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2 1CPU概述 CPU是CentralProcessingUnit的简称 又被称为中央处理器 它是计算机的核心部件 任何一台计算机的运行都离不开CPU 2 1 1CPU的作用 CPU在整个计算机系统中居于核心地位 是整个计算机系统的指令中枢 它负责计算机系统指令的执行 逻辑运算以及数据存储 传送和输入 输出操作指令的控制 可将CPU的内部结构分为控制单元 逻辑单元和存储单元三大部分 各个部分虽然分工不同 但是合作紧密 使CPU具有强大的运算 处理和协调能力 2 1 2CPU的发展 1 CPU的诞生2 16位微处理器时代3 32位微处理器时代4 64位微处理器时代 1 CPU的诞生 1971年Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004 这是第一个可用于微型计算机的4位微处理器 它集成了2300个晶体管 随后Intel又推出了8008微处理器 到了1974年 8008发展成8080 成为第二代微处理器 8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中 第二代微处理器均采用NMOS工艺 集成了约9000个晶体管 平均的指令执行时间为1 s 2 s 采用汇编语言 BASIC等语言编程 用于单用户操作系统 2 16位微处理器时代 1978年Intel公司生产出了第一款16位微处理器8086 它是第三代微处理器的起点 8086的最高主频速度为8MHz 具有16位数据通道 内存寻址能力为1MB 同时Intel还生产出与之相配合的数学协处理器i8087 这两种芯片使用相互兼容的指令集 这些指令集统一称为x86指令集 Intel公司以后生产的CPU都兼容原来的x86指令 1979年Intel公司开发出了8088微处理器 8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输 所以都称为16位微处理器 8088的工作频率有6 66MHz 7 16MHz和8MHz几种 集成了大约29000个晶体管 2 16位微处理器时代 1981年美国IBM公司将8088芯片用于研制的个人计算机 PC 中 个人计算机的概念开始在全世界范围内发展起来 从8088应用到IBMPC机上开始 个人计算机开始走进了人们的工作和生活 它也标志着一个新时代的开始 2 16位微处理器时代 1982年Intel公司在8086的基础上 研制出了80286微处理器 该微处理器的最大主频为20MHz 80286支持更大的内存 它能够模拟内存空间 也能同时运行多个任务 从而提高了处理速度 8086 80286这个时代是个人计算机起步的时代 当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少 直到20世纪90年代初 国内才开始普及计算机 3 32位微处理器时代 1985年10月17日Intel正式发布了划时代的产品 80386DX 该款CPU内部包含27 5万个晶体管 时钟频率为12 5MHz 80386DX的内部和外部数据总线是32位的 地址总线也是32位的 这标志着CPU进入了32位微处理器时代 由于32位微处理器的强大运算能力 PC的应用扩展到很多领域 如商业办公和计算 工程设计和计算 数据中心 个人娱乐等领域 80386使32位CPU成为了PC工业的标准 3 32位微处理器时代 1989年 Intel推出80486芯片 这款经过4年开发和3亿美元资金投入的芯片首次实破了100万个晶体管的界限 集成了120万个晶体管 使用1 m的制造工艺 80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz 40MHz 50MHz 80486的性能比带有80387数学协微处理器的80386DX性能提高了4倍 1993年Intel公司推出了划时代的586 并将其命名为Pentium 奔腾 处理器 该款CPU集成了310万个晶体管 从这款CPU开始 由于CPU的工作频率提高和大量晶体管的集成 造成了CPU的发热量上升 因此Intel首次为CPU配上了专用的散热风扇 Pentium首次采用了RISC中的双流水线及超标量设计 可以让CPU并行处理两条机器语言指令 微处理器和处理器 3 32位微处理器时代 1997年Intel公司在PentiumCPU内部集成了多媒体扩展指令 即MMX指令集 该指令集有57条多媒体指令 增强了图像 视频和音频等方面的效果 给用户带来了多媒体的享受 同年 Intel公司又推出了Slot1接口的PentiumII处理器 该款CPU内集成了32KB的L1Cache和512KB的L2Cache 同时 还推出了PentiumII处理器的简化版本 没有L2Cache的Celeron 赛扬 处理器 接着推出的CeleronA系列的CPU中 又集成了128KB的L2Cache 同时采用了Socket370的接口 3 32位微处理器时代 1999年 Intel公司推出了PentiumIII处理器 PentiumIII处理器中新增了70条SSE扩展指令集 该指令集主要用于提高CPU的3D处理能力和影像效果 3 32位微处理器时代 2000年Intel公司推出了新一代的CPU Pentium4处理器 最先推出的Pentium4处理器采用Willamette核心制造 制造工艺为0 18 m 2001年Intel又推出了Northwood核心的Pentium4处理器 采用了更先进的0 13 m制造工艺 新处理器采用了Socket478接口 2003年Intel放弃了0 13 m工艺的Northwood核心的Pentium4处理器 改向0 09 m工艺的Prescott核心发展 它采用LGA775接口 处理器不再有 脚 了 取而代之的是一个个的触点 处理器 4 64位微处理器时代 从CPU诞生到发展到32位都是由Intel公司独领风骚 不断发布具有里程碑意义的CPU产品 其他公司如AMD和VIA公司虽然也在不断努力 但是在和Intel的对抗中几乎每次都处于下风 但是在个人计算机领域率先发布64位微处理器的却是潜心研究的AMD公司 AMD公司在2003年发布了第一款应用于个人计算机的64位处理器 Athlon64 Athlon64在支持64位代码的基础上提供了对32位和16位代码的良好兼容 有超过4GB的内存寻址能力 而传统的32位处理器最高仅支持4GB内存 Athlon64内置了内存控制器 可以极大地降低数据的收发延迟 缩短读写请求的反应时间 处理器的性能也因此获得可观的提升 4 64位微处理器时代 AMD公司随后又推出了针对低端市场的Socket754接口的Sempron64处理器 这样AMD在高 中 低端市场都推出了相应的64位处理器 而Intel公司直到2005年才推出了面向中端的6系列的64位CPU 此后又陆续推出了面向高端市场的8系列和面向低端市场的3系列的64位CPU 这才开始将CPU的产品线在整个市场进行普及 所有的Intel64位CPU都采用LGA775接口 Prescott核心 0 09 m的制造工艺和拥有31级的流水线 处理器 2 2CPU的性能指标 2 2 1CPU的频率2 2 2CPU的位和字长2 2 3CPU的缓存 Cache2 2 4CPU的内核和接口2 2 5CPU的指令集 2 2 1CPU的频率 CPU的频率是指计算机运行时的工作频率 也叫做CPU的主频或CPU的时钟频率 CPU的频率表示CPU内部数字脉冲信号振荡的速度 代表了CPU的实际运算速度 单位是Hz CPU的频率越高 CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多 CPU的运算速度也就越快 CPU实际运行的频率与CPU的外频和倍频有关 其计算公式为 CPU的实际频率 外频 倍频 下面将介绍与CPU频率相关的外频 倍频和前端总线频率的含义 2 2 1CPU的频率 1 外频2 倍频3 前端总线频率 1 外频 外频即CPU的基准频率 是CPU与主板之间同步运行的速度 外频速度高 CPU就可以同时接收更多的来自外围设备的数据 从而使整个系统的速度进一步提高 2 倍频 倍频是CPU运行频率与系统外频之间差距的参数 也称为倍频系数 通常简称为倍频 在相同的外频下 倍频越高 CPU的频率就越高 3 前端总线频率 前端总线 FSB 频率 即总线频率 直接影响CPU与内存交换数据的速度 数据传输的最大带宽取决于所有同时传输的数据宽度和总线频率 这里有一个计算公式 数据带宽 总线频率 数据位宽 8 假设总线频率为100MHz CPU的位宽为32位 则CPU与主板的数据交换速度为 100MHz 32bit 8bit B 400MB s 2 2 3CPU的缓存 Cache 缓存 Cache 的作用是为CPU和内存在数据交换时提供一个高速的数据缓冲区 当CPU要读取数据时 首先会在缓存中寻找 如果找到了则直接从缓存中读取 如果在缓存中未能找到 CPU才会从主内存中读取数据 CPU缓存一般分为L1高速缓存和L2高速缓存 2 2 3CPU的缓存 Cache 1 L1高速缓存2 L2高速缓存 1 L1高速缓存 L1高速缓存 也称为一级高速缓存 L1Cache 用于暂存部分指令和数据 以使CPU能迅速地得到所需要的数据 L1高速缓存与CPU同步运行 其对CPU的性能影响较大 容量越大 性能也会越高 2 L2高速缓存 L2高速缓存 也称为二级高速缓存 L2Cache 的容量和频率对CPU的性能影响也较大 它的作用就是为了协调CPU的运行速度与内存存取速度之间的差异 L2高速缓存是CPU晶体管总数中占得最多的一个部分 由于L2高速缓存的成本很高 因此L2高速缓存的容量大小一般用来作为高端和低端CPU产品的分界标准 目前CPU的L2高速缓存有低至64KB 也有高达2MB的 2 2 4CPU的内核和接口 CPU的内核是指CPU的核心 例如 Pentium4处理器的核心有Willamette Northwood和Proscott AthlonXP有Palomino和Barton两种核心 不同核心的CPU的性能也不同 CPU的接口是指CPU与主板之间的连接方式 CPU的接口根据CPU的核心的不同而不同 CPU诞生初期是直接焊接在主板上的 后来逐渐独立出来 也就有了各式各样的接口 2 2 5CPU的指令集 指令集是CPU用来计算和控制系统的命令 是与硬件电路相配合的一系列的指令 指令集对提高CPU的效率具有重要的作用 是CPU性能的重要指标之一 目前指令集有Intel公司的MMX SSE SSE2 SSE3和AMD公司的3DNow 等 2 2 5CPU的指令集 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 1 MMX指令集 MMX MultiMediaExtensions 多媒体扩展 指令集是Intel公司在1996年推出的一项多媒体指令增强技术 它包括57条多媒体指令 通过这些指令可以一次处理多个数据 甚至还可以在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理 无论是Intel还是AMD公司推出的CPU都支持该指令集 因此该指令集被看做是CPU的标准指令集 2 SSE指令集 SSE StreamingSIMDExtensions 单指令多数据流扩展 指令集是Intel公司在PentiumIII处理器中推出的 其主要作用是加速CPU的3D运算能力 它包含了70条指令 其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD 单指令多数据技术 浮点运算指令 8条优化内存连续数据块传输指令和12条MMX整数运算增强指令 这些指令对流行的图像处理 浮点运算 3D运算 视频处理和音频处理等诸多多媒体应用起到强化的作用 3 SSE2指令集 SSE2 StreamingSIMDExtensions 单指令多数据流扩展 指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上扩展而成的 该指令集包括144条新的128位多媒体指令 它由SSE和MMX两个不同的部分所组成 前者主要负责处理浮点数 后者则专门负责计算整数 使用它们能够加快许多应用程序的运行 4 SSE3指令集 SSE3 StreamingSIMDExtensions 单指令多数据流扩展 指令集是Intel公司在最新的Pentium4Prescott处理器中为了增强Pentium4CPU在多媒体方面的性能而新增加的一组指令集合 SSE3指令集中包括一条专门针对视频解码的指令和两条针对线程处理的指令 不仅有助于增加IntelCPU的超线程功能的处理能力 而且支持更复杂的算术运算 5 3DNow 指令集 3DNow 指令集广泛应用于AMD公司的K6 2 K6 3以及Athlon K7 处理器中 该指令集其实是21条机器码的扩展指令集 主要针对三维建模 坐标变换和效果渲染等三维应用场合 在软件的配合下 可以大幅度提高3D处理性能 在CPU的发展过程中 3DNow 指令集是最早的三维指令集 6 3DNow 指令集 3DNow 指令集在原有的指令集基础上 增加到52条指令 其中包含了部分SSE指令 该指令集主要用于新型的AMDCPU上 2 3主流CPU产品介绍 CPU的产品数量很多 如果想购买到合适的CPU产品 首先要对市场上的CPU产品有所了解 2 3 1知识讲解 市场上CPU的竞争主要集中在Intel公司和AMD公司之间 下面将分别介绍其主要的CPU产品 1 IntelCPU Intel的CPU一般分为主打的Pentium系列和面向低端市场的Celeron系列 另外还有面向服务器市场的至强处理器和面向笔记本电脑市场的迅驰处理器 1 IntelPentium系列 IntelPentium系列一直是Intel公司的主打产品 现在Intel的主打产品是Pentium4系列 Pentium4系列的CPU是目前Intel公司技术最先进 功能最强大的个人计算机CPU 从最初的0 18 m工艺的Willamette核心到0 09 m工艺的Prescott核心 2 IntelCeleron系列 为了满足低端用户的需求 Intel将原Pentium处理器内核进行了简化 去掉一半全速二级缓存 这便是Celeron系列处理器 由于二级缓存在处理器的制造中成本是最高的 少了一半二级缓存的Celeron处理器的价格比同频率的Pentium处理器便宜不少 目前市场上较常见的Celeron处理器有Celeron4和CeleronD两种 Celeron4 Celeron4采用Northwood核心 使用了0 13 m制造工艺 具有128KB全速二级缓存 处理器外频为100MHz 前端总线频率 FSB 为400MHz 采用Socket478接口 频率从2 0GHz到2 5GHz不等 CeleronD CeleronD采用Prescott核心 其前端总线频率为533MHz 全速二级缓存增加到了256KB 支持最新的SSE3指令集 并且采用了0 09 m的制造工艺 大大降低了核心的发热量 处理器 3 Xeon系列 除了以上系列的处理器外 Intel还推出了服务器和高端工作站使用的Xeon至强处理器 Intel率先在服务器领域推出了64位Xeon至强处理器 基于Nocona核心 4 迅驰系列 Intel还推出了专为笔记本电脑设计的迅驰处理器 现在的主流产品是PentiumM 与以前的处理器相比 它应用的新技术有对增强型IntelSpeedStep技术的改进 高级分支预测 电源管理 超高速缓冲存储器等 4 迅驰系列 PentiumM具有1MB的高速二级缓存 而新一代Dothan具有2MB的二级缓存 而原来的P4 M只有512KB 现在CeleronM为了降低成本以示与PentiumM的区别 也只具备512KB的二级缓存 2 AMDCPU 目前常见的AMDCPU有AthlonXP Athlon64和Sempron等 下面分别进行介绍 1 AthlonXP系列 AthlonXP是目前AMD为了和竞争对手Intel抗衡所推出的一款面向中低端的CPU 目前AthlonXPCPU大多采用了Barton核心和0 13 m制造工艺 具有128KB的L1Cache和512KB的L2Cache 晶体管总数为5430万 核心面积为101mm2 2 Athlon64系列 Athlon64系列是AMD最新的64位CPU 面向个人用户推出了Athlon64和Athlon64FX Athlon64系列都集成了内存控制器 其中Athlon64集成的是单通道内存控制器 同时采用Socket754技术封装 而Athlon64FX集成了双通道内存控制器 采用Socket939或Socket940封装技术 并要求搭配经AMD认证的内存 Athlon64在多媒体扩展指令方面支持MMX 3DNow SSE SSE2和x86 64指令 为用户提供了良好的兼容性 处理器 3 Sempron系列 AMD面向低端市场的处理器是Sempron系列 其主要竞争对手是Intel的CeleronD处理器 Sempron系列采用与AthlonXP完全一样的Thoroughbred核心 前端总线频率为333MHz 其一级缓存和二级缓存分别为128KB和256KB 采用与AthlonXP完全一样的SocketA 462 接口 Sempron系列还有一种采用Athlon64的SledgeHammer核心的处理器 有Socket754和Socket939两种接口 不过它并不支持x86 64指令集 二级缓存也降为256KB 而且只支持单通道DDR内存 2 3 2典型案例 1 Intel主流CPU2 AMD主流CPU 1 Intel主流CPU 下面将介绍Intel公司生产的Pentium4506 CeleronD320和CeleronD335J 1 Pentium4506 Pentium4506 处理器的主频为2 66GHz 它将代替同主频的Pentium505处理器 并加入对EM64T的支持 前端总线频率为533MHz 支持LGA775接口 而L2Cache的容量则高达1MB 是Northwood核心Pentium4处理器的两倍 Pentium4506 采用的是Prescott核心 0 09 m制造工艺 电压采用multipleVID 介于1 25V 1 4V之间 主频为2 66MHz 倍频为20 核心为E0Stepping 支持SSE3指令集及EM64T技术 同时支持IntelExecuteDisableBit防病毒功能 但不支持Hyper Threading技术 2 CeleronD320 CeleronD320处理器的主频定为2 40GHz 集成256KB的二级缓存 并支持更高的533MHz的前端总线频率 此外 它采用0 09 m工艺的Prescott核心 并集成了MMX SSE SSE2以及最新的SSE3指令集 该款CeleronD320处理器一般可超频到3 0GHz 有的甚至可以超得更高 它是一款性价比较高的产品 3 CeleronD335J LGA775接口的CeleronD335J处理器的价格低廉 是组建PCI E系统的一个不错的选择 该款处理器的主频为2 8GHz 前端总线频率为533MHz 拥有256KB的L2Cache 采用了0 09 m制造工艺的Prescott核心 加入了IntelExecuteDisableBit 硬件防病毒功能 及ThermalMonitor2 防CPU烧死 功能 2 AMD主流CPU 下面将介绍AMD公司生产的Athlon643000 和Sempron2500 1 Athlon643000 Athlon643000 采用Socket939接口 采用Newcastle核心 具备128KB的一级缓存 512KB的二级缓存 内建可以支持双通道DDR内存的内存控制器 此外 该处理器采用0 09 m制造工艺 Athlon643000 的实际运行频率为1800MHz 2 Sempron2500 Sempron2500 采用Palermo核心 0 09 m的制造工艺 Socket754接口 支持800MHzHT总线 单通道DDR 1 4GHz主频 256KB二级缓存 支持CoolandQuiet功能 该款CPU的超频性能强劲 多数Sempron2500 能够在默认电压下超频到2 2GHz以上 2 4CPU选购指南 CPU的频率提高幅度已经远远大于其他设备运行速度的提高 因此现在选购CPU已经不能仅凭频率高低来选择 应该选择一款性价比较高的CPU 2