CPU发展趋势

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资源描述

CPU是CentralProcessingUnit(中央微处理器)的缩写,它是计算机中最重要的一个部分,由运算器,控制器和存贮器组成。如果把计算机比作人,那么CPU就是人的大脑。1.算术逻辑单元(ALU)ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础,辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路,在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的,这里就相当于工厂中的生产线,负责运算数据。2.寄存器组RS(RegisterSet或Registers)RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。3.控制单元(ControlUnit)正如工厂的物流分配部门,控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由指令寄存器IR(InstructionRegister)、指令译码器ID(InstructionDecoder)和操作控制器0C(OperationController)三个部件组成,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。4.总线(Bus)就像工厂中各部位之间的联系渠道,总线实际上是一组导线,是各种公共信号线的集合,用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括:数据总线DB(DataBus)、地址总线AB(AddressBus)、控制总线CB(ControlBus)。其中,数据总线用来传输数据信息;地址总线用于传送CPU发出的地址信息;控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令),经过物资分配部门(控制单元)的调度分配,被送往生产线(逻辑运算单元),生产出成品(处理后的数据)后,再存储在仓库(存储单元)中,最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中,我们注意到从控制单元开始,CPU就开始了正式的工作,中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理,交到存储单元代表工作的结束。CPU的主频:即CPU内核工作的时钟频率。CPU的主频CPU实际的运算能力并没有直接关系,因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标(缓存、指令集,CPU的位数等等)。但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。CPU制作工艺:通常我们所说的CPU的“制作工艺”指得是在生产CPU过程中,要进行加工各种电路和电子元件,制造导线连接各个元器件。通常其生产的精度以纳米来计量。在集成电路中通称为线宽,线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度,因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同,所以线宽可以描述制造工艺。制作工艺越先进,在同样的材料中可以制造更多的电子元件,连接线也越细,CPU的集成度越高,CPU的功耗也越小。CPU核心电压:CPU的工作电压分为两个方面,CPU的核心电压与I/O电压。核心电压即驱动CPU核心芯片的电压,I/O电压则指驱动I/O电路的电压。通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。采用低电压的CPU的芯片总功耗降低了。功耗降低,系统的运行成本就相应降低,这对于便携式和移动系统来说非常重要,使其现有的电池可以工作更长时间,从而使电池的使用寿命大大延长;功耗降低,致使发热量减少,运行温度不过高的CPU可以与系统更好的配合降低电压是CPU主频提高的重要因素之一。CPU多媒体指令集:CPU依靠指令来计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲,指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分,而从具体运用看,如Intel的MMX(MultiMediaExtended)、SSE、SSE2(Streaming-Singleinstructionmultipledata-Extensions2)和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集,分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。RISC指令集(精简指令集)在最初发明计算机的数十年里,随着计算机功能日趋增大,性能日趋变强,内部元器件也越来越多,指令集日趋复杂,过于冗杂的指令严重的影响了计算机的工作效率。后来经过研究发现,在计算机中,80%程序只用到了20%的指令集,基于这一发现,RISC精简指令集被提了出来,这是计算机系统架构的一次深刻革命。RISC体系结构的基本思路是:抓住CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点,通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式,方便处理器内部的并行处理,提高VLSI器件的使用效率,从而大幅度地提高处理器的性能对于CPU来说,在基本功能方面,它们的差别并不太大,基本的指令集也都差不多,但是许多厂家为了提升某一方面性能,又开发了扩展指令集,扩展指令集定义了新的数据和指令,能够大大提高某方面数据处理能力,但必需要有软件支持。主要有intel的MMX指令集(MultiMediaeXtension,多媒体扩展指令集),SSE指令集(StreamingSIMDExtensions,单指令多数据流扩展)SSE2指令集(StreamingSIMDExtensions2,Intel官方称为SIMD流技术扩展2或数据流单指令多数据扩展指令集2)SSE3指令集(StreamingSIMDExtensions3,Intel官方称为SIMD流技术扩展3或数据流单指令多数据扩展指令集3)AMD公司的3DNow!指令集摩尔定律,是由Intel的创始人戈登摩尔(GordonMoore)通过长期的对比提出来的,其内容主要意思是说集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,而价格下降一半;。从芯片制造工艺来看,在1965年推出的线宽为10微米(μm)处理器后,经历了6微米、3微米、1微米、0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、0.09微米、0.065微米,0.045微米以及目前的32nm工艺和intel将在明年推出的22nm工艺。IntelCPU的发展遵循了摩尔定理的预测。Intel会继续以摩尔定律为基准开发处理器产品,但是随着CPU线宽的逐渐减小,最终会导致发生量子效应。我们需要寻求新的技术,新的材料来解决微观世界产生的量子问题。CPU将会向多核心发展,提高其性能。CPU不在靠单一的提高主频来提高性能,而是通过集成更多的核心来提高其性能。未来可能会生产出6核8核甚至更多核心的CPU。高能低耗。CPU的性能会逐步提升,但是处理器厂商会利用各处技术降低CPU的功耗和处理器的电压。CPU集成度会继续提高,目前intel,AMD以及开始将显卡逐步集成在CPU内部。未来会将CPU和GPU整合在一起,生产出性能更进一步的产品;同时CPU将会可能整合内存到CPU片内。。2010年第一季度intel推出32nm版的双核心处理器「Clarkdale」和「Arrandale」。对应桌面平台为clarkdale,移动处理器为Arrandale。采用Westmere32纳米工艺制作而成。新的i3,i5,i7并第一次将内存控制器整合在当中。同时新的移动处理器还“革命”性的将图形处理核心(GPU)整合到了处理器中。其中GPU核心采用45nm工艺制做,而CPU核心采用32nm工艺。并且为CPU内置3-4M的L3cache。新的酷睿移动处理器采用英特尔的5系列芯片组PM55/HM55/HM57。新的Calpella平台其基本架构由新酷睿移动处理器和5系列芯片组构成。新的5系列芯片组由于新酷睿移动处理器集成了内存控制单元(IMC),所以在采用5系列芯片组的主板上,将不会看到北桥芯片的存在,取而代之的则是被称为平台控制单元(PlatformControllerHub,PCH)的单芯片设计。而时下主流的迅驰2代Montevina移动平台,其基本架构则是由Penryn核心处理器、4系列芯片组(包括MCH与ICH芯片)共同构成,与5系列芯片组相比,迅驰2平台在核心芯片的数量上要多出一个。根据Intel的“Tick”-“Tock”钟摆策略,intel今年将进行着“Tock”阶段,即更新CPU的微架构,全新微架构命名为SandyBridge。相比上代的Nehalem微架构(即Corei5/i7),SandyBridge有几大重要革新:1、内置高性能GPU(核芯显卡)将显卡与CPU无缝结合。2、第二代睿频加速技术。3、在CPU、GPU、L3缓存和其它IO之间引入全新RING(环形)总线。4、全新的AVX指令集。英特尔自06年开始,在偶数年推出新的微构架,在奇数年推出新的制程工艺,技术创新和新产品的开发是按照一种“摆钟式”的步调在推进着,钟摆“嘀嗒”一下,微构架和制程上升一个高度,英特尔将这种发展模式称为“Tick-Tock”。Tock表示处理器微构架的进步,Tick表示处理器制造工艺的更新换代,英特尔技术和产品的开发模式以两年为一个周期。SandyBridge仍会沿用Corei3/i5/i7三大品牌,并用“第二代”加以区别,继续主打“智能”的概念,命名为“第二代智能酷睿处理器”在命名方式上,第二代Corei3/i5/i7仍会沿用当前的命名方式,以第二代Corei72600为例子,“Core”是处理器品牌,“i7”是定位标识,“2600”中的“2”表示第二代,“600”是该处理器的型号。至于型号后面的字母,会有四种情况:不带字母、K、S、T。不带字母的是标准版,也是最常见的版本;“K”是不锁倍频版;“S”是节能版,默认频率比标准版稍低,但睿频幅度与标准版一样;“T”是超低功耗版,默认频率与睿频幅度更低,主打节能。与新一代处理器配合的为intel6系列芯片组。包括台式机的P67H67和笔记本的HM65和HM67系列芯片组代号为CougarPoint。

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