPU的接口是指CPU与主板之间的连接方式，CPU的接口根据CPU的核心的不同而不同，CPU诞生初期是直接焊接在主板上的，后来逐渐独立出来，也就有了各式各样的接口。2.2.5CPU的制造工艺与封装技术CPU的制造工艺直接关系到CPU的电气性能。线路宽度越小，CPU的功耗和发热量就越低，并可以工作在更高的频率下。目前Intel的主