第2章 中央处理器

12020/2/28第2章中央处理器2.1CPU发展历程2.2CPU分类和结构●CPU分类●CPU的外部结构2.3CPU的主要性能指标2.4CPU的指令集●MMX指令集●SSE指令集●3DNOW!指令集2.5常见CPU型号●Intel系列CPU●AMD系列CPU2.6CPU散热器2.7CPU的选购22020/2/282.1CPU发展历程CPU（CentralProcessingUnit）,即中央处理单元，也称中央处理器，是整个计算机系统的核心，也是整个计算机系统最高的执行单位。它负责整个系统指令的执行、数学和逻辑运算、数据存储、传送以及输入输出的控制。因为CPU是决定计算机性能的核心部件，它决定计算机的档次，于是就有了386、486、奔腾之分。CPU从最初发展至今已经有30多年的历史，这期间，按照处理信息的字长，CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器、64位微处理器等。32020/2/282.1CPU发展历程以Intel公司为主线，介绍CPU的发展历史。1．4位处理器——Intel40041971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，发布了第一款微处理器芯片4004，这是第一个用于个人计算机的4位微处理器。42020/2/282.1CPU发展历程2．8位处理器——Intel8008／8080／80851972年，Intel公司研制出8008处理器和8080、8085处理器。加上Motorola公司的MC6800处理器和Zilog公司的Z80处理器，一起组成了8位处理器家族。52020/2/282.1CPU发展历程3.16位处理器——Intel8086／8088／8028616位微处理器的典型产品是Intel公司的8086处理器，以及同时生产出的数字协处理器，即8087。1979年，Intel公司开发出8088处理器，8086和8088内部数据总线的位宽均为16位，而8088的外部数据总线的位宽为8位。1982年，Intel推出了80286处理器。62020/2/282.1CPU发展历程4.32位处理器——Intel80386／804861985年，Intel发布80386DX处理器。其内部包含27.5万个晶体管，工作频率为12.5MHz。1989年，Intel推出了80486芯片。80486为32位微处理器，集成了120万个晶体管。1993年，Intel公司发布了Pentium（奔腾）处理器。Pentium处理器集成了310万个晶体管。1997年，Intel公司发布了PentiumⅡ处理器，集成了750万个晶体管，采用Slotl处理器架构。1999年，Intel公司发布了PentiumIII处理器。它采用0.25um工艺制造，采用Slot1架构。Intel公司在2000年11月发布了Pentium4处理器。它是基于全新的Socket423架构，采用Willamette核心，0.18um制造工艺。72020/2/28386芯片，除Intel公司生产外，还有AMD、Cyrix、IBM、Ti等公司也生产386芯片，如图2-3所示。82020/2/28486CPU，如图2-4所示。PentiumCPU的外观，如图2-5所示。还有AMDK5、Cyrix6x86，如图2-6、图2-7所示。92020/2/281995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。PentiumMMXCPU的外观，如图2-9所示。与PentiumMMX属于同一级别的CPU有AMDK6、Cyrix6x86MX、CyrixMediaGX，如图2-10、图2-11、图2-12。102020/2/282.1CPU发展历程5.64位处理器——AMDAthlon642003年4月，AMD公司发布了面向服务器与工作站的AMDOpteron64位处理器。2003年9月，AMD公司发布了面向台式机的64位处理器：Athlon64和Athlon64FX。它们的核心频率为2.4GHz，PR值为4800+，晶体管数目为1.059亿个，采用90nm制造工艺,外频200MHz，接口采用Socket939,一级缓存128KB,二级缓存1024KB，超线程技术为1000MHz。112020/2/282.2CPU分类和结构•CPU的分类1.按CPU的生产厂家分，CPU可分为；IntelCPU、AMDCPU等。2.按CPU的接口分，Intel系列分为：Socket7、Socket370、Socket478、LGA775等。AMD系列分为：Socket7、SocketA（462）、Socket754、Socket939等。3．按标识频率分，同一型号CPU按照其标称频率又可分为不同档次，如Pentium4有1.6GHz，2.0GHz，2.4GHz，3.2GHz等。4．按CPU的内核，同一档次的CPU，按其制造内核技术的不同，又分为多种类型或版本。不同的内核采用不同的制造技术，将直接影响到CPU的性能。122020/2/282.2CPU分类和结构•CPU的外部结构从外部看CPU的结构，主要由两个部分组成：一个是内核，另一个是基板。1.CPU的内核：CPU中间凸起部分是内核芯片或CPU内核，是CPU集成电路所在的地方。目前，绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式。2．CPU的基板：是承载CPU内核用的电路板，它负责内核芯片和外界的数据传输。在它上面常焊接有电容、电阻，还有决定CPU时钟频率的桥接电路。在基板的背面或者下沿，有用于与主板连接的针脚或者卡式接口。132020/2/282.2CPU分类和结构142020/2/282.2CPU分类和结构3．CPU的编码：在CPU编码中，都会注明CPU的名称、时钟频率、二级缓存、前端总线、内核电压、封装方式、产地、生产日期等信息。4．CPU的接口：CPU的封装形式主要分为两大类：一类是针脚式的Socket类型，另一类是插卡式的Slot类型。PC从486时代开始普遍使用Socket插座来安装CPU。Socket插座是方形多针脚孔ZIF（ZerolnsertForce，零插拔力）插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向外向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片。152020/2/282.3CPU主要性能指标1．主频2．外频3．倍频系数4．前端总线频率5．高速缓存6．内核电压和I／O工作电压7．制造工艺8．字长9．x86指令集10．流水线与超流水线11．CPU扩展指令集12．超线程技术13．多核技术162020/2/282.3CPU主要性能指标1．主频：也叫时钟频率（CPUClockSpeed），单位是MHz、GHz，是CPU内数字脉冲信号振荡的速度，用来表示CPU的工作频率。一直以来，人们最关心的就是CPU的主频了。例如，Pentium42.4GHz、AthlonXP2700+等。主频无疑是显示CPU性能的最根本的指标。CPU的主频一般标记在CPU芯片上。一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快。2．外频：又称外部时钟频率，单位是MHz，是由主板提供的系统总线的工作频率，是CPU与主板之间同步运行的时钟频率。实际运行过程中的主板系统总线速度、内存数据总线速度不但由CPU的速度决定，而且还受到主板和内存速度的限制。172020/2/282.3CPU主要性能指标3．倍频系数：由于CPU主频不断提高，渐渐地提高到其他设备无法承受的速度，因此出现了分频技术（主板北桥芯片的功能）。分频技术就是通过主板的北桥芯片将CPU主频降低，然后再提供给各插卡、硬盘等设备。倍频就是CPU的运行频率与系统外频之间的倍数，也就是降低CPU主频的倍数。三者的关系为：CPU的主频=外频X倍频系数。例如：酷睿2双核E6300型CPU的外频为266MHz。如目前酷睿2双核E6300型CPU的倍频为7。那么酷睿2双核E6300型CPU主频=266MHzX7=1.862GHz。4．前端总线（FrontSideBus，FSB）频率：指CPU与内存数据总线直接交换数据的速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，内存带宽必须要满足CPU的带宽需求：CPU需求带宽=[CPU前端总线位宽（主流CPU、内存均为64b）*CPU前端总线频率]／8。例如：酷睿2双核E6300型CPU的前端总线频率为1066MHz，其CPU的位宽为64位，CPU的最大数据交换速度为：1066MHz×64bit÷8≈8.5GB/s。182020/2/282.3CPU主要性能指标5．高速缓存（Cache）：是一种速度比主存更快的存储器，其功能是减少CPU因等待低速主存所导致的延迟，以改进系统的性能。Cache在CPU和主存之间起缓冲作用，Cache可以减少CPU等待数据传输的时间。CPU需要访问主存中的数据时，首先访问速度很快的Cache，当Cache中有CPU所需的数据时，CPU将不用等待，直接从Cache中读取。因此Cache技术直接关系到CPU的整体性能。CPU的缓存由两部分组成，即1级缓存（L1Cache）和2级缓存（L2Cache）。6．内核（Core）电压和I／O工作电压：CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种。其中内核电压的大小是根据CPU的制造工艺而定的，一般制造工艺数值越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.2～3V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。焦耳定律:Q=W=Pt=UIt=U2/Rt=I2Rt192020/2/28•CPU的内核和接口•CPU的内核即CPU运算数据的处理中心。在通常情况下，当CPU生产厂商在推出一种新型CPU产品时，其与老款CPU的主要区别就在于内核的构造上。•CPU的接口是指CPU背面与主板插槽接触的部位。由于不同类型CPU的接口也不一定相同，因此具有某种接口类型的CPU，只能使用在具有相应类型插槽的主板上。2.3CPU主要性能指标202020/2/282.3CPU主要性能指标7．制造工艺：是指在硅材料上生产CPU时内部各元器件的连接线宽度，其单位通常为nm（纳米）。nm值越小，其间隔距离越小，CPU的耗电量和发热程度也越小,相同大小CPU中所能集成的晶元更多,速度就更快。制造工艺可以极大地影响CPU的集成度和工作频率。8．字长：CPU在单位时间内能一次同时处理的二进制数的位数叫字长或位宽。计算机在进行数据运算和传输时，都是使用二进制数中的0和1作为其数据的最基本单位。其中单独的一个0或1称为1位（bit），如十进制数8换算成二进制数是1000，我们就称其为4bit。由于位的单位太小，因此科学家们又引入了一个新的更大的数据计量单位，即字节（Byte），简称B。字节与位的换算关系是1字节＝8位，即1B＝8b。所以能处理32位字长的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据，而64位CPU就能在单位时间内处理字长为64位的二进制数据。可见，字长的增加是CPU发展的一个趋势。9．x86指令集：是Intel公司为其第一块16位CPUi8086专门开发的指令集，其简化版i8088使用的也是x86指令，同时为提高浮点数据处理能力而增加了x87芯片，以后就将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。汇编语言程序就是使用x86指令来编译的。212020/2/282.3CPU主要性能指标10．流水线与超流水线：在CPU中，由5～6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条x86指令分成5～6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期内完成一条指令，因此提高了CPU的运算速度。超流水线（SuperPipeline）是指某种CPU内部的流水线的步数超过通常的5～6步。流水线设计的步数越多，其完成一条指令的速度就越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。11．CPU扩展指令集：是CPU增加