第03讲 计算机系统维护_第3章中央处理器CPU.ppt
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1、计算机系统维护计算机系统维护 白乐强白乐强第三章第三章 中央处理器中央处理器CPUCPU 中央处理器电子计算机的主要设备之一功能主要是解释计算机指令处理计算机软件中的数据 本章内容3.1 CPU主要技术3.2 处理器发展历程(自学)3.3 CPU选购与辩别3.4 关于超频问题3.5 CPU故障分析与排除作业P61 1 思考题:什么是CPU多线程技术?CPU高速缓存有什么作用?2第三章第三章 中央处理器中央处理器CPUCPUCPU英文:Central Processing Unit中文:中央处理器CPU构成:三部分运算器算数和逻辑运算控制器指挥中心控制运算器及其他部件工作,指令分析和控制寄储器暂
2、时存放运算的中间结果和数据CPU工作原理:CPU大脑三部分协调工作进行分析,判断,运算和控制33.1 CPU3.1 CPU主要技术主要技术CPU主要技术与选购计算机关系CPU主要技术CPU性能CPU性能计算机系统性能根据CPU主要技术选购计算机本节内容字长或位数 CPU主频、外频、FSB频率高速缓存Cache指令特殊扩展技术 移动型CPU节能技术CPU的生产工艺超线程技术其他技术(自学)4字长或位数字长或位数字长通常是指CPU内部数据总线宽度或位数CPU数据总线分类内部数据线CPU内部外部数据线CPU与内存间5字长或位数字长或位数例8088的CPU总线位数内部数据线为16位外部数据线为8位字长
3、16位,仍是16位处理器只不过是CPU与内存交换数据时是按8位方式传送数据的。Pentium4 CPU总线位数内部数据线为32位外部地址线是32位外部数据线为64位字长32位,所以Pentium4还是32位处理器,而不能称为64位处理器。6CPUCPU主频、外频、主频、外频、FSBFSB频率频率CPU主频CPU的工作频率或CPU内部总线频率CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率,也就是CPU自身工作频率。CPU外频CPU从主板上获得的工作频率它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的基准时钟频率,也就是主板的工作频率。7CPU主频CPU主频也叫时钟频率,单位是MHz,用来表示CPU的运算
4、速度。CPU的主频外频倍频系数。3.5GHz的P4倍频系数=3.5GHz/133MHz=26.1很多人认为主频就决定着CPU的运行速度,这不仅是个片面的,而且对于服务器来讲,这个认识也出现了偏差。至今,没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值关系,即使是两大处理器厂家Intel和AMD,在这点上也存在着很大的争议,我们从Intel的产品的发展趋势,可以看出Intel很注重加强自身主频的发展。像其他的处理器厂家,有人曾经拿过一快1G的全美达来做比较,它的运行效率相当于2G的Intel处理器。8CPU外频外频 外频CPU的基准频率,单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运
5、行速度台式机中超频,都是超CPU的外频(一般情况下,CPU的倍频都是被锁住的)对于服务器CPU来讲超频是绝对不允许的CPU决定着主板的运行速度,两者是同步运行的。如果把服务器CPU超频了,改变了外频,会产生异步运行,(台式机很多主板都支持异步运行)这样会造成整个服务器系统的不稳定。9前端总线前端总线(FSB)(FSB)频率频率 前端总线(FSB)频率(即总线频率)直接影响CPU与内存直接数据交换速度公式数据带宽(总线频率数据带宽)/8,数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度传输频率比方现在的支持64位的至强Nocona前端总线是800MHz,按照公式,它的数据传输最大带宽是6.4GB/
6、秒。10外频与前端总线外频与前端总线(FSB)(FSB)频率的区别频率的区别外频与前端总线(FSB)频率的区别前端总线的速度指的是数据传输的速度外频是CPU与主板之间同步运行的速度具体说明100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz64bit8Byte/bit=800MB/s。11高速缓存高速缓存CacheCacheCacheCache 英文原意是“储藏”一般使用SRAM,它与CPU之间交换数据的速度高于DRAM,所以被称作“高速缓冲存储器”,简称为“高速缓存”。SRAM:Static Random Access M
7、emoryDRAM:Dynamic random access memory 为什么使用为什么使用CacheCache由于CPU的信息处理速度常常超过其它部件的信息传递速度,所以使用一般的DRAM来作为信息存储器常常使CPU处于等待状态,造成资源的浪费。12高速缓存高速缓存CacheCache在操作系统启动以后CPU就把DRAM中经常被调用的一些系统信息暂时储存在Cache以后当CPU需要调用这些信息时首先到Cache里去找,如果找到了,就直接从Cache里读取,这样利用Cache的高速性能就可以节省很多时间。大多数CPU在自身中集成了一定量的Cache一般被称作“一级缓存”或“内置Cache
8、”这部分存储器与CPU的信息交换速度是最快的,但容量较小。大多数主板上也集成了Cache一般被称作“二级缓存”或“外置Cache”,比内置Cache容量大些Pentium二代CPU内部集成了一级缓存和二级缓存那时主板上的Cache就只能叫作三级缓存了。13L1L1高速缓存高速缓存CPU数据马上要用的放在L1L1次要的放在L L2 2再次要的放在内存里暂时不用的存在硬盘等其他存储器了 L1高速缓存一级高速缓存在CPU里面内置高速缓存可以提高CPU的运行效率内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大高速缓冲存储器均由静态RAM组成结构较复杂在CPU管芯面积不能太大的情况下L1级高速缓存的
9、容量不可能做得太大14L2L2高速缓存高速缓存L2高速缓存指CPU第二层的高速缓存第一个采用L2高速缓存奔腾Pro处理器它的L2高速缓存和CPU运行在相同频率下但成本昂贵,市场生命很短其后奔腾 II的L2高速缓存运行在相当于CPU频率一半接下来采用L2高速缓存Celeron处理器又使用了和CPU同速运行的L2高速缓存现在流行的CPU,无论是AthlonXP和奔腾4其L2高速缓存都是和CPU同速运行的除了速度以外L2高速缓存容量也会影响CPU的性能,原则是越大越好15指令特殊扩展技术指令特殊扩展技术最简单的计算机指令序列能取得运算对象,并对它们执行计算对大多数计算机而言,这些指令同时只能执行一次
10、计算如需完成一些并行操作,就要连续执行多次计算。此类计算机采用的是“单指令单数据”(SISD)处理器扩展指令指CPU是否具有对X86指令集进行指令扩展而言。扩展指令中最早出现的是Intel公司自己的“MMX”其次是AMD公司的“3D Now!”Pentium III中的“SSE”及P中的“SSE2”16移动型移动型CPUCPU节能技术节能技术IntelIntel的的SpeedStepSpeedStepIntelIntel的的QuickStartQuickStart技术技术17IntelIntel的的SpeedStepSpeedStep通过识别CPU的供电状态对CPU的运行频率和电压进行适当调整
11、当笔记本计算机是使用外接电源适配器供电时CPU就工作在标准的电压和频率之下而当计算机使用内置的电池供电时CPU的主频和电压就会自动地降低。Intel的Mobile PCPU 18IntelIntel的的QuickStartQuickStart技术技术QuickStart技术和SpeedStep有所不同和现在流行于台式机系统的CPU降温软件如WaterFall、SoftCooler等有一些相似主要是通过检测CPU的工作负荷当CPU处于空闲状态时就把CPU置于休眠状态,到需要时再迅速恢复工作状态。处于休眠状态的CPU功耗甚至能低到0.5W。19几种不同频率的移动型几种不同频率的移动型PP在标准状在
12、标准状态和电池供电状态下的参数对比态和电池供电状态下的参数对比 标准模式 电池模式 电压/标准 电压/电池 最大功耗/标准 最大功耗/电池 600mhz 500mhz 1.60 1.35 20.0 12.2 650mhz 500mhz 1.60 1.35 21.5 12.2 700mhz 550mhz 1.60 1.35 23.0 13.2 750mhz 600mhz 1.60 1.35 24.6 14.4 800mhz 650mhz 1.60 1.35 25.9 15.1 850mhz 700mhz 1.60 1.35 27.5 16.1 20笔记本电源设定例21笔记本电源设定例22笔记本电
13、源设定例23笔记本电源设定例24笔记本电源设定例25笔记本电源设定例26笔记本电源设定例27笔记本电源设定例28CPUCPU的生产工艺的生产工艺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。生产的精度单位微米m(长度单位,1微米等于千分之一毫米)纳米nm(长度单位,1纳米等于千分之一微米)精度越高生产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,提高CPU的集成度,CPU的功耗也越小。29CPUCPU的生产工艺的生产工艺制造工艺的趋势向密集度高的方向发展密度高的IC电路设计意味着在同样大小面积的IC中,可以拥有密度更高、功能
14、更复杂的电路设计。微电子技术的发展与进步,主要是靠工艺技术的不断改进,使得器件的特征尺寸不断缩小,从而集成度不断提高,功耗降低,器件性能得到提高。芯片制造工艺在1995年以后从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米一直发展到目前最新的65纳米。下一代CPU的发展目标而45纳米和30纳米的制造工艺将是下一代CPU的发展目标30CPUCPU的生产工艺的生产工艺提高处理器的制造工艺具有重大的意义先进的制造工艺会在CPU内部集成更多的晶体管,使处理器实现更多的功能和更高的性能先进的制造工艺会使处理器的核心面积进一步减小,也就是说在相同面积的晶圆上可以
15、制造出更多的CPU产品,直接降低了CPU的产品成本,从而最终会降低CPU的销售价格使广大消费者得利先进的制造工艺还会减少处理器的功耗,从而减少其发热量,解决处理器性能提升的障碍处理器自身的发展历史也充分的说明了这一点先进的制造工艺使CPU的性能和功能一直增强而价格则一直下滑,也使得电脑从以前大多数人可望而不可及的奢侈品变成了现在所有人的日常消费品和生活必需品。31超线程技术超线程技术超线程:Hyper-Threading,简称“HT”超线程技术起因CPU生产商为了提高CPU的性能,通常做法是提高CPU的时钟频率和增加缓存容量。不过目前CPU的频率越来越快,如果再通过提升CPU频率和增加缓存的方
16、法来提高性能,往往会受到制造工艺上的限制以及成本过高的制约。超线程技术在CPU中加入两个逻辑处理单元利用特殊的硬件指令把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片让单个处理器都能使用线程级并行计算进而兼容多线程操作系统和软件减少了CPU的闲置时间提高CPU的运行效率32超线程技术图示超线程技术图示 33不支持超线程技术的单核心处理器 34支持超线程的单核心CPU 35超线程技术注意点超线程技术注意点含有超线程技术的CPU需要芯片组软件支持操作系统如Microsoft Windows XPMicrosoft Windows 2003Linux kernel 2.4.x以后的版本也支持超线程技术36双核处理器
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