《中央处理器》PPT课件.ppt

许德刚,计算机组装与系统维护技术,清华大学出版社,第三章,中央处理器,第三章 中央处理器,本章重点内容,了解 CPU发展史,掌握CPU的主要技术指标,熟练掌握CPU的结构及工作原理,第三章 中央处理器,本章难点内容,CPU主要技术指标,CPU的工作原理,第三章 中央处理器,3.1 CPU简介,CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。,指令控制：也称程序的顺序控制，控制程序严格按照规定的顺序执行。 操作控制：将取出的指令产生的一系列控制信号（微指令），分别送往相应 的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行工作。 时间控制：有些控制信号在时间上有严格的先后顺序，如读取存储器的数据，只有当地址线信号稳定以后，才能通过数据线将所需的数据读出，这样计算机才能有条不紊地工作。 数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。,CPU的基本功能：,第三章 中央处理器,3.2 CPU的发展历史,3.2.1 Intel系列CPU,18088，8086,280286,第三章 中央处理器,380386,480486,5Pentium,第三章 中央处理器,6Pentium II,Pentium II CPU,Celeron CPU,7Pentium III,8Pentium 4,第三章 中央处理器,9Pentium D,10Pentium E,11Core,12Core 2,第三章 中央处理器,奔腾双核，酷睿双核，酷睿2双核,酷睿的核心是Yonah(90)，但酷睿双核是Memorm(60)核心，而奔腾双核二级缓存是1M，酷睿双核是2M 酷睿双核T2500 T2400 T2450 T2300 T2300E T2250 T2350 T2050 奔腾双核T2130 T2080 T2060，T2310 酷睿2 低端版:e6550，e6750 Duo系列 酷睿2高端版如：e4500，e4600,第三章 中央处理器,举例,奔腾双核T2060的主频和FSB与T2050相同，是1.6GHz和533MHz。 只有二级缓存差别较大，T2060是T2050的一半，仅为1MB,3.2.2 AMD系列CPU,1第一阶段 从涉足个人计算机微处理器产品至K6阶段。初期的产品策略主要是以较低廉的产品价格为主，虽然最高性能不比同期的Intel产品弱，但却拥有较佳的性价比。,第三章 中央处理器,3.2.2 AMD系列CPU,2第二阶段 K7阶段。K7的性能尤其是在浮点运算能力方面，受到不少DIY（自行组装计算机）用户的欢迎。由于相对于Intel，AMD对于CPU的倍频锁定限制较松，因此广受许多超频用户的欢迎。但由于缺乏过热保护，超频过度的K7系列CPU有较高的烧毁风险，导致部分消费者对其稳定度的信心偏低。,第三章 中央处理器,3.2.2 AMD系列CPU,3第三阶段 K8阶段，是AMD第8代处理器系列的通称，也是从32位的x86平台与64位的AMD64平台的过渡的时代。由于先于Intel进入64位CPU的市场，使得AMD在64位CPU的领域有比较早发展的优势，此阶段的AMD产品仍采取了一贯的低主频高性能策略，重点解决因为电气性能有限所导致CPU不稳定和发热量、耗电功率过大的问题。 AMD第8代处理器系列主要有Athlon 64 X2、Athlon 64 FX、 Athlon 64、Sempron (K8)（有一部分型号为K7系列）Opteron (K8) Turion 64 (K8)等。,第三章 中央处理器,我国自己的CPU,从左到右分别是：龙芯1号、龙芯2B和龙芯2E处理器,第三章 中央处理器,3.3.1 CPU的组成,3.3 CPU的组成与结构,第三章 中央处理器,3.3.2 CPU的结构,从外部物理构造的角度上看，目前的CPU主要由基板、内核、针脚、基板之间的填充物以及散热器装置支撑垫等组成 。,第三章 中央处理器,CPU内核（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由内核执行。,1CPU内核,2基板,CPU基板是承载CPU内核用的电路板，是核心和针脚的载体。它负责内核芯片和外界的一切通讯，并决定这一颗芯片的时钟频率。,3填充物,CPU内核和CPU基板之间往往还有填充物，填充物的作用是用来缓解来自散热器的压力以及固定芯片和电路基板。,第三章 中央处理器,封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。,4CPU封装,INTEL Core 2 Duo处理器封装前后的芯片,第三章 中央处理器,CPU和主板连接的接口，目前，接口类型主要有：引脚式、卡式、触点式、针脚式等，对应到主板上就有相应的插槽（slot）或插座（socket）。,5接口类型,第三章 中央处理器,1主频,3.4 CPU的主要技术指标,2外频,3前端总线(FSB)频率,4倍频系数,5CPU的位和字长,第三章 中央处理器,3.4 CPU的主要技术指标,6缓存（CACHE）,缓存的工作原理：当CPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就从速度相对慢的内存中读取，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，以便以后能够快速地从缓存中读取该数据，而不必再去读内存 。,第三章 中央处理器,CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。、 1）CISC指令集 2）RISC指令集 3）MMX指令集 4）SSE指令集 5）SSE2指令集 6）SSE3指令集 7）SSE4指令集 8）3D Now!指令集,7指令集,第三章 中央处理器,核心电压即驱动CPU核心芯片的电压，I/O电压则指驱动I/O电路的电压。 低工作电压主要三个优点： 采用低电压的CPU的芯片总功耗降低了。功耗降低，系统的运行成本就相应降低，这对于便携式和移动系统来说非常重要，使其现有的电池可以工作更长时间，从而使电池的使用寿命大大延长。 功耗降低，致使发热量减少，运行温度不过高的CPU可以与系统更好的配合。 降低电压是提高CPU主频的重要因素之一。,9CPU内核和I/O工作电压,第三章 中央处理器,衡量集成度的标准是制造工艺，制造工艺是指集成电路内电路与电路之间的距离。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、65纳米、45纳米，一直发展到目前最新的32纳米，15纳米制造工艺将是下一代CPU的发展目标。,10制造工艺,11超流水线与超标量,超标量是通过内置多条流水线来同时执行多条处理指令，其实质是以空间换取时间。 超流水线是通过细化流水、从而提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。,第三章 中央处理器,每个正在系统上运行的程序都是一个进程。每个进程包含一到多个线程。 线程是一组指令的集合，或者是程序的特殊段，可以在程序里独立执行。 在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作,称为多线程. SMT可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行，共享处理器的资源，提高运算部件的利用率，缓和由于数据相关或Cache未命中带来的访问内存延时。,12多线程（SMT）,13SMP,SMP（Symmetric Multi-Processing），对称多处理结构的简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器（多CPU），各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。,14多核心,将大规模并行处理器中的SMP（对称多处理器）集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的进程。从体系结构的角度看，SMT比CMP对处理器资源利用率要高，在克服延迟影响方面更具优势。CMP相对SMT的最大优势还在于其模块化设计的简洁性。,第三章 中央处理器,15CPU核心类型,为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。,16NUMA技术,非一致访问分布共享存储技术，它是由若干通过高速专用网络连接起来的独立节点构成的系统，各个节点可以是单个的CPU或是SMP系统。在NUMA中，Cache 的一致性有多种解决方案，需要操作系统和特殊软件的支持。,17乱序执行技术,乱序执行（out-of-orderexecution），是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。 采用乱序执行技术的目的是为了使CPU内部电路满负荷运转并相应提高了CPU的运行程序的速度。,第三章 中央处理器,3.5 CPU散热装置,3.5.1 散热器的分类,CPU散热装置主要分两类，一类是液体散热，一类是风冷散热。液