[计算机硬件及网络]第2章 中央处理器CPU.ppt

PentiumXeon(至强)处理器结合了前几代Intel 处理器的特点。Intel至强处理器MP (多处理器，可同时协调工作，多用于服务器)为 企业提供了多种选择：可将服务器纵向扩充至特性丰 富的4路、8路甚至更高配置，或通过部署强大的4路服 务器集群来进行横向扩展。Intel将这种灵活性称为“ 适时扩展”，即根据企业具体需求进行纵向扩充或横 向扩展。L2的2 MB以全速运行在后端总线。图2-9所示 为PentiumXeon(至强)处理器，用于服务器与高级工 作站。 Pentium 4处理器具有如下特点： (1) 支持流式单指令多数据扩展(Streaming SIMD Extensions)指令集SSE2(详见Intel网站技术文档 Basic Architecture V1.pdf第二章第3节)。 (2) 支持流式单指令多数据扩展(Streaming SIMD Extensions)指令集SSE3。 (3) Intel将超线程(HT)技术运用到了基于采用 800 MHz系统总线、主频速度从2.4 GHz3.6 GHz的 Intel Pentium 4处理器的多款台式电脑中。超线程技 术使台式电脑可以并行执行两组线程(软件程序的一部 分)，因此可以更加高效地运行软件和进行多任务处理 。 基于Intel NetBurst微体系结构之上，采用Intel 0.13 m、90 nm制造工艺精制而成的Pentium 4处理器提供了显著 的性能优势，可满足家庭计算、商用解决方案以及所有的处 理需求。Intel Pentium 4处理器的品种较多，它们可能具有 同样的主频但却有不同的技术性能。如果某一主频上存在不 同技术性能的Pentium 4处理器，则在主频之后加一字母以便 区分。 Pentium 4处理器主频速度后A、B、C、E的意义如下： A表示具有512 KB全速L2高级传输高速缓冲(512 KB Full Speed L2 Advanced Transfer Cache)Pentium 4处理器。例 如：2 GHz Pentium 4处理器表示有256 KB L2高速缓冲；2A GHz Pentium 4处理器表示有512 KB L2高速缓冲。 B表示支持533 MHz前端总线(FSB Front Side Bus) 。例如：2.40 GHz Pentium 4处理器支持400 MHz前端总 线；2.40B GHz Pentium 4处理器支持533 MHz前端总线 。 C表示支持800 MHz前端总线和超线程技术。例如： 2.40 C GHz Pentium 4处理器支持800 MHz前端总线和超 线程技术。 E表示采用90 nm制程且具有1 MB L2高级传输高速缓 冲。 如果主频后没有字母加以区分，则表示在此主频的 Pentium 4处理器制程技术、前端总线频率均相同。例如 ：所有3.06 GHz Pentium 4处理器均采用0.13 m制程 技术和支持533 MHz前端总线，因此不用字母加以区分。 互联网SIMD流技术扩展是一些能够减少运行一个特殊 程序所需整体指令数量的指令。它们能够提高性能，并能 够加快许多应用的运行，包括视频、话音、图像、照片处 理、加密、财务、工程和科学应用。NetBurst微体系结构 新添加了144条SSE指令，称为SSE2。 System Bus系统总线 它将处理器和主内存连接在一起，负责在两个组件间 传输数据和指令。Pentium 4处理器支持Intel最高性能的 台式机系统总线，其处理器数据输入输出速率每秒可达 6.4GB (800 MHz64 bit/8 bit/Byte)。该技术通过一个 物理信号方案(将200 MHz系统总线的数据传输速率提高四 倍，即800 MHz FSB)来实现。 Rapid Execution Engine快速执行引擎 它是Pentium 4处理器Intel NetBurst微体系结构的 一部分。它意味着在处理器主频中采用两组两倍速算术逻 辑单元(ALU)，从而使得基本整数指令(如加、减、逻辑“ 与”以及逻辑“或”)能够在半个时钟周期内完成。例如 ，在1.50 GHz Pentium 4处理器上的快速执行引擎能够以 3 GHz速度运行。 ClockCycle时钟周期 处理器执行指令的速度称作时钟周期或时钟速率。时 钟速率以GHz为单位，1 GHz即相当于每秒执行100亿个周 期。时钟速率越快，CPU每秒能够执行的指令就越多。 Intel MMX技术 Intel MMX技术设计用于加快多媒体和通信应用的运行 速度。该技术加入了新的指令和数据类型，使应用达到更高 水平的性能。它充分利用了许多多媒体和通信算法中固有的 并行计算能力，同时还完全兼容现有的操作系统和应用。 Hiper Pipelined Technology超级流水线技术 超级流水线技术是Pentium 4处理器所采用的Intel NetBurst微体系结构的重要组成部分。超级流水线技术将 Pentium 处理器的P6微体系结构的流水线深层增加了一倍 ，从而增强了分支预测的能力，并将流水线恢复到20级。更 深的流水线使处理器能够更快地排队和执行指令，从而提高 了性能、频率和可扩充能力。 SIMD流技术扩展2 SIMD 流技术扩展 2 由144 条新指令组成，其中 包括 SIMD 双精度浮点、SIMD 128 位整数以及全新缓 存和内存管理指令。SIMD 流技术扩展 2 技术提高了 运行性能，加速了视频、语音、加密、图像处理，目 前在需求最大的 Internet 计算能力和非线程工作站 得以应用。 SIMD流技术扩展3 SIMD 流技术扩展 3 由 13 条新指令构成，包括 5 条复杂算法估值指令、2 条为提升性能而改进的 load/store 指令、4 条提高估值速度的水平估值指令 和 2 条改进超线程指令。 800 MHz/533 MHz/400 MHz Intel NetBurst微处理结 构系统总线高的系统总线传输速度使信息从处理器到系统的 其它部分的传输速度加快，提升吞吐量，还为用户提供了利 用高的系统内存带宽的灵活性。 先进的浮点/多媒体单元 一个128位浮点端口和另一个数据端口保证了稳定且逼真的3D和 图像。 PGA封装 PGA是Pin Grid Array的简写，即针脚栅格阵列封装技 术。这种形式的处理器具有插入插座的针脚。为了提高热传 导性，PGA 在处理器上端使用了镀镍铜质散热片，芯片底部 的针脚是锯齿形排列的。此外，安装处理器的插座进行了“ 防呆”设计，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方向插 入插座。PGA 封装用于有 603 针的Intel至强处理器，参见 图2-13。 PPGA封装 PPGA是Plastic Pin Grid Array的简写，中文名 为“塑料针脚栅格阵列”，这些处理器具有插入插座 的针脚。为了提高热传导性，PPGA 在处理器的顶部使 用了镀镍铜质散热器，芯片底部的针脚是锯齿形排列 的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方 向插入插座。PPGA 封装用于早期的有 370 针的Intel 赛扬处理器，参见图2-14。 FC-PGA 封装 FC-PGA 是Flip Chip Pin Grid Array的简写，中文名 为“反转芯片针脚栅格阵列”，这种封装中有针脚插入插座 。这些芯片被反转，以至片模或构成计算机芯片的处理器部 分被暴露在处理器的上部。通过将片模暴露出来，使热量解 决方案可直接用到片模上，这样就能实现更有效的芯片冷却 。为了通过隔绝电源信号和接地信号来提高封装的性能，FC -PGA 处理器在其底部的电容放置区域(处理器中心)安有离 散电容和电阻。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外，针 脚的安排方式使得处理器只能以一种方向插入插座。FC-PGA 封装用于Pentium 和Intel赛扬处理器，并使用 370 针， 参见图2-15。 OOI封装 OOI是OLGA On Interposer(也称“奥尔加内插”) 的简写。OLGA(Organic Land Grid Array) 代表了基 板栅格阵列。OLGA 芯片也使用反转芯片设计，其中处 理器朝下附在基体上，以实现更好的信号完整性、更 有效的散热和更低的自感应。OOI 有一个集成式散热 器(IHS)，能帮助散热器将热量传给正确安装的风扇散 热器。OOI 用于Pentium 4 处理器，这些处理器有423 针，参见图2-17。 S.E.C.C.封装 S.E.C.C.是Single Edge Contact Cartridge的简写 ，中文意思为“单边接触卡盒”。为了与主板连接，处 理器被插入一个插槽。它不使用针脚，而是使用“金手 指(Gold Finger)”触点，处理器使用这些触点来传递信 号。S.E.C.C. 被一个金属壳覆盖，这个壳覆盖了整个卡 盒组件的顶端。卡盒的背面是一个导热材料镀层，充当 了散热器。在S.E.C.C.内部的大多数处理器有一个被称 为基体的印刷电路板连接起处理器、二级高速缓存和总 线终止电路。S.E.C.C. 封装用于有 242 个触点的 Intel Pentium 处理器和有 330 个触点的Pentium 至强和Pentium 至强处理器，参见图2-18。 从CPU处理器出现至今，针脚和接口就一直伴随着 CPU的性能和架构不断提升而发展，随着Intel Pentium 4处理器内部管线不断增多，频率不断提高， 针脚封装已不能满足技术要求。采用传统的CPU针式封 装时，处理器运行在高频时会产生大量信噪，造成信 号干扰。新的LGA 775接口处理器无针脚设计可降低外 界的信噪干扰的导入、提高时钟频率，也避免了处理 器在插拔时弄断针脚而导致CPU报废。看来，Intel对 LGA 775的推广力度是势不可挡的。 LGA封装下的CPU，其特征是没有了以往的针脚，只有一 个个整齐排列的金属圆点，因此，CPU并不能利用针脚固定 接触，而是需要一个安装扣架固定，令CPU可以正确压在 Socket露出来的具有弹性的“触须”上，其原理就像BGA一 样，只不过BGA是用锡焊死，而LGA则可随时解开扣架而更换 芯片。 LGA 775的出现宣告了“针脚”的消亡，以往那些处理 器底部密密麻麻、金光闪闪的针脚如今被一些不太起眼的“ 触点”所取代。与之对应，LGA 775的插座看起来也显得更 加复杂，“针孔”变成了密集的“触须”(有的叫“簧片”) ，插座也变得更加“脆弱”(参见图2-22)，任何时候都禁止 用手指接触这些“簧片”。用户在安装时要格外小心，而主 板厂商也肯定会为如何引导用户正确安装以降低插座的损坏 率而大伤脑筋。 Intel可以说是一棵长青树，说它一度垄断整个PC领域 的处理器市场也不过分，尽管近几年来在PC处理器市场受到 来自AMD、VIA(威盛，原为Cyrix，已被威盛收购)的挑战， 市场份额有所减少，但目前仍占绝对优势，况且竞争对手所 占领的较低市场份额中绝大部分都是低档市场，利润很低。 由于Intel一直以来的资金和技术优势，使其竞争对手一个 个在短短的几年时间内败下阵来，失去竞争力。例如， Transmeta(全美达)公司早于2001年就因实在抵挡不住竞争 的压力，宣布停止PC机微处理器的开发；VIA(威盛)C3处理 器目前的处境其实与全美达当时差不多，早已失去了竞争力 ；就连目前惟一希望的寄托者AMD，也只剩K8最后一搏 。 (4) 主要的企业级基准测试, 包括TPC-C和多项SPEC基准 测试, 都确认AMD Opteron处理器是全球性能最高的x86双路 和四路服务器用处理器。 (5) AMD推出AMD Athlon 64 FX-53处理器和AMD Athlon 64处理器3800+、3700+及3500+，从而在台式机市场上为客户 提供了最高性能的x86处理器。 (6) AMD推出一系列针对多种基于Microsoft Windows XP 的移动设备而设计的低功耗、高性能AMD Geode嵌入式x86处 理器。 (7) AMD公司宣布了在中国苏州设立新的封装测试(TMP) 厂的计划，紧邻AMD于1995年斥巨资建立的闪存封装测试厂。 该厂将封装测试第七代微处理器，并将在稍后时间封装测试 第八代微处理器产品。 (1) 依据与Intel授权协议克隆阶段(19761986年) 。 AMD依据和Intel签署的专利相互授权协议以及延续并 扩大他们原先的专利相互授权协议，生产了8088、8086和 80286。 (2) Amx86 系列(19861995年)。 1986年，AMD推出29300系列32位芯片。1991年3月， AMD推出AM386微处理器系列，成功打破了Intel对市场的 垄断。1991年10月，AMD售出它的第100万个Am386。1993 年4月，AMD推出Am486微处理器系列的第一批产品。1993 ，AMD宣布AMD-K5项目开发计划。1995年，AMD推出Am5x85 。 (3) K5系列(1995年)。 1995年，AMD推出AMDK5(SSA5/5k86)。 (4) K6 系列(19972001年)。 19972001年间，AMD依次推出AMD-K6(NX686/Little Foot 1997)，AMD-K6-2 (Chompers/CXT)，AMD-K6-2-P (Mobile K6-2)，K6- (Sharptooth)，K6-P，AMD K6 -2+，K6-+处理器。 (5) K7系列(1999年 )。 K7系列包括Athlon速龙(Slot A) (Pluto/Argon/Orion/Thunderbird) (1999)，Athlon 速龙(Socket A) (Thunderbird) (2000)，Duron钻龙 (Spitfire/Morgan/Appaloosa/Applebred) (2000)， Athlon MP 速龙双处理器 (Palomino/Thoroughbred/Thorton) (2001)， Athlon XP速龙XP (Palomino/Thoroughbred (A/B)/Barton/Thorton) (2001)，Mobile Athlon XP (Mobile Palomino) (2002)，Mobile Duron (Camaro/Mobile Morgan) (2002) ，Sempron 闪龙 (Thorton) (2004)。 内置的DDR DRAM内存控制器的功能包括：可用的 内存带宽会随着处理器数量的增加而增加；内置的128 位宽DDR DRAM内存控制器在每个处理器中可支持多达8 个寄存器型DDR DIMM；每个处理器的可用内存带宽最 高可达5.3 GB/s(使用PC2700内存)。 AMD的CoolnQuiet技术 AMD Athlon 64 处理器都采用AMD的CoolnQuiet 技术。这种技术可以监测系统的用电情况，一旦发觉 系统无需全速运行，便会自动调低系统的功耗，确保 系统散发更少热能及噪音。 AMD EVP(Enhanced Virus Protection) 即将推出的面向Windows XP SP2的AMD EVP(增强病 毒防护机制)专门用于防止某些病毒的扩散，如 MSBlaster 和Slammer，从而大幅度降低了相似病毒所带 来的成本损失和停机时间，并能够有效抵御一些个人电 脑病毒，加强对计算机和个人信息的保护。 AMD EVP仅限于保护用户的 Windows操作系统。用户必须安 装Microsoft Windows XP Service Pack 2(或在第一次 购买系统时，系统能够保护其应用及相关文件)，否则内 存缓冲区病毒将可能破坏文件。微软公司建议用户安装 并经常对杀毒软件升级，以保证系统的正常。 AMD64指令集体系结构 AMD64是AMD公司的一项创新，它扩充了业内最受支持的 指令集x86，也是为实现64位计算同时又保持与极大量x86基 础设施和行业经验之间兼容而设计的产品。AMD公司的64位 战略可使处理器创新的最新成果实现与已安装32位应用程序 和操作系统之间的平滑协同，同时又能建立64位功能的系统 。这就使得本行业能在所有技术前沿上不断开发和发展具备 x86兼容性的软件，同时又能实现64位技术的诸多优点。 90 nm绝缘硅(SOI，Silicon On Insulator ) 90 nm 绝缘硅(SOI)制程可以提高性能，降低晶体管功 耗，因而可应用到新型双内核CPU。这使AMD能够更好地提供 双内核处理器，满足AMD在性能方面的宏伟目标。 AMD速龙64处理器具有如下特点： (1) AMD64 核心提供领先的32 位性能并支持未来 的 64 位应用。 (2) AMD64技术为x86架构提供了全速支持，毫不 逊色的32位运行性能，且为64位应用做好了准备。 (3) 40位物理地址，48位虚拟地址。 (4) 8个新增(共16个)64位整数寄存器。 (5) 8个新增(共16个)128位SSE/SSE2寄存器。 (6) 包括对专业3DNow! 技术和SSE2的支持。 其高带宽、低延迟集成化DDR内存控制器具有如下 特点： (1)支持PC3200、PC2700、PC2100或PC1600 DDR SDRAM。 (2)没有缓冲的DIMMs。 (3)72位DDR SDRAM 内存(64位接口+8位ECC)。 (4)高达6.4 GB/s内存带宽。 (5)ECC保护实现了更高系统可靠性。 HyperTransport技术实现了高速I/O通信： (1) 一条高达2000 MHz的16位总线。 (2) 高达8 GB/s的HyperTransport I/O带宽。 (3) 高达14.4 GB/s的处理器到系统总带宽。 高性能片上缓存： (1) 64 KB L1指令缓存。 (2) 64 KB L1数据缓存。 (3) 高达1 MB L2缓存。 (4) 分支预测的改进能更准确地估计指令调用。 HyperTransport技术实现了高速I/O通信： (1) 一条高达2000 MHz的16位总线。 (2) 高达8 GB/s的HyperTransport I/O带宽。 (3) 高达14.4 GB/s的处理器到系统总带宽。 高性能片上缓存： (1) 64 KB L1指令缓存。 (2) 64 KB L1数据缓存。 (3) 高达1 MB L2缓存。 (4) 分支预测的改进能更准确地估计指令调用。 AMD Opteron(皓龙) 处理器专为服务器、工作站 而设计。AMD Opteron(皓龙)处理器采用具有划时代意 义的AMD64结构，可以同时支持32位或64位的计算。 AMD Opteron(皓龙)处理器的设计可确保用户以出众的 性能运行现有32位应用程序，同时为用户提供一条转 移64位计算的捷径。这一秉承渐进发展理念而设计的 处理器在包括兼容性、性能、投资保护及降低 TCO(总 拥有成本)方面都实现了重大的跨越。AMD Opteron(皓 龙)处理器有三个不同系列可供选择：100系列(单路) 、200系列(单或双路)及800系列(最高到 8 路)。 (1) 内存控制器集成在AMD Opteron(皓龙)处理器 内部，前端总线(接口到内存)以处理器的速度运行。 (2) AMD 2P系统AMD Opteron(皓龙)处理器 200系列，具有1个HyperTransport处理器间总线和2个 HyperTransport I/O总线，以及DDR 333内存。 (3) AMD 4P系统AMD Opteron(皓龙)处理器 800系列，具有4个HyperTransport处理器间总线和4个 HyperTransport I/O总线，以及DDR 333内存。 总之，AMD Opteron(皓龙)处理器由于采用 HyperTransport技术，使之在服务器应用方面表现出 较好的性能。 正如一个平台在处理器之外还有其它能力一样，在 处理器中除了主频之外还有更多特性。为了帮助用户在 了解更多信息的情况下制定明智的电脑采购决策， Intel近期已推出面向其台式机和笔记本电脑产品的“ 处理器号”。一个完整的处理器号(参数)应包括：体系 架构、高速缓存、主频、前端总线、其它Intel技术。 (c) 处理器号用于区分某一处理器家族(例如Intel Pentium 4处理器家族)和某一型号处理器(例如550号 与540号)内部的相关总体特性。然而，当选择处理器 家族时，数字本身并无实际意义，例如，不能因为数 字7比5大，就认为710号比510号“出色”。处理器号 对应不同的处理器家族，进而可向最终用户传达出不 同的价值定位。 同时，处理器号也不能作为一种性能衡量标准。 较高的处理器号并不意味着可为某一使用模式或特定 系统配置带来卓越的性能。目前市场中有多款工具可 供用户从性能的角度去评估处理器，在这些情况中， 用户可能会选择使用工业标准性能指标评测来衡量电 脑系统在运行特定用户应用时的性能表现。处理器号 不代表特定的系统配置，相反，它代表处理器具备的 特性，因此不能用作系统性能指标评测的替代品。(如 欲了解有关工业标准性能指标评测和相关性能数据的 更多信息，请访问/performance。) 综上所述，处理器号不代表频率的高低；此外，处 理器号的线性增长并不代表处理器的特性也会产生相应 的变化。例如，Intel Pentium M处理器725号和Intel Pentium M处理器730号之间的区别，与Intel Pentium M处理器730号和Intel Pentium M处理器735号之间的区 别并不完全一样，虽然这些处理器号均以5为增量。 Intel此举的目的在于将所有处理器的特性规范公 布于众，让用户可以轻松了解相关信息，以比较某一处 理器家族内不同处理器的特性，进而做出明智的决策。 第3位表示移动处理器的功率限制等级，如：S 25W，D 35W， N 62W, A DTR(Desktop Replacement ，台式机替代品)。 第4、5、6、7位代表处理器型号(Model Number) 。这是一个由处理器的主频和L2 Cache大小确定的一 个相关参数，但并不惟一确定。AMD遵循这样的原则： 同一家族系列的处理器而言，较大的参数具有较好的 性能指标。 第8位代表处理器的封装参数。 A：754 Pin Lidded OPGA； B：754 Pin Lidless OPGA； C：940 Pin Lidded CPGA； D：939 Pin Lidded OPGA。 第9位代表处理器的工作电压。 Q：1.20 V；O：1.25 V；I：1.40 V；E：1.50 V 。 第10位代表处理器的机箱温度。 P：70；X：95。 第11位代表处理器的二级高速缓冲的大小。 1：64 KB；2：128 KB；3：256 KB；4：512 KB； 5：1 MB。 第12、13位代表处理器的具体版别(修订)情况。 如“ADA 3200 A E P 5 AP”中各项表示如下： ADA表示AMD Athlon 64 Desktop； 3200表示该处理器型号为3200+: 2000 MHz； A表示封装参数为754 Pin Lidded OPGA； E表示工作电压为1.50 V； P表示机箱温度为70； 5表示二级高速缓冲为1 MB； AP表示其版本为Rev C0。 不过现在的AMD64微处理器采用AMD超传输技术， 北桥已集成于CPU内部，处理器与内存、处理器与AGP 等采用点到点的连接方式，可以在主频的同步下进行 数据交换，打破了数据交换的瓶颈。如果把数据交换 比作汽车运输货物的话，那么，Intel公司采用的是提 高汽车速度的方法，而AMD公司采用的是修专用公路和 公路加宽的办法。 一旦在机箱上安装好主板，就可以将固定架(由主 板供应商提供)安装到主板上。使用以下方法来安装固 定架： (1) 如果已经安装了固定架，请从中取出 4 个白 色图钉(图2-26 中的 A)，如图2-27所示。4个黑色扣件 (图2-26 中的 B)应该完全固定在固定架里，如图 2-28 所示。 (2) 将固定架放到主板上，并使之与处理器插座相 邻的四个孔对齐(图2-29)。请注意：固定架是对称的。 (3) 轻压黑色扣件使它进入主板的 4 个孔直到扣 件完全到位，这样就可以将固定架固定到主板上(图2- 30)。 (b) (4) 使用#1小平头螺丝刀，从固定架挂钩(图2-34 中的F)上取下扣具销(图2-34中的E)。 步骤(5)到步骤(7)描述从固定架挂钩上取下扣具 销的方法。注：在使用螺丝刀时，注意不要损坏主板 。 (5) 从图2-39中的1开始，从扣具(图2-34中的B) 顶端，将螺丝刀插入扣具弯管(图2-34中的D)附近的小 槽口，如图2-40所示。 首先，从风扇散热器的同一边取出扣具销(图2-39 中的1和2)。一旦图2-39中的1和2 取出后，用另一只手 拿住一个扣具弯管的顶部(图2-39中的1)，将扣具轻轻 地往上推(为了阻止扣具销的重新连接)。然后，从风扇 散热器的另一边取出扣具销(图2-39中的3)。接着换一 下，拿住另一个扣具弯管的顶部(图2-39中的 2)，将扣 具轻轻地往上推(为了阻止扣具销的重新连接)。然后， 从风扇散热器的另一边取出扣具销(图2-39中的4)。 Integrated Heat Spreader (IHS)：集成式散热 器。 Thermal Interface Material(TIM)：热接口材料 。 Processor Core (die)：处理器内核。 Package Substrate：处理器封装基板。 Capacitors：解耦电容器。 LGA 775封装P4测温装置位置如图2-44所示。 一颗散热效果良好的风扇才能保证CPU性能的正常 发挥，要优先购买CPU原装风扇或通过认证的风扇。一 般在风扇的外包装上会标明它适用的CPU型号、频率范 围。 LGA 775封装的Pentium 4 CPU的