第2章-xg计算机组装与维护ppt课件

1、1第第2章章 中央处理器中央处理器-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32.1 CPU的发展历程的发展历程 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

2、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。2.1.1 X86时代时代 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。1Inter4004/8008阶段阶段：第一代：第一代cpu，1971年，年，4004是是4位结构，位结构，2300个晶体管，个晶体管，频率为频率为108KHz，每秒执行，每秒执行6万条指令。万条指令。2Inter8086/8088阶段阶段：197

3、8年推出年推出8086为为16位位cpu结构，主频为结构，主频为4.77MHz，29000个晶体管，但价格高，个晶体管，但价格高，1年后年后intel推出了简化版的推出了简化版的80883Inter80386/80486阶段阶段：首款：首款32位位cpu，27.5万个晶体管，频率为万个晶体管，频率为12.5MHz，后，后提高到了提高到了20MHz，25MHz，33MHz。1989年，推出年，推出80486，达到，达到120万个晶体管，主万个晶体管，主频由频由25MHz提高到提高到33MHz，50MHz.42.1.2 奔腾时代奔腾时代 奔腾时代是Inter公司在X86系列产品的基础上，所推出的新

4、一代高性能的处理器，属于CPU的第5代产品，包括Pentium MMX、Pentium 4等产品。1Pentium MMX：1993年年intel推出推出Pentium（奔腾）处理器（奔腾）处理器，晶体管达到，晶体管达到310万个，时钟频率为万个，时钟频率为60MHz，66MHz，200MHz。1996年，推出年，推出Pentium MMX（多能奔腾），在奔腾（多能奔腾），在奔腾cpu中中加入了加入了MMX指令，提高了处理音像、图形和通信的那个里。指令，提高了处理音像、图形和通信的那个里。2Pentium /：1997年推出奔腾年推出奔腾II时，常用了时，常用了solt 1的接口的接口标准（一

5、种板卡式的外形设计）。标准（一种板卡式的外形设计）。1999年推出奔腾年推出奔腾III，加入了，加入了70个新指令，首次使用个新指令，首次使用0.25微米技术，晶体管达到微米技术，晶体管达到950万颗。万颗。并大幅提升并大幅提升3D，音乐、语音辨别等应用性能。，音乐、语音辨别等应用性能。52.1.2 奔腾时代奔腾时代3Pentium 4：2000年年intel发布了第四代发布了第四代Pentium级级cpu，集，集成了成了4200万颗晶体管，采用万颗晶体管，采用0.18微米制造，时钟频率达到微米制造，时钟频率达到1.5GHz，两个版本：，两个版本：willamette 和和Northwood，

6、其中的，其中的Northwood为中高端产品。为中高端产品。4Pentium D：2005年年intel发布了发布了Pentium D双核处理器，双核处理器，包括包括D830和和D840，采用，采用prescott内核。内核。另外一个公司为AMD，也发布了Athlon 64 X2的双核处理器，如： Athlon 64 X2 4200+， Athlon 64 X2 4400+， Athlon 64 X2 4600+62.1.3 酷睿时代酷睿时代 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Core 2、Core i5、

7、Core i3等。1酷睿一代酷睿一代：2006年年intel公司推出基于公司推出基于core微架构的微架构的core 2，有服务器、桌面、移动三个版本。最大改进：，有服务器、桌面、移动三个版本。最大改进：采用共享式采用共享式二级缓存设计二级缓存设计，两个核心可以共享，两个核心可以共享4MB的二级缓存。的二级缓存。之后，又推出之后，又推出LGA1366接口，接口，45纳米的纳米的四核四核酷睿酷睿i7处理器，处理器，并内建并内建8-12MB的三级缓存。的三级缓存。2酷睿二代酷睿二代：2010年年6月月intel发布第二代的发布第二代的core i3 /i5/i7,采采用用sandy bridge架

8、构。具有功耗低，性能强，并内置了高性架构。具有功耗低，性能强，并内置了高性能显示芯片。对于第二代能显示芯片。对于第二代core来说一个较大的特点是可以应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。72.1.3 酷睿时代酷睿时代3酷睿三代酷睿三代：2012年，年，intel公司推出了公司推出了ivy bridge（IVB）处理器，使用处理器，使用22纳米和纳米和3D晶体管技术，使显卡性能提升晶体管技术，使显卡性能提升1倍，倍，另外加入另外加入usb 3.0控制器，可以提供控制器，可以提供4个个usb 3.0通

9、道。通道。4酷睿四代酷睿四代：2013年，年，intel公司推出了第四代的公司推出了第四代的haswell，延续了酷睿三代技术，但封装技术有延续了酷睿三代技术，但封装技术有LGA1155改为改为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，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。速度和数字精确度。82.2 CPU的组成结构的组成结构 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92.2.1 运算器运算器 运算器（a

10、rithmetic unit）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运算器的结构运算器的结构：由：由算术逻辑部件算术逻辑部件、通用寄存通用寄存器组器组和和状态寄存器状态寄存器组成。组成。算术逻辑部件算术逻辑部件：运算器的核心，一种功能强劲的组合逻辑电路，对：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。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：用于

11、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。存器的功能，用于存储计算机操作数的地址。状态寄存器状态寄存器：又称为条件码寄存器，用来记录算术、逻辑或测试操：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（位（Z）、负标志位（）、负标志位（N），溢出标志位（），溢出标志位（V）和进位或借位标志（）和进位或借位标志（C）。）。102.

12、2.1 运算器运算器2运算器的数据运算器的数据：运算器处理的对象是数据，：运算器处理的对象是数据，数据的长度数据的长度和和数据数据的表示方法的表示方法，决定了运算器的性能。数据的长度有：，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。数、浮点数。3运算器的性能指标运算器的性能指标：由：由机器字长机器字长和和运算速度运算速度来决定。来决定。 机器字长机器字长：参与运算的数据的基本位数，标志着计算精度，并决：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

13、算器和数据总线的位数。字长从定了寄存器、运算器和数据总线的位数。字长从4位、位、8位、位、16位、位、32位、位、64位不等。位不等。运算速度运算速度：是计算机的主要指标。两种计算方法：有平均速度和加：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。：每种指令执行时间以及该指令占全部操作的百分比。112.2.2 寄存器寄存器 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

14、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的容量：寄存器通常由自身保存的位元数量来估量。如：寄存器通常由自身保存的位元数量来估量。如通常的通常的“8位元寄存器位元寄存器” “32位元寄存器位元寄存器”等。等。2寄存器的分类寄存器的分类：通用寄存器通用寄存器、专用寄存器专用寄存器、控制寄存器控制寄存器。3寄存器的特点寄存器的特点：数量少、多种存储数据、具有独特的名字。：数量少、多种存储数据、具有独特的名字。122.2.3 控制器控制器 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

15、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。：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：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。址的一种计数器。3操作控制器操作控制器：根据指令操作码和时序信息，产生各种操作控制信号：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

16、控制各种取指令和执行指令。，以建立数据通路，用来控制各种取指令和执行指令。132.2.4 总线总线 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总线的特性总线的特性：物理特性物理特性（引脚数、排列顺序）、（引脚数、排列顺序）、功能特性功能特性（地址（地址总线、控制总线、数据总线）、总线、控制总线、数据总线）、电气特性电气特性（信号的方向、信号的电（信号的方向、信号的电平）、平）、时间特性时间特性（信号线上信号的有效时段）。（信号线上信号的有效时段）。2总线的分类总线的分类：数据总线数据总线（Data Bus）用于传送

17、数据（）用于传送数据（ISA、 EISA、VESA、PCI ）、）、地址总线地址总线（Address Bus）用于传送地址、）用于传送地址、控控制总线制总线（Contol Bus）用来传输控制信号和时序信号）用来传输控制信号和时序信号3总线的技术指标总线的技术指标：带宽带宽、位宽位宽、工作频率工作频率。带宽：单位时间总线上传输的数据量。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。位宽：总线能同时传递二进制数据的位数。工作频率：单位工作频率：单位MHz，频率越高，工作速度就越快。，频率越高，工作速度就越快。142.3 CPU的工作原理的工作原理 了解了CPU的发展历程

18、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。15162.3.1 CPU的工作过程的工作过程 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提取提取：从存储器或缓存中获取指令：从存储器或缓存中获取指令2解码解码：用指令集中的指令确认获取指令中有用的部分：用指令集中的指令确认获取指令中有用的部分3执行执行：对指令进行计算或者处理：对指令进行计算或者处理4写回写回：对执行的结果写入：对执行的结果写入cpu内部

19、暂存器中内部暂存器中172.3.2 CPU指令集指令集 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复杂指令集复杂指令集（CISC）：各条指令和指令中的各个操作都是按：各条指令和指令中的各个操作都是按照顺序照顺序串行串行来执行的。特点：控制简单、速度慢、利用率低。来执行

20、的。特点：控制简单、速度慢、利用率低。2精简指令集精简指令集（RISC）：精简了指令系统，采用：精简了指令系统，采用“超标量和超超标量和超流水线结构流水线结构”增加增加cup并行处理能力。特点：格式统一、种类偏并行处理能力。特点：格式统一、种类偏少、速度快，性能高（多用于服务器）少、速度快，性能高（多用于服务器）3精简并行指令集精简并行指令集（EPIC）：86位服务器的处理器上用。特点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：数据处理能力强、系统稳定性高、系统安全性高、系统可用性好好182.3.3 CPU的主要功能的主要功能 CPU具有处理指令、执行操

21、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处理指令处理指令：指令执行的顺序：指令执行的顺序2执行操作执行操作：产生操作信号：产生操作信号3控制时间控制时间：控制操作的时间：控制操作的时间4处理数据处理数据：算术或逻辑运算：算术或逻辑运算2.4 CPU的性能参数的性能参数 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19202.4.1 工作频率工作频率 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

22、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主频主频：cpu的时钟频率，的时钟频率，cpu运算和处理数据的速度，单位运算和处理数据的速度，单位MHz或或GHz。通常主频越高，运算速度越快。通常主频越高，运算速度越快。主频主频=外频外频*倍频倍频。2外频外频：cpu与主板工作的速度。也是主与主板工作的速度。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。定计算机整体运行的速度。3前端总线频率前端总线频率（FSB）：是）：是cpu和内存和内存之间交换数据的工作频率。之间交换数据的工作频率。4倍频倍频：cpu时钟频率和外频之间的

23、倍数。时钟频率和外频之间的倍数。主频主频=外频外频*倍频倍频212.4.2 CPU缓存缓存 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（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）和三级缓存（L3 Cache），下面将对其分别进行介绍。1一级缓存（一级缓存（L1 Cache）：封装于：封装于Cpu内部，容量小，工作频率和内部，容量小，工作频率和cpu相同。分为相同。分为数据缓存数据缓存和和指令缓存指令缓存两种

24、。两种。2二级缓存（二级缓存（L2 Cache）：分为内部：分为内部和外部两种。外部工作频率是内部的一和外部两种。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。大小运行速度有很大影响。大小4MB为最。为最。3三级缓存（三级缓存（L3 Cache）：预读内存：预读内存5%的数据，提升工作效率。多用于服务器内存。的数据，提升工作效率。多用于服务器内存。222.4.3 多核多核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多核多核CPU概述概述：一块：一块cpu上存在多

25、个核心。如双核、四核、上存在多个核心。如双核、四核、八核等。八核等。2双核双核CPU：两个：两个cpu封装在一起的设计。封装在一起的设计。3Inter四核四核：四个：四个cpu封装在一起的设计。封装在一起的设计。 intel四核四核 AMD四核四核2.5 CPU选购指南选购指南 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。23242.5.1