CPU專業(yè)知識(shí)講座

2.1CPU概述CPU是CentralProcessingUnit簡(jiǎn)稱，又被稱為中央處理器。它是計(jì)算機(jī)關(guān)鍵部件，任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行都離不開CPU。第1頁2.1.1CPU作用CPU在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中居于關(guān)鍵地位，是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令中樞。它負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令執(zhí)行、邏輯運(yùn)算以及數(shù)據(jù)存放、傳送和輸入/輸出操作指令控制。可將CPU內(nèi)部構(gòu)造分為控制單元、邏輯單元和存放單元三大部分。各個(gè)部分雖然分工不一樣，不過合作緊密，使CPU具有強(qiáng)大運(yùn)算、處理和協(xié)調(diào)能力。第2頁2.1.2CPU發(fā)展1.CPU誕生2.16位微處理器時(shí)代3.32位微處理器時(shí)代4.64位微處理器時(shí)代第3頁1.CPU誕生1971年Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一種可用于微型計(jì)算機(jī)4位微處理器，它集成了2300個(gè)晶體管。隨后Intel又推出了8008微處理器。到了1974年，8008發(fā)展成8080，成為第二代微處理器。8080作為替代電子邏輯電路器件被用于多種應(yīng)用電路和設(shè)備中。第二代微處理器均采取NMOS工藝，集成了約9000個(gè)晶體管，平均指令執(zhí)行時(shí)間為1μs～2μs，采取匯編語言、BASIC等語言編程，用于單顧客操作系統(tǒng)。第4頁2.16位微處理器時(shí)代1978年Intel公司生產(chǎn)出了第一款16位微處理器8086，它是第三代微處理器起點(diǎn)。8086最高主頻速度為8MHz，具有16位數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存尋址能力為1MB。同步Intel還生產(chǎn)出與之相配合數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用互相兼容指令集。這些指令集統(tǒng)一稱為x86指令集。Intel公司后來生產(chǎn)CPU都兼容本來x86指令。1979年Intel公司開發(fā)出了8088微處理器。8086和8088在芯片內(nèi)部均采取16位數(shù)據(jù)傳輸，因此都稱為16位微處理器。8088工作頻率有6.66MHz，7.16MHz和8MHz幾個(gè)，集成了大約29000個(gè)晶體管。第5頁2.16位微處理器時(shí)代1981年美國IBM公司將8088芯片用于研制個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）中，個(gè)人計(jì)算機(jī)概念開始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來。從8088應(yīng)用到IBMPC機(jī)上開始，個(gè)人計(jì)算機(jī)開始走進(jìn)了人們工作和生活，它也標(biāo)志著一種新時(shí)代開始。第6頁2.16位微處理器時(shí)代1982年Intel公司在8086基礎(chǔ)上，研制出了80286微處理器。該微處理器最大主頻為20MHz。80286支持更大內(nèi)存，它能夠模擬內(nèi)存空間，也能同步運(yùn)行多種任務(wù)，從而提升了處理速度。8086～80286這個(gè)時(shí)代是個(gè)人計(jì)算機(jī)起步時(shí)代，當(dāng)初在國內(nèi)使用甚至見到過PC機(jī)人很少，直到20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)才開始普及計(jì)算機(jī)。第7頁3.32位微處理器時(shí)代1985年10月17日Intel正式公布了劃時(shí)代產(chǎn)品——80386DX，該款CPU內(nèi)部包括27.5萬個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為12.5MHz。80386DX內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線是32位，地址總線也是32位，這標(biāo)志著CPU進(jìn)入了32位微處理器時(shí)代。由于32位微處理器強(qiáng)大運(yùn)算能力，PC應(yīng)用擴(kuò)展到很多領(lǐng)域，如商業(yè)辦公和計(jì)算、工程設(shè)計(jì)和計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、個(gè)人娛樂等領(lǐng)域。80386使32位CPU成為了PC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第8頁3.32位微處理器時(shí)代1989年，Intel推出80486芯片。這款通過4年開發(fā)和3億美元資金投入芯片初次實(shí)破了100萬個(gè)晶體管界限，集成了120萬個(gè)晶體管，使用1μm制造工藝。80486時(shí)鐘頻率從25MHz逐漸提升到33MHz，40MHz，50MHz。80486性能比帶有80387數(shù)學(xué)協(xié)微處理器80386DX性能提升了4倍。1993年Intel公司推出了劃時(shí)代586，并將其命名為Pentium（飛躍）處理器，該款CPU集成了310萬個(gè)晶體管。從這款CPU開始，由于CPU工作頻率提升和大量晶體管集成，造成了CPU發(fā)熱量上升，因此Intel初次為CPU配上了專用散熱風(fēng)扇。Pentium初次采取了RISC中雙流水線及超標(biāo)量設(shè)計(jì)，能夠讓CPU并行處理兩條機(jī)器語言指令。第9頁微處理器和處理器第10頁3.32位微處理器時(shí)代1997年Intel公司在PentiumCPU內(nèi)部集成了多媒體擴(kuò)展指令，即MMX指令集，該指令集有57條多媒體指令，增強(qiáng)了圖像、視頻和音頻等方面效果，給顧客帶來了多媒體享有。同年，Intel公司又推出了Slot1接口PentiumII處理器。該款CPU內(nèi)集成了32KBL1Cache和512KBL2Cache。同步，還推出了PentiumII處理器簡(jiǎn)化版本，沒有L2CacheCeleron（賽揚(yáng)）處理器。接著推出CeleronA系列CPU中，又集成了128KBL2Cache，同步采取了Socket370接口。第11頁3.32位微處理器時(shí)代1999年，Intel公司推出了PentiumIII處理器。PentiumIII處理器中新增了70條SSE擴(kuò)展指令集，該指令集主要用于提升CPU3D處理能力和影像效果。第12頁3.32位微處理器時(shí)代2023年Intel公司推出了新一代CPU——Pentium4處理器，最先推出Pentium4處理器采取Willamette關(guān)鍵制造，制造工藝為0.18μm。2023年Intel又推出了Northwood關(guān)鍵Pentium4處理器，采取了更先進(jìn)0.13μm制造工藝，新處理器采取了Socket478接口。2023年Intel放棄了0.13μm工藝Northwood關(guān)鍵Pentium4處理器，改向0.09μm工藝Prescott關(guān)鍵發(fā)展，它采取LGA775接口，處理器不再有“腳”了，取而代之是一種個(gè)觸點(diǎn)。第13頁處理器第14頁4.64位微處理器時(shí)代從CPU誕生到發(fā)展到32位都是由Intel公司獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，不停公布具有里程碑意義CPU產(chǎn)品，其他公司如AMD和VIA公司雖然也在不停努力，不過在和Intel反抗中幾乎每次都處于下風(fēng)。不過在個(gè)人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域率先公布64位微處理器卻是潛心研究AMD公司。AMD公司在2023年公布了第一款應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)64位處理器——Athlon64。Athlon64在支持64位代碼基礎(chǔ)上提供了對(duì)32位和16位代碼良好兼容，有超出4GB內(nèi)存尋址能力，而傳統(tǒng)32位處理器最高僅支持4GB內(nèi)存。Athlon64內(nèi)置了內(nèi)存控制器，能夠極大地減少數(shù)據(jù)收發(fā)延遲，縮短讀寫祈求反應(yīng)時(shí)間，處理器性能也因此取得可觀提升。第15頁4.64位微處理器時(shí)代AMD公司隨后又推出了針對(duì)低端市場(chǎng)Socket754接口Sempron64處理器，這樣AMD在高、中、低端市場(chǎng)都推出了對(duì)應(yīng)64位處理器。而Intel公司直到2023年才推出了面向中端6系列64位CPU，此后又陸續(xù)推出了面向高端市場(chǎng)8系列和面向低端市場(chǎng)3系列64位CPU，這才開始將CPU產(chǎn)品線在整個(gè)市場(chǎng)進(jìn)行普及。所有Intel64位CPU都采取LGA775接口、Prescott關(guān)鍵、0.09μm制造工藝和擁有31級(jí)流水線。第16頁處理器第17頁2.2CPU性能指標(biāo)2.2.1CPU頻率2.2.2CPU位和字長2.2.3CPU緩存——Cache2.2.4CPU內(nèi)核和接口2.2.5CPU指令集第18頁2.2.1CPU頻率CPU頻率是指計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)工作頻率，也叫做CPU主頻或CPU時(shí)鐘頻率，CPU頻率表達(dá)CPU內(nèi)部數(shù)字脈沖信號(hào)振蕩速度，代表了CPU實(shí)際運(yùn)算速度，單位是Hz。CPU頻率越高，CPU在一種時(shí)鐘周期內(nèi)所能完成指令數(shù)也就越多，CPU運(yùn)算速度也就越快。CPU實(shí)際運(yùn)行頻率與CPU外頻和倍頻有關(guān)，其計(jì)算公式為：CPU實(shí)際頻率＝外頻×倍頻。下面將介紹與CPU頻率有關(guān)外頻、倍頻和前端總線頻率含義。第19頁2.2.1CPU頻率1.外頻2.倍頻3.前端總線頻率第20頁1.外頻外頻即CPU基準(zhǔn)頻率，是CPU與主板之間同步運(yùn)行速度。外頻速度高，CPU就能夠同步接收更多來自外圍設(shè)備數(shù)據(jù)，從而使整個(gè)系統(tǒng)速度深入提升。第21頁2.倍頻倍頻是CPU運(yùn)行頻率與系統(tǒng)外頻之間差距參數(shù)，也稱為倍頻系數(shù)，一般簡(jiǎn)稱為倍頻。在相同外頻下，倍頻越高，CPU頻率就越高。第22頁3.前端總線頻率前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）直接影響CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)速度。數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同步傳輸數(shù)據(jù)寬度和總線頻率。這里有一種計(jì)算公式：數(shù)據(jù)帶寬＝（總線頻率×數(shù)據(jù)位寬）/8，假設(shè)總線頻率為100MHz，CPU位寬為32位，則CPU與主板數(shù)據(jù)交換速度為：100MHz×32bit÷8bit/B=400MB/s。第23頁2.2.3CPU緩存——Cache緩存（Cache）作用是為CPU和內(nèi)存在數(shù)據(jù)交換時(shí)提供一種高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)CPU要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)在緩存中尋找，假如找到了則直接從緩存中讀取，假如在緩存中未能找到，CPU才會(huì)從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。CPU緩存一般分為L1高速緩存和L2高速緩存。第24頁2.2.3CPU緩存——Cache1.L1高速緩存2.L2高速緩存第25頁1.L1高速緩存L1高速緩存（也稱為一級(jí)高速緩存、L1Cache）用于暫存部分指令和數(shù)據(jù)，以使CPU能迅速地得到所需要數(shù)據(jù)。L1高速緩存與CPU同步運(yùn)行，其對(duì)CPU性能影響較大，容量越大，性能也會(huì)越高。第26頁2.L2高速緩存L2高速緩存（也稱為二級(jí)高速緩存、L2Cache）容量和頻率對(duì)CPU性能影響也較大，它作用就是為了協(xié)調(diào)CPU運(yùn)行速度與內(nèi)存存取速度之間差異。L2高速緩存是CPU晶體管總數(shù)中占得最多一種部分。由于L2高速緩存成本很高，因此L2高速緩存容量大小一般用來作為高端和低端CPU產(chǎn)品分界標(biāo)準(zhǔn)。目前CPUL2高速緩存有低至64KB，也有高達(dá)2MB。第27頁2.2.4CPU內(nèi)核和接口CPU內(nèi)核是指CPU關(guān)鍵，例如，Pentium4處理器關(guān)鍵有Willamette，Northwood和Proscott。AthlonXP有Palomino和Barton兩種關(guān)鍵，不一樣關(guān)鍵CPU性能也不一樣。CPU接口是指CPU與主板之間連接方式，CPU接口根據(jù)CPU關(guān)鍵不一樣而不一樣，CPU誕生早期是直接焊接在主板上，后來逐漸獨(dú)立出來，也就有了各式各樣接口。第28頁2.2.5CPU指令集指令集是CPU用來計(jì)算和控制系統(tǒng)命令，是與硬件電路相配合一系列指令。指令集對(duì)提升CPU效率具有主要作用，是CPU性能主要指標(biāo)之一，目前指令集有Intel公司MMX，SSE，SSE2，SSE3和AMD公司3DNow!等。第29頁2.2.5CPU指令集1.MMX指令集2.SSE指令集3.SSE2指令集4.SSE3指令集5.3DNow！指令集6.3DNow！+指令集第30頁1.MMX指令集MMX（MultiMediaExtensions，多媒體擴(kuò)展）指令集是Intel公司在1996年推出一項(xiàng)多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)。它包括57條多媒體指令，通過這些指令能夠一次處理多種數(shù)據(jù)，甚至還能夠在處理成果超出實(shí)際處理能力時(shí)候也能進(jìn)行正常處理。無論是Intel還是AMD公司推出CPU都支持該指令集，因此該指令集被看做是CPU標(biāo)準(zhǔn)指令集。第31頁2.SSE指令集SSE（StreamingSIMDExtensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集是Intel公司在PentiumIII處理器中推出，其主要作用是加速CPU3D運(yùn)算能力。它包括了70條指令，其中包括提升3D圖形運(yùn)算效率50條SIMD（單指令多數(shù)據(jù)技術(shù)）浮點(diǎn)運(yùn)算指令、8條優(yōu)化內(nèi)存連續(xù)數(shù)據(jù)塊傳輸指令和12條MMX整數(shù)運(yùn)算增強(qiáng)指令。這些指令對(duì)流行圖像處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、3D運(yùn)算、視頻處理和音頻處理等很多多媒體應(yīng)用起到強(qiáng)化作用。第32頁3.SSE2指令集SSE2（StreamingSIMDExtensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集是Intel公司在SSE指令集基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成。該指令集包括144條新128位多媒體指令，它由SSE和MMX兩個(gè)不一樣部分所組成。前者主要負(fù)責(zé)處理浮點(diǎn)數(shù)，后者則專門負(fù)責(zé)計(jì)算整數(shù)。使用它們能夠加快許多應(yīng)用程序運(yùn)行。第33頁4.SSE3指令集SSE3（StreamingSIMDExtensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）指令集是Intel公司在最新Pentium4Prescott處理器中為了增強(qiáng)Pentium4CPU在多媒體方面性能而新增加一組指令集合。SSE3指令集中包括一條專門針對(duì)視頻解碼指令和兩條針對(duì)線程處理指令，不但有助于增加IntelCPU超線程功能處理能力，并且支持更復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算。第34頁5.3DNow！指令集3DNow！指令集廣泛應(yīng)用于AMD公司K6-2，K6-3以及Athlon（K7）處理器中。該指令集其實(shí)是21條機(jī)器碼擴(kuò)展指令集，主要針對(duì)三維建模、坐標(biāo)變換和效果渲染等三維應(yīng)用場(chǎng)所。在軟件配合下，能夠大幅度提升3D處理性能。在CPU發(fā)展過程中，3DNow！指令集是最早三維指令集。第35頁6.3DNow！+指令集3DNow！+指令集在原有指令集基礎(chǔ)上，增加到52條指令，其中包括了部分SSE指令，該指令集主要用于新型AMDCPU上。第36頁2.3主流CPU產(chǎn)品介紹CPU產(chǎn)品數(shù)量很多，假如想購買到合適CPU產(chǎn)品，首先要對(duì)市場(chǎng)上CPU產(chǎn)品有所理解。第37頁2.3.1知識(shí)解說市場(chǎng)上CPU競(jìng)爭(zhēng)主要集中在Intel公司和AMD公司之間，下面將分別介紹其主要CPU產(chǎn)品。第38頁1.IntelCPUIntelCPU一般分為主打Pentium系列和面向低端市場(chǎng)Celeron系列，另外尚有面向服務(wù)器市場(chǎng)至強(qiáng)處理器和面向筆記本電腦市場(chǎng)迅馳處理器。第39頁1）IntelPentium系列IntelPentium系列始終是Intel公司主打產(chǎn)品，目前Intel主打產(chǎn)品是Pentium4系列。Pentium4系列CPU是目前Intel公司技術(shù)最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU，從最初0.18μm工藝Willamette關(guān)鍵到0.09μm工藝Prescott關(guān)鍵。第40頁2）IntelCeleron系列為了滿足低端顧客需求，Intel將原Pentium處理器內(nèi)核進(jìn)行了簡(jiǎn)化——去掉二分之一全速二級(jí)緩存，這便是Celeron系列處理器。由于二級(jí)緩存在處理器制造中成本是最高，少了二分之一二級(jí)緩存Celeron處理器價(jià)格比同頻率Pentium處理器便宜不少。目前市場(chǎng)上較常見Celeron處理器有Celeron4和CeleronD兩種。第41頁Celeron4Celeron4采取Northwood關(guān)鍵，使用了0.13μm制造工藝，具有128KB全速二級(jí)緩存，處理器外頻為100MHz，前端總線頻率（FSB）為400MHz，采取Socket478接口，頻率從2.0GHz到2.5GHz不等。第42頁CeleronDCeleronD采取Prescott關(guān)鍵，其前端總線頻率為533MHz，全速二級(jí)緩存增加到了256KB，支持最新SSE3指令集，并且采取了0.09μm制造工藝，大大減少了關(guān)鍵發(fā)熱量。第43頁處理器第44頁3）Xeon系列除了以上系列處理器外，Intel還推出了服務(wù)器和高端工作站使用Xeon至強(qiáng)處理器。Intel率先在服務(wù)器領(lǐng)域推出了64位Xeon至強(qiáng)處理器，基于Nocona關(guān)鍵。第45頁4）迅馳系列Intel還推出了專為筆記本電腦設(shè)計(jì)迅馳處理器，目前主流產(chǎn)品是PentiumM。與此前處理器相比，它應(yīng)用新技術(shù)有對(duì)增強(qiáng)型IntelSpeedStep技術(shù)改善、高級(jí)分支預(yù)測(cè)、電源管理、超高速緩沖存放器等。第46頁4）迅馳系列PentiumM具有1MB高速二級(jí)緩存，而新一代Dothan具有2MB二級(jí)緩存，而本來P4-M只有512KB，目前CeleronM為了減少成本以示與PentiumM區(qū)分，也只具有512KB二級(jí)緩存。第47頁2.AMDCPU目前常見AMDCPU有AthlonXP，Athlon64和Sempron等，下面分別進(jìn)行介紹。第48頁1）AthlonXP系列AthlonXP是目前AMD為了和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Intel抗衡所推出一款面向中低端CPU。目前AthlonXPCPU大多采取了Barton關(guān)鍵和0.13μm制造工藝，具有128KBL1Cache和512KBL2Cache，晶體管總數(shù)為5430萬，關(guān)鍵面積為101mm2。第49頁2）Athlon64系列Athlon64系列是AMD最新64位CPU，面向個(gè)人顧客推出了Athlon64和Athlon64FX。Athlon64系列都集成了內(nèi)存控制器，其中Athlon64集成是單通道內(nèi)存控制器，同步采取Socket754技術(shù)封裝。而Athlon64FX集成了雙通道內(nèi)存控制器，采取Socket939或Socket940封裝技術(shù)，并要求搭配經(jīng)AMD認(rèn)證內(nèi)存。Athlon64在多媒體擴(kuò)展指令方面支持MMX，3DNow！，SSE，SSE2和x86-64指令，為顧客提供了良好兼容性。第50頁處理器第51頁3）Sempron系列AMD面向低端市場(chǎng)處理器是Sempron系列，其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是IntelCeleronD處理器。Sempron系列采取與AthlonXP完全同樣Thoroughbred關(guān)鍵，前端總線頻率為333MHz，其一級(jí)緩存和二級(jí)緩存分別為128KB和256KB，采取與AthlonXP完全同樣SocketA（462）接口。Sempron系列尚有一種采取Athlon64SledgeHammer關(guān)鍵處理器，有Socket754和Socket939兩種接口，不過它并不支持x86-64指令集，二級(jí)緩存也降為256KB，并且只支持單通道DDR內(nèi)存。第52頁2.3.2典型案例1.Intel主流CPU2.AMD主流CPU第53頁1.Intel主流CPU下面將介紹Intel公司生產(chǎn)Pentium4506+，CeleronD320和CeleronD335J。第54頁1）Pentium4506+Pentium4506+處理器主頻為2.66GHz，它將替代同主頻Pentium505處理器，并加入對(duì)EM64T支持。前端總線頻率為533MHz，支持LGA775接口，而L2Cache容量則高達(dá)1MB，是Northwood關(guān)鍵Pentium4處理器兩倍。Pentium4506+采取是Prescott關(guān)鍵、0.09μm制造工藝，電壓采取multipleVID，介于1.25V～1.4V之間，主頻為2.66MHz，倍頻為20，關(guān)鍵為E0Stepping，支持SSE3指令集及EM64T技術(shù)，同步支持IntelExecuteDisableBit防病毒功能，但不支持Hyper-Threading技術(shù)。第55頁2）CeleronD320CeleronD320處理器主頻定為2.40GHz，集成256KB二級(jí)緩存，并支持更高533MHz前端總線頻率。另外，它采取0.09μm工藝Prescott關(guān)鍵，并集成了MMX，SSE，SSE2以及最新SSE3指令集。該款CeleronD320處理器一般可超頻到3.0GHz，有甚至能夠超得更高，它是一款性價(jià)比較高產(chǎn)品。第56頁3）CeleronD335JLGA775接口CeleronD335J處理器價(jià)格低廉，是組建PCI-E系統(tǒng)一種不錯(cuò)選擇。該款處理器主頻為2.8GHz，前端總線頻率為533MHz，擁有256KBL2Cache。采取了0.09μm制造工藝Prescott關(guān)鍵，加入了IntelExecuteDisableBit（硬件防病毒功能）及ThermalMonitor2（防CPU燒死）功能。第57頁2.AMD主流CPU下面將介紹AMD公司生產(chǎn)Athlon643000+和Sempron2500+。第58頁1）Athlon643000+Athlon643000+采取Socket939接口，采取Newcastle關(guān)鍵，具有128KB一級(jí)緩存，512KB二級(jí)緩存，內(nèi)建能夠支持雙通道DDR內(nèi)存內(nèi)存控制器。另外，該處理器采取0.09μm制造工藝。Athlon643000+實(shí)際運(yùn)行頻率為1800MHz。第59頁2）Sempron2500+Sempron2500+采取Palermo關(guān)鍵，0.09μm制造工藝、Socket754接口、支持800MHzHT總線、單通道DDR、1.4GHz主頻、256KB二級(jí)緩存，支持CoolandQuiet功能。該款CPU超頻性能強(qiáng)勁，多數(shù)Sempron2500+能夠在默認(rèn)電壓下超頻到2.2GHz以上。第60頁2.4CPU選購指南CPU頻率提升幅度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他設(shè)備運(yùn)行速度提升。因此目前選購CPU已經(jīng)不能僅憑頻率高低來選擇，應(yīng)當(dāng)選擇一款性價(jià)比較高CPU。第61頁2.4CPU選購指南2.4