第二章 CPU认知.ppt

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1、CPU资讯及相关知识资讯及相关知识CPU的工作原理lCPU的工作原理就象一个工厂对产品的加工过程：进入工厂的原料（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（存储器）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。CPU的结构lCPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）是整个计算机系统中最重要的部件，它由以下几个部分构成。n控制器n运算器n寄存器组RSn总线（Bus）算术逻辑单元ALUl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、

2、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。寄存器组RSl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。采用寄存器组，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的限制，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，而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。寄存器的数目因CPU而异。控制单元l控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegi

3、ster）、指令译码器ID（InstructionDecoder）和操作控制器OC（OperationController）三个部件组成，对协调整个电脑使之有序工作极为重要。它根据用户预先编制好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器中，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。总线l总线（Bus）是在计算机的各部件之间传输信息的公共通路，包括传输数据（信息）信号的逻辑电路、管理信息传输协议的逻辑线路和物理连线。就像工厂中

4、各部位之间的联系渠道，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部件之间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。按照总线上传送信息类型的不同，可将总线分为：数据总线DB（DataBus）、地址总线AB（AddressBus）、控制总线CB（ControlBus）。CPU的新技术与指令集lCISC技术和RISC技术l超标量流水线技术l分支预测技术l超线程技术l迅驰技术l双核处理器lMMX指令集lSSE指令集、SSE2指令集、SSE3指令集l3DNow!指令集CISC技术和RISC技术l复杂指令集计算机CISC（complexinstructionsetcomput

5、er）技术和简化指令集计算机RISC（reducedinstructionsetcomputer）技术是基于不同理论和构思的两种不同的CPU设计技术，CISC技术的产生和应用均早于RISC。lIntel公司在Pentium之前的CPU均属于CISC体系，从Pentium开始，将CISC和RISC结合，大多数指令是简化指令，但仍然保留了一部分复杂指令，而这部分指令是采用硬件来实现的，通过取两者之长，CPU可实现更高的性能。超标量流水线技术l所谓超标量，就是一个处理器中有多条指令流水线。在Pentium中，采用U和V两条流水线，每条流水线均含有独立的ALU地址生成电路和连接数据Cache的接口，它

6、们可通过各自的接口对Cache存取数据，这种结构的Cache称为Cache双端接口。双端接口使Pentium具有更高的速度。超标量流水线机制使得Pentium能够对应一个时钟周期执行两条整数运算指令，这样，比相同频率的前一代CPU实际速度提高一倍。分支预测技术l在程序设计中，分支转移指令用得非常多。通常分支转移指令在执行前，不能确定转移是否发生。而指令预取缓冲器是顺序取指令的，如果产生转移，那么指令预取缓冲器中取得的后续指令全部白取，从而造成流水线断流，损失流水线效能。为此，希望在转移指令执行前，能够预测转移是否发生，从而确定此后执行哪一段程序。超线程技术l超线程技术（HyperThreadi

7、ngTechnology），简称HT技术，超线程技术通过采用特殊的硬件指令，可以把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，在单处理器中实现线程级的并行计算，同时在相应的软硬件的支持下大幅度地提高机器效率，而实现在单处理器上模拟双处理器的性能。l要实现超线程技术，需要CPU、主板芯片组、主板BIOS、操作系统和应用软件的支持。迅驰技术l迅驰是一种“移动计算技术”，常用于笔记本电脑。它具有“集成的无线局域网连接能力，突破性的移动计算性能，延长的电池使用时间，更轻、更薄的外形设计”。其关键在于“移动”，尤其是对无线技术的全面支持，以及平衡了性能和功耗、体积的矛盾，使真正的移动成为现实。而作为一种技术，迅驰并

8、不是单纯的代表CPU，它包括了笔记本电脑专用处理器Pentium-M、855/915芯片组系列和IntelPRO/Wireless2100无线网络连接。所以，迅驰的实质是一整套无线接入的移动技术平台。双核处理器l双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。换句话说，将两个物理处理器核整合到一个核芯中。双核微处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量，因此增加一个内核，理论上处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。MMX指令集lMMX（MultiMediaExtension，多媒体扩展指令集）指令

9、集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体（在音像、图形和通信应用方面）增强技术。MMX指令集中包括有57条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力时也能进行正常处理，把处理多媒体的能力提高了60左右。但3D运算多为浮点运算，而MMX指令集对CPU的浮点运算能力没有作用，因此MMX指令集在制作3D上没有实际意义。SSE指令集lSSE（StreamingSIMDExtensions，单指令多数据流扩展指令集的缩写）是Intel公司在Pentium处理器中率先推出的。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮

10、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。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点处理、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。SSE2指令集lSSE2指令就是增强的SSE指令集的扩展，它在原来SSE指令集的基础上增加了一些指令，包括144条128位全新SIMD浮点管理指令，使得其P4处理器性能有大幅度提高。SSE2涉及了在多重的数据目标上立刻执行单个的指令（即SIMD简称单指令多数据流指令）。最重要的是SSE2能处理128位和两

11、倍精密浮点运算。SSE3指令集lSSE3指令是目前规模最小的指令集，它只有13条指令。它共划分为五个应用层，分别为数据传输命令、数据处理命令、特殊处理命令、优化命令、超线程性能增强五个部分，其中超线程性能增强是一种全新的指令集，它可以提升处理器的超线程的处理能力，大大简化了超线程的数据处理过程，使处理器能够更加快速的进行并行数据处理。3DNow!指令集lAMD的3DNow!指令跟SSE的本质差不多，一次可对2个32位浮点数进行运算。AMD公司提出的3DNow!指令集出现在SSE指令集之前，并被AMD广泛应用于其K6-2、K6-3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow!指令集技术其实就是2

12、1条机器码的扩展指令集。它在原来指令集的基础上新增了24条指令（其中的12条指令用于支持语音识别和视频信号的处理，7条指令用于改进Internet及其他形式数据流的数据传输速度，5条指令用于数字信号处理）以提高音频和通信等方面的性能。CPU的封装技术l所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。CPU的封装技术lDIP封装l载体封装lBGA封装l面向未来的封装技术CPU外观的组成l当前的CPU如果从它的物理结构和外观上就可将其分为内核、基板、填充物、封装和接口等5个部分CPU外观的组成基板接口封

13、装电路板内核CPU的性能指标lCPU的性能大致上反映出了它所配置计算机的性能，因此CPU的性能指标十分重要。l位、字节和字长主频l主频(ClockSpeed)也叫时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度，也就是CPU运算时的工作频率，其单位是MHz。一般说来，主频越高，CPU的速度就越快，整机的就越高。外频l外频是系统总线的时钟频率，简称总线频率，也就是CPU与主板之间同步运行的速度，其单位是MHz。外频主要由主板决定，外频越高，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。倍频l倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。三者是有十分密切的关系的：主频=外频倍

14、频。FSB前端总线l又称前端总线频率或前端总线速度。前端总线是AMD在推出K7CPU时提出的概念，一直以来很多人都误认为这个名词不过是外频的一个别称。实际上，平时所说的外频是指CPU与主板的连接速度（实际上是指CPU和内存之间的传输速度），这个概念是建立在数字脉冲信号振荡速度的基础之上，而前端总线速度指的是数据传输的速度。就处理器速度而言，前端总线速度比外频更具代表性。所以，前端总线速度也可以看作是总线的带宽。缓存l缓存又称为高速缓存，是指可以进行高速数据交换的存储器。lCPU的缓存分为一级缓存（L1Cache）和二级缓存（L2Cache）。l早期的CPU内部只集成了L1Cache，而把L2C

15、ache放置在主板上，现在已经成功集成在CPU内部并以CPU相同速度的频率工作，称为全速二级高速缓存。工作电压l工作电压（SupplyVoltage）指的也就是CPU正常工作所需的电压。l早期的CPU（286486时代）制造工艺相对落后，工作电压一般为5V，导致CPU的发热量太大，弄得寿命减短。随着CPU的制造工艺与主频的提高，现在CPU的工作电压逐步下降，一般为1.5V2.0V，解决了发热过高的问题，延长了CPU使用寿命。制造工艺l早期的CPU大多采用0.5m的制作工艺，PentiumCPU的制造工艺是0.35m，PentiumII和赛扬可以达到0.25m，在1999年底，Intel公司推出

16、了采用0.18m制造工艺的Pentium处理器，即Coppermine（铜矿）处理器。Intel宣称是第一个将0.13m工艺应用到微处理器的生产商。很明显，Intel只有靠0.13m工艺来减少晶体管的数量和处理器本身的体积才能有效降低成本。而在2004年6月，Intel推出的SocketLGA775架构的CPU已经采用了0.09m的制造工艺。协处理器l协处理器也叫数学协处理器，主要负责浮点运算。自从486以后，CPU一般都内置了协处理器，协处理器的功能也不再局限于增强浮点运算，含有内置协处理器的CPU，可以加快特定类型的数值计算。扩展指令集l其中最著名的有：Intel的MMX、SSE和AMD的

17、3DNOW！。这些指令集可对图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等多媒体应用起到全面强化作用。CPU的发展及主流产品lIntel系列和AMD系列CPU的发展l主流CPU的性能及特点IntelCPU的发展概况lIntel4004lIntel8008lIntel8080lIntel8086l8018680188/80286l80386l80486lPentium（奔腾）PentiumPro（高能奔腾）PentiumMMX（多能奔腾）lPentiumlPentiumlCoppermine128K（Celeron）lPentium4AMD CPU的发展概况的发展概况lK5lK6lK6-2l

18、K6-lK6-+lK7（Athlon）l雷鸟（Thunderbird）lAthlonXPl毒龙（Duron）主流CPUl2006年，标志着Intel划时代的双核处理器的推出，双核慢慢的替代单核处理器成为市场主流。目前，Intel推出的台式机双核微处理器有PentiumD、CoreDuo和PentiumEE（PentiumExtremeEdition）等类型。PentiumD和PentiumEElPentiumD和PentiumEE分别面向主流市场和高端市场，其每个核心采用独立式缓存设计，在处理器内部两个核心之间是互相隔绝的，通过处理器外部（主板北桥芯片）的仲裁器负责两个核心之间的任务分配以及缓

19、存数据的同步等协调工作。两个核心共享前端总线，并依靠前端总线在两个核心之间传输缓存同步数据。lPentiumD和PentiumEE的最大区别就是PentiumEE支持超线程技术而PentiumD则不支持，PentiumEE在打开超线程技术之后会被操作系统识别为四个逻辑处理器。PentiumEE9XX系列l目前有955（3.46GHz）和965（3.73GHz）两款产品，同样基于65nm制造工艺的Presler核心，前端总线频率FSB提升到1066MHz，每核心2MB二级缓存、Socket775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T以及虚拟化技术IntelVT，但不支持节能省电技术

20、EIST。PentiumD9X5系列l按照Intel的产品路线图，即将推出PentiumD915（2.8GHz）和925（3.0GHz），同样基于65nm制造工艺的Presler核心，与PentiumD9X0系列相比，除了都不支持虚拟化技术IntelVT以及PentiumD915不支持节能省电技术EIST之外，其它的技术特性和参数都完全相同。Intel酷睿2双核E8400l该款CPU属于CORE2DUO系列，其核心类型为Wolfdale，核心数量为双核心；热设计功耗（TDP）为65W；内核电压为0.85-1.3625V；制作工艺为5纳米，晶体管数目为4.1亿，核心面积为107平方毫米；CPU主

21、频为3000MHz，外频为333MHz，倍频为9倍，总线频率为1333MHz；CPU插槽类型为LGA775，针脚数目为775pin；CPU一级缓存为64KB，二级缓存为6MB；CPU支持MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4.1、EM64T等指令集。另外，该款CPU还支持虚拟化技术、支持病毒防护技术支持增强型英特尔SpeedStep技术、支持增强暂停状态（C1E功能）等功能。Inter酷睿2四核Q9500Sl该款CPU属于CORE2QUAD系列，核心数量为四核心；热设计功耗（TDP）为65W；制作工艺为45纳米；CPU主频为2830MHz，外频为333MHz，倍频为8.5倍，总线频率为1

22、333MHz；CPU插槽类型为LGA775，针脚数目为775pin；CPU二级缓存为6MB。IntelCorei7920lIntelCorei7920核心数量为四核心，插槽类型采用全新的LGA1366接口，针脚数为1366pin；制作工艺为45nm制程，晶体管数目为7.31亿；工作功率为130W；IntelCorei7920主频为2.66GHz，每核心均具备256KBL2缓存，L3共享缓存为8MB，内置内存控制器默认支持3通道DDR3800MHz/1066MHz，QPI速度为4.8GT/s；支持SMT（SimultaneousMuti-hreading，但可处理器就可以支持8线程并行技术）多线

23、程技术，支持SSE4.2指令集。P4775酷睿2l英特尔酷睿2处理器的英文名称是“Core2Duo”，包括桌面和移动版本。英特尔酷睿2处理器（Conroe和Merom）采用65nm工艺技术，共享式二级缓存。赛扬D775l新的赛扬D和老核心的赛扬处理器相比，赛扬D尽管同样不支持超线程技术，不过FSB提高到了533MHz，L2缓存也增加到256KB。尽管“256KB”仍然保持在同核心P4处理器的四分之一，不过已经是老版赛扬的2倍。AM2闪龙/速龙lAM2只是统一了接口，AM2接口的Athlon64系列除了VirtualzationTechnology（虚拟多操作系统运行）以外，微处理器架构几乎原封

24、不动，此外加入热门DDRII内存的支持并未能带来显著的性能提升。AM2接口的Sempron闪龙处理器更加值得期待，原先Socket754接口的2500和2800在2005年取得辉煌的成就，无论是性能功耗还是价格都取得良好的平衡。新一代Manila核心Sempron闪龙处理器采用AM2接口，除继承了前代Sempron处理器的优点以外，还支持双通道DDR2667内存。AMD速龙IIX4620l该款CPU内核核心采用Propus核心，核心数量为四核心；热设计功耗（TDP）为95W；内核电压为0.925-1.425V；制作工艺为45纳米；CPU主频为2600MHz，外频为200MHz，倍频为13倍，总

25、线频率为2000MHz；CPU插槽类型是SocketAM3，针脚数目为938pin；CPU一级缓存为128KB*4，二级缓存为2MB；CPU指令集支持MMX、3DNOW!、SSE、SSE2、SSE3、SSE4a、EMT64等。AMD速龙64X26000+lAMD速龙6000处理器如图1-20所示，它基于Windsor核心，采用X86-64架构设计，应用双核心技术，具有125W的热设计功耗，内核电压达1.35-1.4V，应用90nm制作工艺技术，拥有2.274亿的晶体管数目。主频为3000MHz，外频为200MHz，倍频为15倍，总线频率达1000MHz，此外还拥有128KB的一级缓存和2MB的

26、二级缓存；AMD速龙6000处理器应用SocketAM2类型的插槽设计，搭配940pin针脚数目。支持MMX、3DNow、SSE、SSE2、SSE3指令集、支持HyperTransport和AMDVT虚拟化技术、支持AMD的“CoolandQuiet”技术、工作温度大约在55-63C左右。CPU与风扇的选购CPU的选购l性价比l应用场合l不要赶时髦l散装与盒装CPU的散热系统lCPU风扇的分类l风扇的性能参数风扇功率、风扇转速、风扇口径、散热片材质、散热片的形状、风扇噪声、风扇排风量CPU散热器的选购l如果购买盒装CPU则可以使用CPU附带的散热器；l不同的CPU应配置不同的散热器；l根据整机中内环境综合考虑不同散热器的配置；l若选择风冷式散热，则应根据风扇和散热器的综合性能参数选择。