《中央处理器》课件.ppt

第二章中央处理器 CPU 散热器 2 1CPU的工作原理2 2CPU的历史2 3CPU的外观与构造2 4CPU的主要性能指标 前面介绍了计算机的基础知识 让大家了解的计算机的发展 计算机系统的组成 以及计算机的基本结构 从本章开始我们将学习计算机中常用配件的相关知识 本章主要介绍CPU的基础知识 包括 CPU的工作原理 发展概况 外观构造 主要性能指标以及CPU的散热系统 希望通过本章的学习 大家可以了解CPU及其散热器的各项重要技术参数 了解选购CPU及其散热器时的注意事项 并根据自己的需要选购一款合适的CPU和CPU风扇 2 1CPU工作原理 CPU的概述CPU的英文全称是Centralprocessingunit 即中央处理器 也称微处理器 是整个系统的核心 也是整个系统最高的执行单位 它负责整个系统指令的执行 数学与逻辑运算 数据存储 传送以及输入输出的控制 如果把计算机比做一个人 那么CPU就是他的大脑 决定着整个计算机系统的类型 性能 速度和整体性能 人们平时所说的286 386 486 586 Pentium等都是指CPU 2 CPU的结构目前 市场上的CPU种类很多 但是不管什么样的CPU 都是由控制器和运算器组成 其内部结构归纳起来可以分为控制单元 逻辑单元和存储单元3个部分 从图中可以看出 CPU芯片是经由系统总线与微机系统其他部分的相连接的 其实 CPU是由一个算术运算和逻辑运算部件 ALU 以及一个控制部件CU组成 简化的CPU逻辑图 若欲对CPU的的体系结构进行进一步的了解 需对CPU的体系结构再进一步进行剖析 下图所展示的就是一个较详细的CPU逻辑框图 3 CPU的工作原理CPU工作原理就像一个工厂的产品加工过程 进入工厂的原料 指令和数据 经过物资分配部门 控制单元 的调度分配 被送往生产线 逻辑运算单元 生产出成品 处理后的数据 再存储在仓库 存储单元 中 最后等着拿到市场上去卖 交给应用程序使用 在这个过程中 从控制单元CPU就开始了正式的工作 中间的过程是通过逻辑运算单元进行运算处理 交到存储单元后就代表一次 一条指令的执行 工作的结束 2 2CPU的历史 CPU发展至今已经有几十年的历史了 在这期间 按照其处理信息的字长 CPU可以分为4位微处理器 8位微处理器 16位微处理器 32位微处理器以及64位微处理器等等 在风起云涌的IT业界 在CPU的发展过程中 Intel公司一直起着举足轻重的作用 我们将以它的产品为重点来作介绍 2 2 1最早的微处理器 4004 1971年Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004 这是第一个用于个人计算机的4位微处理器 它包含2300个晶体管 由于性能很差 市场反应冷淡 4004处理器 在4004之后 Intel公司又研制出了8080处理器和8085处理器 加上当时美国Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器 一起组成了8位微处理器家族 8080处理器 2 2 216位字长的微处理器 8086 8088和80286 16位微处理器的典型产品是Intel公司的8086微处理器 以及同时生产出的数学协处理器 即8087 由于这些指令应用于8086和8087 因此被人们统称为X86指令集 此后Intel推出的新一代CPU产品均兼容原来的X86指令集 8086处理器 1979年Intel公司推出了8086的简化版 8088芯片 它仍是16位微处理器 内含29000个晶体管 时钟频率为4 77MHz 地址总线为20位 可以使用1MB内存 8088的内部数据总线是16位 外部数据总线是8位 1981年 8088芯片被首次用于IBMPC机中 开创了个人电脑的新时代 如果说8080处理器还不为大多数人所熟知的话 那么8088则可以说是家喻户晓了 PC机的第一代CPU便是由它开始的 8088处理器 1982年推出的Intel80286虽然是16位芯片 但是其内部已包含了13 4万个晶体管 时钟频率也达到了前所未有的20MHz 其内 外部数据总线均为16位 地址总线为24位 可以使用16MB内存 工作方式包括实模式和保护模式两种 80286处理器 2 2 332位处理器的先驱 80386 80486 32位微处理器的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386 这是一种全32位微处理器芯片 也是X86家族中第一款32位芯片 其内部包含了27 5万个晶体管 时钟频率为12 5MHz 后逐步提高到33MHz 80386的内部和外部数据总线都是32位 地址总线也是32位 可以寻址到4GB内存 它除了具有实模式和保护模式外 还增加了一种虚拟386的工作方式 可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力 80386处理器 1989年80486处理器面市 它集成了125万个晶体管 时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz 40MHz和50MHz 80486内含80386和数学协处理器80387 以及一个8KB的高速缓存 并在X86系列中首次使用了RISC 精简指令集 技术 可以在一个时钟周期内执行多条指令 它还采用了突发总线方式 大大提高了与内存的数据交换速度 由于这些改进 80486的性能比带有80387数学协处理器的80386提高了4倍 80486处理器 2 2 4IntelPentium 586 AMDK6 Cyrix6X86 IDTC6 Intel公司于1993年又推出了80586 其为32位微处理器 正式名称为Pentium Pentium含有310万个晶体管 时钟频率最初为60MHz和66MHz 后提高到200MHz 66MHz的Pentium微处理器的性能比33MHz的80486DX提高了3倍多 而100MHz的Pentium则比33MHz的80486DX快6 8倍 Pentium PentiumMMX PentiumPRO K6CPU Cyrix6X86 IDTC6 2 2 5IntelPentium IntelCeleron AMDK6 2 CyrixM 1997年 Intel公司又推出与以往架构不同的即Slot结构的Pentium CPU Pentium K6 2CPU IntelSocket370CeleronCPU M CPU 2 2 6IntelPentium AMDK7 Pentium 处理器是Intel公司于1999年2月推出的新一代产品 它继续采用Slot1架构 它采用了0 25 m制造工艺 使用的是Katmai内核 新的SECC2插口 Pentium 拥有32KB一级缓存和512KB二级缓存 运行在芯片核心速度的一半下 包含MMX指令和Intel自己的 3D 指令SSE 因特网数据流单指令扩展 最初推出的Pentium 有450MHz和500MHz两种规格 其系统总线频率为100MHz 小结 IntelCPU系列产品的发展史 2 2 7AMD 超微 公司的CPU AMDCPU系列产品的发展史 AMD486 AMDK5 AMDK6 AMDK6 2 AMDK6 3 AMDAthlon64 AMDDuron AthlonXP AMDBarton 2 2 8VIA 威盛 公司的CPU VIA的CPU是台湾威盛公司收购了美国Cyrix公司的CPU事业部以后生产的 VIA的产品一直与Intel低端产品保持兼容 Cyrix6x86 CyrixMII CyrixIII 本节阅读小结 2 3CPU的外观与构造 2 3 1内核 CPU的中间就是我们平时称作核心芯片或CPU内核的地方 这颗由单晶硅做成的芯片可以说是电脑的大脑了 所有的计算 接受 存储命令 处理数据都是在这指甲盖大小的地方进行的 目前绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式 也就是说平时我们所看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部 它是翻转后封装在陶瓷电路基板上的 这样的好处是能够使CPU内核直接与散热装置接触 这种技术也被使用在当今绝大多数的CPU上 而CPU核心的另一面 也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面要和外界的电路相连接现在的CPU都有以千万计算的晶体管 它们都要连到外面的电路上 而连接的方法则是将每若干个晶体管焊上一根导线连到外电路上 例如Duron核心上面需要焊上3000条导线 而奔腾4的数量为5000条 用于服务器的64位处理器Itanium则达到了7500条 这么小的芯片上要安放这么多的焊点 这些焊点必须非常的小 设计起来也要非常的小心 由于所有的计算都要在很小的芯片上进行 所以CPU内核会散发出大量的热 核心内部温度可以达到上百度 而表面温度也会有数十度 一旦温度过高 就会造成CPU运行不正常甚至烧毁 因此很多电脑书籍或者杂志都会常常强调对CPU散热的重要性 2 3 2基板 CPU基板就是承载CPU内核用的电路板 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 在它上面 有我们经常在电脑主板上见到的电容 电阻 还有决定了CPU时钟频率的电路桥 俗称金手指 在基板的背面或者下沿 还有用于和主板连接的针脚或者卡式接口 比较早期的CPU基板都是采用陶瓷制成的 目前AMD的Duron仍然采用这种材料 而最新的CPU 例如P3 Celeron2 Palomino内核的AthlonXP 都转用了有机物制造 它能提供更好的电气和散热性能 2 3 3填充物 另外 在CPU内核和CPU基板之间 还有一种填充物 这种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 由于它连接着温度有较大差异的两个方面 所以必须保证十分的稳定 它的质量的优劣有时就直接影响着整个CPU的质量 2 3 4封装 作为计算机的重要组成部分 CPU的性能直接影响计算机的整体性能 而CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是CPU的封装技术 采用不同封装技术的CPU 在性能上存在较大差距 只有高品质的封装技术才能生产出完美的CPU产品 所谓 CPU封装技术 是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术 以CPU为例 我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌 而是CPU内核等元件经过封装后的产品 CPU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 由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB 印制电路板 的设计和制造 因此它是至关重要的 封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳 它不仅起着安放 固定 密封 保护芯片和增强导热性 能的作用 而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁 芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上 这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接 因此 对于很多集成电路产品而言 封装技术都是非常关键的一环 目前采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来 能起着密封和提高芯片电热性能的作用 由于现在处理器芯片的内频越来越高 功能越来越强 引脚数越来越多 封装的外形也不断在改变 封装时主要考虑的因素 1 芯片面积与封装面积之比为提高封装效率 尽量接近1 12 引脚要尽量短以减少延迟 引脚间的距离尽量远 以保证互不干扰 提高性能3 基于散热的要求 封装越薄越好 CPU芯片的主要封装技术 主要封装技术有一下几种 DIP技术 QFP技术 PFP技术 PGA技术和BGA技术 DIP技术DIP封装 DualIn linePackage 也叫双列直插式封装技术 指采用双列直插形式封装的集成电路芯片 绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式 其引脚数一般不超过100 DIP封装的CPU芯片有两排引脚 需要插入到具有DIP结构的芯片插座上 当然 也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接 DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心 以免损坏管脚 DIP封装结构形式有 多层陶瓷双列直插式DIP 单层陶瓷双列直插式DIP 引线框架式DIP 含玻璃陶瓷封接式 塑料包封结构式 陶瓷低熔玻璃封装式 等 DIP封装具有以下特点 i 适合在PCB 印刷电路板 上穿孔焊接 操作方便 ii 芯片面积与封装面积之间的比值较大 故体积也较大 最早的4004 8008 8086 8088等CPU都采用了DIP封装 通过其上的两排引脚可插到主板上的插槽或焊接在主板上 2 QFP技术 这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术 PlasticQuadFlatPockage 该技术实现的CPU芯片引脚之间距离很小 管脚很细 一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式 其引脚数一般都在100以上 该技术封装CPU时操作方便 可靠性高 而且其封装外形尺寸较小 寄生参数减小 适合高频应用 该技术主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线 QFP封装的80286 3 PFP技术该技术的英文全称为PlasticFlatPackage 中文含义为塑料扁平组件式封装 用这种技术封装的芯片同样也必须采用SMD技术将芯片与主板焊接起来 采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔 一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊盘 将芯片各脚对准相应的焊盘 即可实现与主板的焊接 用这种方法焊上去的芯片 如果不用专用工具是很难拆卸下来的 该技术与上面的QFP技术基本相似 只是外观的封装形状不同而已 PFP封装的80386 4 PGA技术该技术也叫插针网格阵列封装技术 CeramicPinGridArrauPackage 由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针 每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列 根据管脚数目的多少 可以围成2 5圈 安装时 将芯片插入专门的PGA插座 为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸 从486芯片开始 出现了一种ZIFCPU插座 专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求 该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下 早先的80486和Pentium PentiumPro等CPU均均采用PGA封装形式 BGA技术BGA技术 BallGridArrayPackage 即球栅阵列封装技术 另外 目前较为常见的封装形式有以下几种 OPGA封装mPGA封装 微型PGA封装 目前只有AMD公司的Athlon64和英特尔公司的Xeon 至强 系列CPU等少数产品所采用 而且多是些高端产品 是种先进的封装形式 CPGA封装 也就是常说的陶瓷封装 全称为CeramicPGA 主要在Thunderbird 雷鸟 核心和 Palomino 核心的Athlon处理器上采用 FC PGA封装FC PGA2封装OOI封装PPGA封装S E C C 封装S E C C 2封装S E P 封装PLGA封装CuPGA封装如果对CPU的封装技术有兴趣的同学可以查看 S E E C 2 3 5CPU的接口 目前主流CPU从封装形式来看主要分为两大类 一种是传统针脚式的Socket类型 另一种是插卡式的Slot类型 1 Socket插座PC机从386时代开始普遍使用Socket插座来安装CPU 从Socket4 Socket5 Socket7到现在的Socket370 Socket423 Socket478 SocketA Socket7Socket7是方形多针脚ZIF ZeroInsertForce 零插拨力 插座 有296根针孔 插座上有一根拉杆 在安装和更换CPU时 只要将拉杆向上拉出 就可以轻易地插进或取出CPU芯片 如图所示 图2 16ZIF插座 Socket370Socket370最早是Intel为Celeron处理器设计的接口标准 有370针孔 如图所示 Socket423 Socket478 最早的Pentium4CPU采用Socket423结构 其命名的方式也是跟Socket370一样 插座上有423根针脚 所以直呼其为Socket423 Socket423插座如图2 20所示 不过Socket423比Socket370多出的53根针脚大多只是用来提供电源之用 Socket775 Socket604 2 Slot插槽 Slot1Slot1CPU接口是由Intel公司开发的 它是一个狭长的242引脚的插槽 Slot1CPU插槽接口与以往的CPU接口完全不一样 如图所示 Slot1插槽接口可以支持采用SEC 单边接触 封装技术的Pentium Pentium 和Celeron处理器 SlotAAMDK7 Athlon 阿斯龙 所用的接口为SlotA 从外观上看 SlotA接口与Intel的Slot1完全相同 如图所示 但两者在电气性能上完全不兼容 为K7所设计的芯片组或主板将不能使用Intel的CPU SlotA 2 4CPU的主要性能指标 CPU作为微机系统的核心 往往是各种档次微机的代名词 如P 800等等 CPU的性能大致上也反映了所配置微机的性能 因此它的性能指标十分重要 CPU的主要技术特性和测试数据可以反映出CPU的性能 而了解CPU的主要技术特征和基本测试项目的意义对正确选择和使用CPU将有一定的帮助 在CPU的工作过程中 电压 工艺等都是影响CPU性能的重要因素 那么 哪些因素对CPU的性能影响最大呢 下面简单介绍一些CPU主要的性能指标 2 4 1CPU的位与字长2 4 2主频 外频 倍频系数2 4 3前端总线 FSB 频率2 4 4缓存2 4 5CPU扩展指令集2 4 6CPU内核和I O工作电压2 4 7CPU的工作电压2 4 8制造工艺 CPU的位与字长在计算机技术中 数据和指令都是采用二进制代码 也就是只有 0 和 1 在二进制系统中 每个0或是1就是一个位 bit 位是表示电子信号的最少单位 一个字节 Byte 是由8个位组成的 可代表一个字母 A Z 数字 0 9 或符号等 是数据存储的基本单位 字长表示CPU一次可以处理的二进制位数 它是衡量计算机性能的重要指标 字长越大表示计算机处理数据的能力越强 注意 字节的长度是固定的 而字长的长度是不固定的 2 主频 外频 倍频系数 主频 也叫内频 是CPU内核运行时的时钟频率 即CPU的时钟频率 CPUClockSpeed 用于表示CPU内数字脉冲信号振荡的速度 是CPU内核的实际工作频率 主频越高 在相同的时间里 CPU所能完成的指令数也就越多 其运算速度也就越快 以前的CPU单位是MHz 通常所说的某某CPU是多少兆赫的 而这个多少兆赫就是 CPU的主频 比如说P 400 就是说CPU的主频为400MHz 而现在的CPU主频都很高 一般都是以GHz为单位 比如P43 06GHz指的主频就是3 06GHz CPU的工作频率 主频 包括两部分 外频与倍频 两者的乘积就是主频 主频 外频 倍频 外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率 单位是MHz 兆赫兹 是CPU与主板之间的同步运行的速度 在早期的电脑中 内存与主板之间的同步运行的速度等于外频 在这种方式下 可以理解为CPU外频直接与内存相连通 实现两者间的同步运行状态 对于目前的计算机系统来说 两者完全可以不相同 但是外频的意义仍然存在 计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上 乘以一定的倍数来实现 这个倍数可以是大于1的 也可以是小于1的 倍频的全称为倍频系数 CPU的主频与外频之间存在着一个比值关系 这个比值就是倍频系数 简称倍频 倍频可以从1 5一直到23以至更高 以0 5为一个间隔单位 外频与倍频相乘就是主频 所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升 由于主频并不直接代表运算速度 所以在一定情况下 很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象 因此主频仅仅是CPU性能表现的一个方面 而不代表CPU的整体性能 3 前端总线频率 总线 BUS 是将信息 数据 以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线 通俗的说 就是多个部件间的公共连线 用于在各个部件之间传输信息 人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率 总线的种类很多 前端总线的英文名字是FrontSideBus 通常用FSB表示 是将CPU连接到北桥芯片的总线 计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的 北桥芯片负责联系内存 显卡等数据吞吐量最大的部件 并和南桥芯片连接 CPU就是通过前端总线 FSB 连接到北桥芯片 进而通过北桥芯片和内存 显卡交换数据 前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道 因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大 如果没足够快的前端总线 再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度 数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率 即数据带宽 总线频率 数据位宽 8 目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz 333MHz 400MHz 533MHz 800MHz几种 前端总线频率越大 代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大 更能充分发挥出CPU的功能 现在的CPU技术发展很快 运算速度提高很快 而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU 较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU 这样就限制了CPU性能得发挥 成为系统瓶颈 外频与前端总线频率的区别 前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度 更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度 而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的 也就是说 100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次 它更多的影响了PCI及其他总线的频率 之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆 主要的原因是在以前的很长一段时间里 主要是在Pentium4出现之前和刚出现Pentium4时 前端总线频率与外频是相同的 因此往往直接称前端总线为外频 最终造成这样的误会 随着计算机技术的发展 人们发现前端总线频率需要高于外频 因此采用了QDR QuadDateRate 技术 或者其他类似的技术实现这个目的 这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X 它们使得前端总线的频率成为外频的2倍 4倍甚至更高 从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来 缓存 缓存 Cachememory 是硬盘控制器上的一块内存芯片 具有极快的存取速度 它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器 由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同 缓存在其中起到一个缓冲的作用 缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素 能够大幅度地提高硬盘整体性能 当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据 如果有大缓存 则可以将那些零碎数据暂存在缓存中 减小外系统的负荷 也提高了数据的传输速度 缓存位于CPU与内存之间的临时存储器 它的容量比内存小但交换速度快 在缓存中的数据是内存中的一小部分 但这一小部分是短时间内CPU即将访问的 当CPU调用大量数据时 就可避开内存直接从缓存中调用 从而加快读取速度 由此可见 在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案 这样整个内存储器 缓存 内存 就变成了既有缓存的高速度 又有内存的大容量的存储系统了 缓存对CPU的性能影响很大 主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的 缓存的工作原理是当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 就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理 同时把这个数据所在的数据块调入缓存中 可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行 不必再调用内存 正是这样的读取机制使CPU读取缓存的命中率非常高 大多数CPU可达90 左右 也就是说CPU下一次要读取的数据90 都在缓存中 只有大约10 需要从内存读取 这大大节省了CPU直接读取内存的时间 也使CPU读取数据时基本无需等待 总的来说 CPU读取数据的顺序是先缓存后内存 最早先的CPU缓存是个整体的 而且容量很低 英特尔公司从Pentium时代开始把缓存进行了分类 当时集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求 而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量 因此出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存 此时就把CPU内核集成的缓存称为一级缓存 而外部的称为二级缓存 一级缓存中还分数据缓存 DataCache D Cache 和指令缓存 InstructionCache I Cache 二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令 而且两者可以同时被CPU访问 减少了争用Cache所造成的冲突 提高了处理器效能 英特尔公司在推出Pentium4处理器时 用新增的一种一级追踪缓存替代指令缓存 容量为12K Ops 表示能存储12K条微指令 随着CPU制造工艺的发展 二级缓存也能轻易的集成在CPU内核中 容量也在逐年提升 现在再用集成在CPU内部与否来定义一 二级缓存 已不确切 而且随着二级缓存被集成入CPU内核中 以往二级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变 此时其以相同于主频的速度工作 可以为CPU提供更高的传输速度 一级缓存 按照数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度 CPU缓存可以分为一级缓存 二级缓存 部分高端CPU还具有三级缓存 每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分 这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的 所以其容量也是相对递增的 当CPU要读取一个数据时 首先从一级缓存中查找 如果没有找到再从二级缓存中查找 如果还是没有就从三级缓存或内存中查找 一般来说 每级缓存的命中率大概都在80 左右 也就是说全部数据量的80 都可以在一级缓存中找到 只剩下20 的总数据量才需要从二级缓存 三级缓存或内存中读取 由此可见一级缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分 一级缓存 Level1Cache 简称L1Cache 位于CPU内核的旁边 是与CPU结合最为紧密的CPU缓存 也是历史上最早出现的CPU缓存 由于一级缓存的技术难度和制造成本最高 提高容量所带来的技术难度增加和成本增加非常大 所带来的性能提升却不明显 性价比很低 而且现有的一级缓存的命中率已经很高 所以一级缓存是所有缓存中容量最小的 比二级缓存要小得多 一般来说 一级缓存可以分为一级数据缓存 DataCache D Cache 和一级指令缓存 InstructionCache I Cache 二者分别用来存放数据以及对执行这些数据的指令进行即时解码 而且两者可以同时被CPU访问 减少了争用Cache所造成的冲突 提高了处理器效能 目前大多数CPU的一级数据缓存和一级指令缓存具有相同的容量 例如AMD的AthlonXP就具有64KB的一级数据缓存和64KB的一级指令缓存 其一级缓存就以64KB 64KB来表示 其余的CPU的一级缓存表示方法以此类推 二级缓存 二级缓存是CPU性能表现的关键之一 在CPU核心不变化的情况下 增加二级缓存容量能使性能大幅度提高 而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二级缓存上有差异 由此可见二级缓存对于CPU的重要性 二级缓存的容量则分为128KB 256KB 512KB 1MB 2MB等 一级缓存容量各产品之间相差不大 而二级缓存容量则是提高CPU性能的关键 二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的 容量增大必然导致CPU内部晶体管数的增加 要在有限的CPU面积上集成更大的缓存 对制造工艺的要求也就越高 5 指令集为了提高计算机在多媒体 3D图形方面的处理和应用能力 与CPU处理器相对应的各种处理器指令集应运而生 其中最著名的三种便是Intel公司的MMX SSE和AMD公司3Dnow 指令集 1 MMX指令集MMX MultiMediaExtension 多媒体扩展 指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令扩展技术 2 SSE指令集SSE StreamingSIMDExtensions 单指令多数据流扩展 指令集是Intel在Pentium 处理器中率先推出的 3 3Dnow 指令集由AMD公司提出的3Dnow 指令集应该说是出现在SSE指令集之前 并被AMD广泛应用于其K6 2 K6 3以及Athlon K7 处理器上 3Dnow 指令集其实就是21条机器码的扩展指令集 3DNow 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 CPU内核电压和I O电压 见书 CPU的工作电压 CPU的工作电压 SupplyVoltage 即CPU正常工作所需的电压 任何电器在工作的时候都需要电 自然也有对应额定电压 CPU也不例外 目前CPU的工作电压有一个非常明显的下降趋势 较低的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CPU主频提高的重要因素之一 CPU的工作电压分为两个方面 CPU的核心电压与I O电压 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 通常CPU的核心电压小于等于I O电压 早期CPU 286 486时代 的核心电压与I O一致 通常为5V 由于当时的制造工艺相对落后 以致CPU的发热量过大 导致其寿命缩短 不过那时的CPU集成度很低 而目前的CPU集成度相当高 因此显得现在的CPU发热量更大 随着CPU的制造工艺提高 近年来各种CPU的工作电压有逐步下降的趋势 目前台式机用CPU核电压通常为2V以内 笔记本专用CPU的工作电压相对更低 从而达到大幅减少功耗的目的 以延长电池的使用寿命 并降低了CPU发热量 而且现在的CPU会通过特殊的电压ID VID 引脚来指示主板中嵌入的电压调节器自动设置正确的电压级别 许多面向新款CPU的主板都会提供特殊的跳线或者软件设置 通过这些跳线或软件 可以根据具体需要手动调节CPU的工作电压 很多实验表明在超频的时候适度提高核心电压 可以加强CPU内部信号 对CPU性能的提升会有很大帮助 但这样也会提高CPU的功耗 影响其寿命及发热量 建议一般用户不要进行此方面的操作 制造工艺通常我们所说的CPU的 制作工艺 指得是在生产CPU过程中 要进行加工各种电路和电子元件 制造导线连接各个元器件 通常其生产的精度以微米 长度单位 1微米等于千分之一毫米 来表示 未来有向纳米 1纳米等于千分之一微米 发展的趋势 精度越高 生产工艺越先进 在同样的材料中可以制造更多的电子元件 连接线也越细 提高CPU的集成度 CPU的功耗也越小 制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离 制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展 密度愈高的IC电路设计 意味着在同样大小面积的IC中 可以拥有密度更高 功能更复杂的电路设计 微电子技术的发展与进步 主要是靠工艺技术的不断改进 使得器件的特征尺寸不断缩小 从而集成度不断提高 功耗降低 器件性能得到提高 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纳米一直发展到目前最新的65纳米 而45纳米和30纳米的制造工艺将是下一代CPU的发展目标 提高处理器的制造工艺具有重大的意义 因为更先进的制造工艺会在CPU内部集成更多的晶体管 使处理器实现更多的功能和更高的性能 更先进的制造工艺会使处理器的核心面积进一步减小 也就是说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的CPU产品 直接降低了CPU的产品成本 从而最终会降低CPU的销售价格使广大消费者得利 更先进的制造工艺还会减少处理器的功耗 从而减少其发热量 解决处理器性能提升的障碍 处理器自身的发展历史也充分的说明了这一点 先进的制造工艺使CPU的性能和功能一直增强 而价格则一直下滑 也使得电脑从以前大多数人可望而不可及的奢侈品变成了现在所有人的日常消费品和生活必需品 补充 一 CPU的选购 DIY 也叫攒机簇 DIY DoItYourself 自己动手做 1 看外观 1 原装CPU包装塑料薄膜上边印有半透明的Intel标志 而假货上所印刷的Intel的标志的数量要比正品的标志多得多 2 原装CPU包装塑料薄膜上的Intel字迹清晰可辨