微机组装与维护 教学课件 ppt 作者 赵小明 主编　陈英撑 代绍庆 副主编 第2章 中央处理器

第2章 中央处理器,科学出版社,本章主要介绍CPU相关的基础知识、CPU性能指标、CPU封装技术、主流CPU发展过程及特点、CPU发展新构架和迅驰技术等内容。在学习过程中要求掌握CPU相关的基础知识与基本概念，以及CPU相关性能指标与特点；同时要求了解CPU的封装技术的相关知识、主流CPU的发展过程、CPU发展的新构架及迅驰技术。,本章要点,CPU相关基础知识的理解 CPU性能指标的理解 CPU新构架相关知识的理解,本章难点,CPU常用到的一些概念与术语： SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流）：单条指令同时处理多个数据，即单条指令可以并行执行多个数据。 MMX（Multi Media Extensions，多媒体扩展指令集）：共有57条指令，是Intel公司开发的第一代SIMD指令集，它允许CPU同时对24个甚至8个数据进行并行处理。 3DNow!（3D No Waiting）：AMD开发的SIMD指令集，共有21条指令，克服了MMX没有浮点处理能力的弱点，但由于指令条数有限，仅增强了3D游戏功能。 SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）：也叫KNI指令集，为Intel开发的第二代SIMD指令集，增加了50条SIMD浮点指令。,2.1 CPU相关的基础知识(1),KNI（Katmai New Instructions，Katmai新指令集）：即SSE。 RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）：只有最常用的基本指令集。 CISC（Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算机）：相对于RISC而言，它的指令位数较长，且指令系统庞大而复杂。 Post-RISC：内核是RISC，外围是CISC，结合了两种架构的优点。 Instructions Cache（指令缓存）：主内存与CPU之间的快速存储区域。 COB（Cache On Board，板上集成缓存）：在处理器卡上集成的缓存，即为二级缓存。,2.1 CPU相关的基础知识(2),COD（Cache On Die，芯片内集成缓存）：在处理器芯片内部集成的缓存，即为一级缓存。 PSN（Processor Serial Numbers，处理器序列号）：标识处理器特性的一组号码，这些信息记录在CPU中，可利用专用软件读取，识别CPU真伪。 Identify（鉴别号码）：打印在CPU芯片上，用于判断不同芯片的识别代码。 IA（Intel Architecture，Intel架构）：Intel公司开发的x86芯片结构。 IA-64：Intel采用EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令计算机）技术开发的64位处理器。 NI（NonIntel，非Intel架构）：为Intel兼容产品。,2.1 CPU相关的基础知识(3),多核心：单芯片多处理器（Chip multiprocessors，简称CMP）。 IPC（Instructions Per Clock Cycle，指令/时钟周期）：表示在一个时钟周期内可以完成的指令数目。 Latency（潜伏期）：完全执行一条指令所需的时钟周期数。 Throughput（吞吐量）：在单位时间内可以执行的最多指令条数。 PIB（Processor In a Box，盒装处理器）：CPU厂商正式在市面上发售的产品。 Remark（芯片频率重标识）：非法经销商把低档的CPU贴上高档的CPU进行销售，这种做法称为Remark。,2.1 CPU相关的基础知识(4),2.2 CPU性能指标,1主频 CPU主频，亦称内频，即为CPU运行频率，也就是CPU中的主时钟不断产生的固定频率的时钟脉冲，它控制着CPU工作节拍。 主频越高，CPU工作节拍就越快，运算速度也就越高。 主频常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来测定，计量单位一般为兆赫、千兆赫（MHz、GHz）。 如Celeron 433、Pentium III 550中的433和550都是指CPU的主频。,2外频,外频是指CPU与周边部件传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度，因此外频亦称为前端总线频率。 主频（内频）总要比外频快，通常为一倍数（倍频），内频=外频×倍频。如P90主频为90MHz，外频是60MHz，相差1.5倍（90=60×1.5） 。 前端总线（FSB）频率是影响CPU与内存直接数据交换速度的主要因素。数据带宽（总线频率×数据位宽）/8，如支持64位的至强Nocona，前端总线是800MHz，按照公式，其最大带宽=（800MHz×64）/8=6.4GB/秒。,3运算速度,运算速度是指CPU每秒钟能执行指令的条数； MIPS用来描述计算机的定点数的运算速度的单位； MFLOPS用来描述计算机的浮点数的运算速度的单位； 浮点数运算能力越强，CPU处理图形速度就越快。,4总线宽度,总线是微处理器与外围设备之间传送信息的一组公共信号线，总线宽度是指这组公共信号线的根数。 总线由数据总线、地址总线和控制总线三部分组成。一般PC系统的总线可分为4个层次。 片内总线：指微处理器内部各功能单元的连线，延伸到CPU外，又称CPU总线。 片间总线：指PC主板上以微处理器为核心与各部件间的连线。 系统总线：指主板上扩展槽与扩展卡间连接的总线。 外总线：指PC与PC或外设之间通信的总线。,5一级缓存与二级缓存,一级缓存也称L1高速缓存，它封装在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频相近。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，一级缓存容量越大，则CPU处理速度就会越快，对应的CPU价格也就越高。 二级缓存亦称L2高速缓存，指CPU外部的高速缓存。二级缓存越大，则CPU处理速度就越快，整台计算机性能也就越好。,CPU、内存、缓存结构图,6采用的指令集,计算机中的每一条指令都可以完成一个独立的逻辑、算术运算或某种操作，而一台计算机中所有指令的集合称为该计算机指令系统，也称为指令集。 指令是软件与硬件的接口，它是程序设计的最小单位，也是设计硬件的依据，因此指令集是表征一台计算机性能的重要因素。 CPU采用的是Intel公司的MMX指令技术，还是SSE指令技术，将对计算机性能产生较大的影响。,7制造工艺,CPU芯片中集成的是晶体管，为了提高CPU的速度，最重要的是如何在相同的CPU面积里集成更加多的晶体管，一般方法只能通过光刻工艺来进行加工，制造工艺越高集成的晶体管就越多。 制造工艺是指在硅材料上生产CPU时内部各元器件间的连接线宽度，一般用m（微米）作为单位，数值越小，生产工艺越先进，CPU内部功耗和发热量就越小。 Pentium CPU的制造工艺是0.35m，Pentium II和Celeron可以达到0.25m，最新的CPU制造工艺可以达到0.18m甚至0.13m，并且将采用铜配线技术，可以极大地提高CPU的集成度和工作频率。,8核心电压,核心电压是指对CPU的供电电压，电压越低，电耗就越少，发热也就越小，CPU质量也就越高。 早期CPU（386、486）由于工艺落后，它们的工作电压一般为5V，发展到Pentium 时代，工作电压已经是3.5V/3.3V/2.8V，随着CPU的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有逐步下降的趋势，Intel的Coppermine CPU已经采用1.6V的工作电压。,2.3 CPU的类别（1）,长方形卡式CPU：卡式CPU形状是长条型，接口位于长边侧面，采用垂向插入，插入时先将CPU插到主板上，然后用卡座固定其插槽称为Slot。,正方形薄片式CPU：薄片式CPU形状正方，接口（插脚）位于正方的平面上，有很多的密密麻麻的针脚，采用扁平插入，插入后比较牢固稳定，其插槽称为Socket。,2.3 CPU的类别（2）,2.4 CPU封装技术,所谓封装就是指用于密封半导体集成电路芯片的外壳。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是封装厚度。常有以下几种封装技术： DIP（双列直插式封装） PQFP（塑料方型扁平式封装） PGA（插针网格阵列封装） BGA（球栅阵列封装） CSP芯（片尺寸封装）,2.5 CPU主流产品(Intel系列 ),8088与8086 80286 80386 80486 Pentium（奔腾） Pentium Pro（高能Pentium）,Pentium II:是Intel x86家族中的P6产品，出现在1997年的5月。 Celeron：没有L2缓存，是PII的一个简化产品。 Pentium III：采用了SSE多媒体指令集，但仍基于PII架构。 Celeron二代 ：为Pentium III的一个简化产品。 Pentium 4：为2001年推出的一款产品，有P4-Willamette、P4-Willamette-N、Northwood P4等多款产品。 Celeron三代：为P4的一款简化产品。 Celeron D：用来接替老赛扬，支持SSE3(老赛扬只支持到SSE2)。,2.5 CPU主流产品(Intel系列 ),Core：拥有双核心、64bit指令集、使用65nm制造工艺，支持SSE4指令集。每个内核拥有32KB的一级指令缓存、32KB的双端口一级数据缓存，2个内核共同拥有4MB或2MB的共享式二级缓存。 Core音译为“酷睿”。基于Core架构的处理器，对应于台式机的为Conroe，笔记本的为Merom，服务器的为WoodCrest。 Xeon MP：代号为Tigerton的四核心处理器，基于Core架构，应用于服务器。,2.5 CPU主流产品(Intel系列 ),AMD公司自1996年推出K5系列CPU以来，一直是Intel公司的竞争对手。 它生产的CPU不仅价格便宜、性能优良，而且也具有他自身的独到新技术：3DNow！技术、三级缓冲技术、“超级流水线”和“超标量”技术（并行流水线）、EV6200MHz总线技术。,2.5 CPU主流产品(AMD系列 ),Cyrix公司成立于1988年，一直从事高性能微处理器的研制，在硬件系统和相关软件方面也具有较强的实力。 由Cyrix研制的Intel兼容芯片以其较高的性能价格比，曾一度成为众多厂商和用户的理想选择。 但是由于其相对弱小，而且没有自己独立的制造工厂，以及来自Intel和AMD的强大竞争，使得Cyrix的经营状况一直不佳，并出现亏损，并于1997年被国家半导体公司收购。,2.5 CPU主流产品(Cyrix系列 ),2.6 CPU新架构,20段超级流水线：更多级能大幅提高CPU主频。 高效乱序执行：乱序执行和分支预测成技术能有效提升CPU执行速度。 2倍速ALU：ALU整数运算单元以双倍主频的速度工作，称为Rapid Execution Engine（高速执行引擎）。 新型片上缓存：即Trace Cache（跟踪缓存），用于存储x86指令解码后生成的“微操作”指令，多达12000条。 SSE2指令扩展集：为MMX和SSE的扩展集，包括144条SIMD新指令，能处理128位整数和浮点双精度数据。 400MHz前端总线：利用4倍频的方式实现高速CPU和低速内存（100MHz）的配合。,2.7 Intel迅驰技术,迅驰技术是Intel公司于2003年3月12日推出的面向笔记本电脑的无线移动计算技术的品牌名称。 迅驰（Centrino）是Centre(中心)与Neutrino（中微子）两个单词的缩写。 它由三部分组成：移动式处理器（CPU）、相关芯片组以及802.11无线网络功能模块。 迅驰平台以高速、轻巧、电池驱动时间长、无线连接4个方向为基础。 利用迅驰技术装备的笔记本电脑，不仅脱离缆线的约束，而且也能够增加电池寿命，使得笔记本变得又轻又薄。,小