CPU基础知识ppt课件

CPU详解知识 讲师 向怡锋 什么是CPU CPU CentralProcessingUnit 中央处理器 是整个计算机系统中最重要的部件 它由控制器和运算器构成 控制器负责对数据进行算术运算和逻辑运算操作 运算器主要负责对程序所执行的指令进行分析 并协调计算机各部件进行工作 CPU的工作原理 CPU的工作原理就象一个工厂对产品的加工过程 进入工厂的原料 指令 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 后 再存储在仓库 存储器 中 最后等着拿到市场上去卖 交由应用程序使用 CPU性能指标 CPU是整个计算机系统的核心 其性能可以反映出所配置计算机系统的性能 直接影响计算机的运行速度 接下来我们简单介绍一下CPU主要的性能指标 CPU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 即CPU核心类型 不同的CPU 不同系列或同一系列都会有不同的核心类型 同一种核心都会有不同版本类型 例如northwood核心就分为B0和C1等版本 核心类型相应制造工艺 例如0 25um 0 18um 0 13um以及0 09um等 核心面积 决定CPU成本的关键因素 成本与核心面积基本上成正比 核心电压 电流大小 晶体管数量 各级缓存的大小 主频范围 流水线架构和支持的指令集 决定CPU实际性能和工作效率的关键因素 功耗和发热量的大小 封装方式 如 S E P PGA FC PGA FC PGA2等 接口类型 如 Socket370 SocketA Socket478 SockeT slot1 Socket940等 前端总线频率 FSB 等 因此 核心类型决定了CPU的工作性能 CPU核心类型 Intel核心类型Tualatin 图拉丁 核心 采用0 13um制造工艺 封装方式采用FC PGA2和PPGA 核心电压也降低到了1 5v左右 主频范围1GHz 1 4GHz 外频分别100MHz 赛扬 和133MHz PentiumIII Willamette核心 早期P4和C4采用的核心 采用0 18um制造工艺 前端总线为400MHz 主频范围1 3G 2 0G socket423 和1 6G 2 0G socket478 L2分别为256K P4 和128K C 此核心落后 发热量大 被Northwood核心所取代 Northwood核心 它是目前主流P4和赛扬所采用的核心 采用0 13um socket478接口 电压1 5v左右 L2分别有128k 赛扬 和512K P4 前端总线为 400 533 800MHz c只有400 主频 2 0 2 8 c 1 6 2 6 400MHzFSBP4 2 26 3 06 533MHzFSBP4 和2 4 3 4 800MHzFSBP4 并且3 06GP4和所有800MHzP4都支持超线程技术 HT 按INTEL规划 Northwood会很快被prescott核心取代 prescott核心 它是Intel最新的CPU核心 目前只有P4采用 与Northwood区别是采用了0 09um制造工艺 核心电压1 25 1 525V 前端为533 不支持HT 和800MHz 支持HT 主频分别 533FSB的2 4G和2 8G以及800MHzFSB的2 8G 3 0G 3 2G 3 4G 与Northwood相比 其一级数据缓存从8K加到16k 二级从512k加到1MB 采用PPGA封装 Prescott2M核心 是intel在台式机上使用的核心 与Prescott不同 Prescott2M支持EM64T技术 也就是说可以用超过4G内存 属于64位CPU 这是INTEL第一款使用64位技术的台式CPU prescott2M核心使用90nm 集成2M二级缓存 800 1066MHzFSB 目前P4的6系列和P4EE的CPU使用此核心 此处理器在低负载的时候降低工作频率 这样可以明显降低热量及功耗 CPU核心类型 AMD核心类型1 AthlonXP核心 Palomino Thoroughbred Thorton Barton2 新Duron核心 AppleBred Athlon64核心 Sledgehammer Clawhammer Newcastle Wincheste Troy Venice sanDiego paris palermo CPU核心类型 双核心类型双核处理器就基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心 即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中 事实上 双核架构并不是什么新技术 不过此前双核心处理吕一直是服务器的专利 现在已经开始普及到PC和笔记本电脑 INTEL双核心处理器目前INTEL双核心有PD PentiumExtremeEdition 同时推出945 955芯片级来技术新推出的双核心处理器 采用90nm工艺 这两款双核心处理器使用是没有针脚的LGA775接口 但处理底部的贴片电容数目肯所增加 排列方式也有所不同 INTEL的双核心构架更像一个双CPU平台 PD内核实际上由于两个独立的Prescott核心组成 每个核心拥有独立的1MBL2及执行单元 两个核心加起来一共拥有2MB 但由于处理器的两个核心都拥有独立的缓存 因此必须保证每个L2当中的信息完全一致 否则就会出现运算错误 PD和PEE两款名字上差别也预示着规格上也不尽相同 最大不同就是对于HT支持 PD不能支持HT 而PEE则没有这方面限制 在打开HT情况下 PEE处理器能够模拟出另处两个逻辑处理器 可以被系统认成四核心系统 ADM双核心处理器AMD推出的双核心分别是双核心的Opteron系列和全新Athlon64X2系列 64X2是用以抗衡PD和PEE桌面双核心 两个采用的是Venice核心组合而成 每个核心拥有独立的512KB 1MB L2执行单元 除了多出一个核心这外从架构上相对于目前Athlon64在架构上并没有任何重大的改变 64X2仍然支持HyperTransport总线 并且内建了支持双通道的DDR内在控制器 位和字长 位 在数字电路和电脑技术中采用二进制 代码只有 0 和 1 其中无论是 0 或是 1 在CPU中都是一 位 字长 对CPU在单位时间内 同一时间 能一次处理的二进制数的位数叫字长 字长通常是指其数据总线宽度 也就是我们所说的多少位处理器 是CPU数据处理能力的重要指标 反映了处理器能够处理的数据宽度 数度和速度等 现在的处理器内部数据线为32位 而外部数据线为64位 我们仍称它为32位处理器 它只是以64位方式与内存交换数据 而AMD最新推出的Athlon64 它的内部总线为64位 是真正意义上的64位处理器 主频 主频 ClockSpeed 也叫时钟频率 表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度 也就是CPU运算时的工作频率 其单位是MHz 一般说来 主频越高 CPU的速度就越快 整机的就越高 外频 外频是系统总线的始终频率 简称总线频率 也就是CPU与主板之间同步运行的速度 其单位是MHz 外频主要由主板决定 外频越高 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 倍频 倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数 三者是有十分密切的关系的 主频 外频 倍频 缓存 缓存又称为高速缓存 是指可以进行高速数据交换的存储器 CPU的缓存分为一级缓存 L1Cache 和二级缓存 L2Cache 早期的CPU内部只集成了L1Cache 而把L2Cache放置在主板上 现在已经成功集成在CPU内部并以CPU相同速度的频率工作 称为全速二级高速缓存 前端总线频率 前端总线频率 即总线频率 是直接影响CPU与内存直接数据交换速度 由于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x数据带宽 8 外频与前端总线频率的区别 前端总线的速度指的是数据传输的速度 外频是CPU与主板之间同步运行的速度 也就是说 100MHz外频特指民数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次 而100MHZ前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHZX64bit byte 800MB s 内存总线速度 内存总线速度 Memory BusSpeed 也就是系统总线速度 是CPU二级高速缓存和内存之间的通信速度 主要用于协调内存和CPU之间运行速度的差异 扩展总线 扩展总线 Expansion Bus 就是指安装在计算机系统上的局部总线 如ISA或PCI总线 我们打开电脑的时候会看见一些插槽般的东西 这些就是扩展槽 而扩展总线就是CPU联系这些外部设备的桥梁 协处理器 协处理器也叫数学协处理器 主要负责浮点运算 自从486以后 CPU一般都内置了协处理器 协处理器的功能也不再局限于增强浮点运算 含有内置协处理器的CPU 可以加快特定类型的数值计算 超线程技术 HT 超线程 HyperThreading 技术是Intel开发出来的应用在Pentium4处理器上的技术 它允许在单个Pentium4处理器上同时执行2个线程 或软件程序的一部分 支持超线技术的操作系统 如WindowsXPprofessional 可将一个物理Pentium4处理器看作两个虚拟处理器 通过利用其他闲置资源 在多任务环境中 含超线程技术的Pentium4处理器可使现有软件实现明显的性能提升 无需修改代码 地址总线宽度 地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间 简单地说就是CPU到底能够使用多大容量的内存 386以上的微机系统 地址线的宽度为32位 最多可以直接访问4096MB 4GB 的物理空间 数据总线宽度 数据总线负责整个系统的数据流量的大小 而数据总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存 内存以及输入 输出设备之间一次数据传输的信息量 工作电压 工作电压 SupplyVoltage 指的也就是CPU正常工作所需的电压 早期的CPU 286 486时代 制造工艺相对落后 工作电压一般为5V 导致CPU的发热量太大 弄得寿命减短 随着CPU的制造工艺与主频的提高 现在CPU的工作电压逐步下降 一般为1 5V 2 0V 解决了发热过高的问题 延长了CPU使用寿命 动态处理 动态处理是应用在高能奔腾处理器中的新技术 创造性地把三项专为提高处理器对数据的操作效率而设计的技术融合在一起 这三项技术是多路分流预测 数据流量分析和猜测执行 动态处理并不是简单执行一串指令 而是通过操作数据来提高处理器的工作效率 流水线 流水线 pipeline 的工作方式就象工业生产上的装配流水线 在CPU中由5 6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线 然后将一条X86指令分成5 6步后再由这些电路单元分别执行 这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令 因此提高了CPU的运算速度 超标量 超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令 这在486或者以前的CPU上是很难想象的 只有奔腾级以上CPU才具有这种超标量结构 这是因为现代的CPU越来越多的采用了RISC技术 所以才会有超标量的CPU MMX指令集 MMX MultiMediaeXtension 多媒体扩展指令集 是Intel公司在1996年推出的多媒体指令增强技术 增加57条MMX指令 它允许CPU同时对2 4甚至8个数据进行并行处理 在处理多媒体的能力上提高了很多 3DNow 指令集 3DNow 是第一种3D加速指令集 由AMD公司开发 它一个时钟周期内可同时处理4个浮点运算指令或两条MMX指令 其在3D处理能力方面 3DNow 的威力强大 SSE指令集 SSE StreamingSIMDExtensions 单指令多数据流扩展指令集 是Intel公司在PentiumIII处理器中率先推出的 它总计包括70条指令 50条SIMD 单指令多数据 浮点指令 主要用于3D处理 12条新MMX指令 和旧的MMX指令一起加速系统整数运算速度 8条系统内存数据流传输优化指令 从软件实际运行效果来看SSE比3DNow 更胜一筹 制造工艺 制造工艺虽然不会直接影响CPU的性能 但它可以可以极大地影响CPU的集成度和工作频率 制造工艺越精细 CPU可以达到的频率越高 集成的晶体管就可以更多 从早期的0 5微米到现在的0 35微米 0 25微米 0 18微米 0 13微米甚至更小 CPU发展历程 CPU的发展非常迅速 就像列不断在加速的列车一样 个人电脑从8088 XT 发展到现在的Pentium4时代 只经过了不到二十年的时间 从生产技术来说 最初的8088集成了29000个晶体管 而Pentium 的集成度超过了2810万个晶体管 CPU的运行速度 以MIPS 百万个指令每秒 为单位 8088是0 75MIPS 到高能奔腾时已超过了1000MIPS 常见的CPU主流品牌 英特尔 INTEL 超微 AMD 英特尔 Intel CPU Pentium 奔腾 Pentium 奔腾 是Intel公司于1993年推出的新一代微处理器 集成16KB的L1高速缓存 L2高速缓存则做在主板上 接着Intel推出使用MMX技术的PentiumMMX 多能奔腾 和PentiumPro 高能奔腾 英特尔 Intel CPU Pentium 奔腾 正面 Pentium 奔腾 背面 英特尔 Intel CPU PentiumMMX 多能奔腾 正面 PentiumMMX 多能奔腾 背面 英特尔 Intel CPU PentiumII 奔腾2 PentiumII与以往的Pentium处理器使用了不同的封装方式 它将处理器放到了盒中 采用SLOT1模式的插座 英特尔 Intel CPU PentiumII 奔腾2 正面 PentiumII 奔腾2 侧面 英特尔 Intel CPU PentiumIII 奔腾3 PentiumIII有两种规格 一种采用了与PentiumII相同的SLOT1规格 另一种采用Socket370规格 CPU内部集成了64K的一级缓存 512K的二级缓存仍然安装在SLOT1的卡盒内 英特尔 Intel CPU PentiumIII 奔腾3 Slot1 PentiumIII 奔腾3 Socket370 英特尔 Intel CPU Pentium4 奔腾4 2001年11月20日Intel推出了Pentium4处理器 在Pentium4中Intel使用了全新的x86体系结构 在指令集上也做了很大的改进 增加了新的SSE2特殊指令集 内部集成8KB一级高速执行缓存 256KB二级高速缓存 英特尔 Intel CPU Pentium4 奔腾4 正面 Pentium4 奔腾4 背面 英特尔 Intel CPU Pentium4 奔腾4 正面 Pentium4 奔腾4 背面 英特尔 Intel CPU Celeron 塞扬 塞扬属于Pentium的低价位版本 最开始的时候它是将PentiumII处理器的二级Cache去掉 并简化了封装形式 以后它也包含了128K二级缓存 英特尔 Intel CPU Celeron 塞扬 早期产品 Celeron 塞扬 后期产品 超微 AMD CPU AMDK6 2 AMDK6 2是AMD 超微 公司推出的与PentiumII抗衡 面向低端市场的处理器 率先支持 3Dnow 指令集 它大大加强