第2章-xg计算机组装与维护ppt课件.ppt

1 第2章中央处理器 CPU CPU又称为中央处理器 是一块超大规模的集成电路 它处于计算机的 大脑 中枢地位 负责整个系统的指令执行 运算 以及输入 输出系统的控制等工作 CPU与内部存储器和输入 输出设备合成为计算机的三大核心部件 在整个计算机的运作过程中 起着非常重要的作用 2 本章学习要点 CPU的发展历程CPU的分类CPU的功能CPU的组成结构CPU的性能参数多核CPU计算CPU选购指南 3 2 1CPU的发展历程 作为电脑之 芯 的CPU从世界上第一款处理的诞生到现在 一直以惊人的速度在不断发展着 而每一款CPU的出现 则会带动计算机其他部件的相应发展 例如带动存储器存取容量的增大 存取速度的提高 以及外围设备的不断改进等 下面 将以CUP发展的不同阶段为主导思路 简单介绍CUP的发展过程 便于大家更好地了解和认识CPU 2 1 1X86时代 X86时代是Intel公司X86系列的CPU产品 包括典型的Intel4004 Intel8008 Intel8088 Intel80486等产品 1 Inter4004 8008阶段 第一代cpu 1971年 4004是4位结构 2300个晶体管 频率为108KHz 每秒执行6万条指令 2 Inter8086 8088阶段 1978年推出8086为16位cpu结构 主频为4 77MHz 29000个晶体管 但价格高 1年后intel推出了简化版的80883 Inter80386 80486阶段 首款32位cpu 27 5万个晶体管 频率为12 5MHz 后提高到了20MHz 25MHz 33MHz 1989年 推出80486 达到120万个晶体管 主频由25MHz提高到33MHz 50MHz 4 2 1 2奔腾时代 奔腾时代是Inter公司在X86系列产品的基础上 所推出的新一代高性能的处理器 属于CPU的第5代产品 包括PentiumMMX Pentium4等产品 1 PentiumMMX 1993年intel推出Pentium 奔腾 处理器 晶体管达到310万个 时钟频率为60MHz 66MHz 200MHz 1996年 推出PentiumMMX 多能奔腾 在奔腾cpu中加入了MMX指令 提高了处理音像 图形和通信的那个里 2 Pentium 1997年推出奔腾II时 常用了solt1的接口标准 一种板卡式的外形设计 1999年推出奔腾III 加入了70个新指令 首次使用0 25微米技术 晶体管达到950万颗 并大幅提升3D 音乐 语音辨别等应用性能 5 2 1 2奔腾时代 3 Pentium4 2000年intel发布了第四代Pentium级cpu 集成了4200万颗晶体管 采用0 18微米制造 时钟频率达到1 5GHz 两个版本 willamette和Northwood 其中的Northwood为中高端产品 4 PentiumD 2005年intel发布了PentiumD双核处理器 包括D830和D840 采用prescott内核 另外一个公司为AMD 也发布了Athlon64X2的双核处理器 如 Athlon64X24200 Athlon64X24400 Athlon64X24600 6 2 1 3酷睿时代 酷睿CPU时代也称为CPU中的第6代产品 使用了一款领先节能的新型微架构 而早期的酷睿主要用于笔记本处理器 典型的产品包括Core2 Corei5 Corei3等 1 酷睿一代 2006年intel公司推出基于core微架构的core2 有服务器 桌面 移动三个版本 最大改进 采用共享式二级缓存设计 两个核心可以共享4MB的二级缓存 之后 又推出LGA1366接口 45纳米的四核酷睿i7处理器 并内建8 12MB的三级缓存 2 酷睿二代 2010年6月intel发布第二代的corei3 i5 i7 采用sandybridge架构 具有功耗低 性能强 并内置了高性能显示芯片 对于第二代core来说一个较大的特点是可以应用在苹果的笔记本和台式机中 从而让苹果电脑价格大众化 7 2 1 3酷睿时代 3 酷睿三代 2012年 intel公司推出了ivybridge IVB 处理器 使用22纳米和3D晶体管技术 使显卡性能提升1倍 另外加入usb3 0控制器 可以提供4个usb3 0通道 4 酷睿四代 2013年 intel公司推出了第四代的haswell 延续了酷睿三代技术 但封装技术有LGA1155改为LGA1150 特点是可以同时执行加法和乘法运算 可以提高浮点计算速度和数字精确度 8 2 2CPU的组成结构 CPU为一块超大规模的集成电路 是计算机的运算核心和控制核心 主要包括运算器和控制器两大部件 此外 还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据 控制及状态的总线 9 2 2 1运算器 运算器 arithmeticunit 的功能是执行定点或浮点算术和逻辑运算操作 包括四则运算 加 减 乘 除 逻辑操作 与 或 非 异或等操作 以及移位 比较和传送等操作 因此也称算术逻辑部件 ALU 1 运算器的结构 由算术逻辑部件 通用寄存器组和状态寄存器组成 算术逻辑部件 运算器的核心 一种功能强劲的组合逻辑电路 对二进制信息进行算术运算 逻辑运算和位移操作 通用寄存器组 用于保存参加运算的操作数和运算结果 寄存器中的累加器具有快速数据存取的功能 另外通用寄存器也具有专用寄存器的功能 用于存储计算机操作数的地址 状态寄存器 又称为条件码寄存器 用来记录算术 逻辑或测试操作的结果状态 通常用作条件转移指令的判断条件 包括 零标志位 Z 负标志位 N 溢出标志位 V 和进位或借位标志 C 10 2 2 1运算器 2 运算器的数据 运算器处理的对象是数据 数据的长度和数据的表示方法 决定了运算器的性能 数据的长度有 16 32 64位 数据的表示为二进制 十进制 十六进制 定点整数 定点小数 浮点数 3 运算器的性能指标 由机器字长和运算速度来决定 机器字长 参与运算的数据的基本位数 标志着计算精度 并决定了寄存器 运算器和数据总线的位数 字长从4位 8位 16位 32位 64位不等 运算速度 是计算机的主要指标 两种计算方法 有平均速度和加权平均法 平均速度 单位时间内平均执行指令条数 加权平均法 每种指令执行时间以及该指令占全部操作的百分比 11 2 2 2寄存器 寄存器 Register 又称为 架构寄存器 是一种存储容量有限的高速存储部件 能够用于暂存指令 数据和地址信息 它是内存阶层中的最顶端 亦是系统获得操作资料的最快速途径 1 寄存器的容量 寄存器通常由自身保存的位元数量来估量 如通常的 8位元寄存器 32位元寄存器 等 2 寄存器的分类 通用寄存器 专用寄存器 控制寄存器 3 寄存器的特点 数量少 多种存储数据 具有独特的名字 12 2 2 3控制器 控制器 controller 负责决定执行程序的顺序 给出执行指令时计算机各部件所需要的操作控制命令 是向计算机发布命令的神经中枢 一般由指令寄存器IR InstructionRegister 程序计数器PC ProgramCounter 和操作控制器0C OperationController 三个部件组成 1 指令存储器 用于保存当前执行的或即将执行的指令的寄存器 2 程序计数器 指令计算器 是指明程序中下一次需要执行的指令地址的一种计数器 3 操作控制器 根据指令操作码和时序信息 产生各种操作控制信号 以建立数据通路 用来控制各种取指令和执行指令 13 2 2 4总线 总线 Bus 是指将数据从一个或多个源部件传送到其它部件的一组传输线 是计算机内部信息的传输通道 用来连接各个功能部件 1 总线的特性 物理特性 引脚数 排列顺序 功能特性 地址总线 控制总线 数据总线 电气特性 信号的方向 信号的电平 时间特性 信号线上信号的有效时段 2 总线的分类 数据总线 DataBus 用于传送数据 ISA EISA VESA PCI 地址总线 AddressBus 用于传送地址 控制总线 ContolBus 用来传输控制信号和时序信号3 总线的技术指标 带宽 位宽 工作频率 带宽 单位时间总线上传输的数据量 位宽 总线能同时传递二进制数据的位数 工作频率 单位MHz 频率越高 工作速度就越快 14 2 3CPU的工作原理 了解了CPU的发展历程之后 还需要先了解一下CPU的工作过程 以及CPU的指令集和主要功能以方便大家根据组装计算机的要求 选择合适的CPU 15 16 2 3 1CPU的工作过程 计算机的所有操作都受CPU控制 它直接从存储器或高速缓冲存储器中获取指令 放入指令寄存器并对指令进行译码 一般情况下 CPU的工作过程可分为提取 解码 执行和写回 1 提取 从存储器或缓存中获取指令2 解码 用指令集中的指令确认获取指令中有用的部分3 执行 对指令进行计算或者处理4 写回 对执行的结果写入cpu内部暂存器中 17 2 3 2CPU指令集 CPU依靠其内部存储的指令集 来指导和优化程序 以及计算和控制系统 CPU指令集是提高微处理器效率的有效工具之一 也是判断CPU好坏的重要指标 根据目前主流系统结构来划分 指令集可分为复杂和精简指令集2部分 如果从具体运用来划分 那么上述所阐述的Intel公司和AMD公司所使用的指令集则属于CPU的扩展指令集 它们分别增强了CPU的多媒体 图形图像和CPU的处理能力 1 复杂指令集 CISC 各条指令和指令中的各个操作都是按照顺序串行来执行的 特点 控制简单 速度慢 利用率低 2 精简指令集 RISC 精简了指令系统 采用 超标量和超流水线结构 增加cup并行处理能力 特点 格式统一 种类偏少 速度快 性能高 多用于服务器 3 精简并行指令集 EPIC 86位服务器的处理器上用 特点 数据处理能力强 系统稳定性高 系统安全性高 系统可用性好 18 2 3 3CPU的主要功能 CPU具有处理指令 执行操作 控制时间和处理数据等强大的功能 其具体功能如下所述 1 处理指令 指令执行的顺序2 执行操作 产生操作信号3 控制时间 控制操作的时间4 处理数据 算术或逻辑运算 2 4CPU的性能参数 CPU作为计算机的重要组成部件 拥有多种性能指标 根据这些性能指标 不仅可以对不同CPU进行评价及比较 还可为选购CPU提供参考数据 在本小节中 将详细介绍CPU中最常用的几种性能参数 工作频率缓存核数 19 20 2 4 1工作频率 CPU的工作频率包括主频 外频 倍频和前端总线频率等一些性能参数 通过查看和分析CPU的工作频率参数 可以初步判断CPU的工作性能 1 主频 cpu的时钟频率 cpu运算和处理数据的速度 单位MHz或GHz 通常主频越高 运算速度越快 主频 外频 倍频 2 外频 cpu与主板工作的速度 也是主板与其它设备工作的速度 外频的速度决定计算机整体运行的速度 3 前端总线频率 FSB 是cpu和内存之间交换数据的工作频率 4 倍频 cpu时钟频率和外频之间的倍数 主频 外频 倍频 21 2 4 2CPU缓存 缓存的大小也是CPU的重要指标之一 其结构和大小严重影响了CPU的工作效率 而CPU缓存是位于CPU和内存之间的一个称为Cache的存储区 主要用于解决CPU运算速度和内存读写速度不匹配的矛盾 目前 CPU的缓存主要有一级缓存 L1Cache 二级缓存 L2Cache 和三级缓存 L3Cache 下面将对其分别进行介绍 1 一级缓存 L1Cache 封装于Cpu内部 容量小 工作频率和cpu相同 分为数据缓存和指令缓存两种 2 二级缓存 L2Cache 分为内部和外部两种 外部工作频率是内部的一半 二级位于一级和内存之间 对软件运行速度有很大影响 大小4MB为最 3 三级缓存 L3Cache 预读内存5 的数据 提升工作效率 多用于服务器内存 22 2 4 3多核CPU 多核CPU技术的出现 是应用需求驱动技术变革的又一成功案例 并最终成为一种广泛普及的CPU性能提升模式 1 多核CPU概述 一块cpu上存在多个核心 如双核 四核 八核等 2 双核CPU 两个cpu封装在一起的设计 3 Inter四核 四个cpu封装在一起的设计 intel四核AMD四核 2 5CPU选购指南 在选购电脑时 不管是品牌台式机 DIY计算机还是笔记本电脑 其CPU的性能参数是决定电脑购买的前提条件 一般情况下 用户往往根据电脑的具体使用情况 来选购CPU 但 也有一部分用户只顾及电脑的总价 而忽视CPU的重要性能 导致所购买的电脑不尽人意 那么 该如何挑选一款适合自己的CPU 是很多用户在购买计算机时尝尝思考的问题 在本小节中 将详细介绍选购CPU的一些注意事项 及不同类型电脑所需配备的CPU和一些主流CPU的详细性能 23 24 2 5 1选购CPU型号 户在购买品牌台式机或DIY台式机时 首选参考参数便是CPU的性能参数 目前市场中CPU的选择范围比较大 最热门的CPU分别是Intel酷睿i5 Intel酷睿i3 Intel酷睿i7 以及AMD系列等 用户在购买CPU时 不要盲目的追求主频 首先需要先确定计算机的实际用途 是为家庭常用 学生使用