第2章中央处理器

1、微微机组装与维护技术机组装与维护技术侯瑞杰侯瑞杰 制作制作第第2章章 中央处理器中央处理器科学出版社科学出版社微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）本章主要介绍本章主要介绍CPU相关的基础知识、相关的基础知识、CPU性能指标、性能指标、CPU封装技术、主流封装技术、主流CPU发展过程及特点、发展过程及特点、CPU发展新发展新构架和迅驰技术等内容。在学习过程中要求掌握构架和迅驰技术等内容。在学习过程中要求掌握CPU相相关的基础知识与基本概念，以及关的基础知识与基本概念，以及CPU相关性能指标与特相关性能指标与特点；同时要求了解点；同时要求了解CPU的封装技术的相关知识、主流的封

2、装技术的相关知识、主流CPU的发展过程、的发展过程、CPU发展的新构架及迅驰技术。发展的新构架及迅驰技术。 本章要点本章要点微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v CPU相关基础知识的理解相关基础知识的理解v CPU性能指标的理解性能指标的理解v CPU新构架相关知识的理解新构架相关知识的理解本章难点本章难点微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）CPU常用到的一些概念与术语：常用到的一些概念与术语：v SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据，单指令多数据流）：单条指令同时处理多个数据，即单条指令可以并行流）

3、：单条指令同时处理多个数据，即单条指令可以并行执行多个数据。执行多个数据。v MMX（Multi Media Extensions，多媒体扩展指令集）：，多媒体扩展指令集）：共有共有57条指令，是条指令，是Intel公司开发的第一代公司开发的第一代SIMD指令集，指令集，它允许它允许CPU同时对同时对24个甚至个甚至8个数据进行并行处理。个数据进行并行处理。v 3DNow!（3D No Waiting）：）：AMD开发的开发的SIMD指令集，指令集，共有共有21条指令，克服了条指令，克服了MMX没有浮点处理能力的弱点，没有浮点处理能力的弱点，但由于指令条数有限，仅增强了但由于指令条数有限，仅增

4、强了3D游戏功能。游戏功能。v SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩，单指令多数据流扩展）：也叫展）：也叫KNI指令集，为指令集，为Intel开发的第二代开发的第二代SIMD指令指令集，增加了集，增加了50条条SIMD浮点指令。浮点指令。2.1 CPU相关的基础知识相关的基础知识(1) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v KNI（Katmai New Instructions，Katmai新指令集）：即新指令集）：即SSE。 v RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集，精简指令集计

5、算机）：只有最常用的基本指令集。计算机）：只有最常用的基本指令集。v CISC（Complex Instruction Set Computing，复杂指令集，复杂指令集计算机）：相对于计算机）：相对于RISC而言，它的指令位数较长，且指令而言，它的指令位数较长，且指令系统庞大而复杂。系统庞大而复杂。v Post-RISC：内核是：内核是RISC，外围是，外围是CISC，结合了两种架构，结合了两种架构的优点。的优点。v Instructions Cache（指令缓存）：主内存与（指令缓存）：主内存与CPU之间的快之间的快速存储区域。速存储区域。v COB（Cache On Board，板上集成

6、缓存）：在处理器卡上，板上集成缓存）：在处理器卡上集成的缓存，即为二级缓存。集成的缓存，即为二级缓存。2.1 CPU相关的基础知识相关的基础知识(2) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v COD（Cache On Die，芯片内集成缓存）：在处理器芯片，芯片内集成缓存）：在处理器芯片内部集成的缓存，即为一级缓存。内部集成的缓存，即为一级缓存。v PSN（Processor Serial Numbers，处理器序列号）：标识，处理器序列号）：标识处理器特性的一组号码，这些信息记录在处理器特性的一组号码，这些信息记录在CPU中，可利用中，可利用专用软件读取，识别专用软件读取

7、，识别CPU真伪。真伪。v Identify（鉴别号码）：打印在（鉴别号码）：打印在CPU芯片上，用于判断不芯片上，用于判断不同芯片的识别代码。同芯片的识别代码。v IA（Intel Architecture，Intel架构）：架构）：Intel公司开发的公司开发的x86芯片结构。芯片结构。v IA-64：Intel采用采用EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令计算机）技术开发的，精确并行指令计算机）技术开发的64位处理位处理器。器。v NI（NonIntel，非，非Intel架构）：为架构）：为Intel兼容产品。兼容产品。

8、2.1 CPU相关的基础知识相关的基础知识(3) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v 多核心：单芯片多处理器（多核心：单芯片多处理器（Chip multiprocessors，简称，简称CMP）。）。v IPC（Instructions Per Clock Cycle，指令，指令/时钟周期）：表时钟周期）：表示在一个时钟周期内可以完成的指令数目。示在一个时钟周期内可以完成的指令数目。v Latency（潜伏期）：完全执行一条指令所需的时钟周期（潜伏期）：完全执行一条指令所需的时钟周期数。数。v Throughput（吞吐量）：在单位时间内可以执行的最多指（吞吐量）：在单

9、位时间内可以执行的最多指令条数。令条数。v PIB（Processor In a Box，盒装处理器）：，盒装处理器）：CPU厂商正式厂商正式在市面上发售的产品。在市面上发售的产品。v Remark（芯片频率重标识）：非法经销商把低档的（芯片频率重标识）：非法经销商把低档的CPU贴上高档的贴上高档的CPU进行销售，这种做法称为进行销售，这种做法称为Remark。2.1 CPU相关的基础知识相关的基础知识(4) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）2.2 CPU性能指标性能指标 1主频主频v CPU主频，亦称内频，即为主频，亦称内频，即为CPU运行频率，也就是运行频率，也就是

10、CPU中中的主时钟不断产生的固定频率的时钟脉冲，它控制着的主时钟不断产生的固定频率的时钟脉冲，它控制着CPU工作节拍。工作节拍。v 主频越高，主频越高，CPU工作节拍就越快，运算速度也就越高。工作节拍就越快，运算速度也就越高。v 主频常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来测定，计主频常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来测定，计量单位一般为兆赫、千兆赫（量单位一般为兆赫、千兆赫（MHz、GHz）。）。v 如如Celeron 433、Pentium III 550中的中的433和和550都是指都是指CPU的主频。的主频。 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）2外频外频 v 外

11、频是指外频是指CPU与周边部件传输数据的频率，具体是指与周边部件传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度，因此外频亦称为前端总线频率。到芯片组之间的总线速度，因此外频亦称为前端总线频率。 v 主频（内频）总要比外频快，通常为一倍数（倍频），内主频（内频）总要比外频快，通常为一倍数（倍频），内频频=外频外频倍频。如倍频。如P90主频为主频为90MHz，外频是，外频是60MHz，相差相差1.5倍（倍（90=601.5） 。v 前端总线（前端总线（FSB）频率是影响）频率是影响CPU与内存直接数据交换速与内存直接数据交换速度的主要因素。数据带宽（总线频率度的主要因素。数据带宽（总线频率数

12、据位宽）数据位宽）/8，如支持如支持64位的至强位的至强Nocona，前端总线是，前端总线是800MHz，按照公，按照公式，其最大带宽式，其最大带宽=（800MHz64）/8=6.4GB/秒。秒。微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）3运算速度运算速度 v 运算速度是指运算速度是指CPU每秒钟能执行指令的条数；每秒钟能执行指令的条数；v MIPS用来描述计算机的定点数的运算速度的单位；用来描述计算机的定点数的运算速度的单位；v MFLOPS用来描述计算机的浮点数的运算速度的单位；用来描述计算机的浮点数的运算速度的单位；v 浮点数运算能力越强，浮点数运算能力越强，CPU处理图形

13、速度就越快。处理图形速度就越快。微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）4总线宽度总线宽度 v 总线是微处理器与外围设备之间传送信息的一组公共信号总线是微处理器与外围设备之间传送信息的一组公共信号线，总线宽度是指这组公共信号线的根数。线，总线宽度是指这组公共信号线的根数。v 总线由数据总线、地址总线和控制总线三部分组成。一般总线由数据总线、地址总线和控制总线三部分组成。一般PC系统的总线可分为系统的总线可分为4个层次。个层次。v 片内总线：指微处理器内部各功能单元的连线，延伸到片内总线：指微处理器内部各功能单元的连线，延伸到CPU外，又称外，又称CPU总线。总线。v 片间总线：

14、指片间总线：指PC主板上以微处理器为核心与各部件间的连主板上以微处理器为核心与各部件间的连线。线。v 系统总线：指主板上扩展槽与扩展卡间连接的总线。系统总线：指主板上扩展槽与扩展卡间连接的总线。v 外总线：指外总线：指PC与与PC或外设之间通信的总线。或外设之间通信的总线。微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）5一级缓存与二级缓存一级缓存与二级缓存 v 一级缓存也称一级缓存也称L1高速缓存，它封装在高速缓存，它封装在CPU芯片内部的高速芯片内部的高速缓存，用于暂时存储缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取运算时的部分指令和数据，存取速度与速度与CPU主频相近。内

15、置的主频相近。内置的L1高速缓存的容量和结构对高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，一级缓存容量越大，则的性能影响较大，一级缓存容量越大，则CPU处理速处理速度就会越快，对应的度就会越快，对应的CPU价格也就越高。价格也就越高。v 二级缓存亦称二级缓存亦称L2高速缓存，指高速缓存，指CPU外部的高速缓存。二级外部的高速缓存。二级缓存越大，则缓存越大，则CPU处理速度就越快，整台计算机性能也就处理速度就越快，整台计算机性能也就越好。越好。微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）CPU、内存、缓存结构图、内存、缓存结构图 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版

16、）6采用的指令集采用的指令集 v 计算机中的每一条指令都可以完成一个独立的逻辑、算术计算机中的每一条指令都可以完成一个独立的逻辑、算术运算或某种操作，而一台计算机中所有指令的集合称为该运算或某种操作，而一台计算机中所有指令的集合称为该计算机指令系统，也称为指令集。计算机指令系统，也称为指令集。v 指令是软件与硬件的接口，它是程序设计的最小单位，也指令是软件与硬件的接口，它是程序设计的最小单位，也是设计硬件的依据，因此指令集是表征一台计算机性能的是设计硬件的依据，因此指令集是表征一台计算机性能的重要因素。重要因素。v CPU采用的是采用的是Intel公司的公司的MMX指令技术，还是指令技术，还是

17、SSE指令技指令技术，将对计算机性能产生较大的影响。术，将对计算机性能产生较大的影响。微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）7制造工艺制造工艺v CPU芯片中集成的是晶体管，为了提高芯片中集成的是晶体管，为了提高CPU的速度，最重的速度，最重要的是如何在相同的要的是如何在相同的CPU面积里集成更加多的晶体管，一面积里集成更加多的晶体管，一般方法只能通过光刻工艺来进行加工，制造工艺越高集成般方法只能通过光刻工艺来进行加工，制造工艺越高集成的晶体管就越多。的晶体管就越多。v 制造工艺是指在硅材料上生产制造工艺是指在硅材料上生产CPU时内部各元器件间的连时内部各元器件间的连接线宽度

18、，一般用接线宽度，一般用m（微米）作为单位，数值越小，生产（微米）作为单位，数值越小，生产工艺越先进，工艺越先进，CPU内部功耗和发热量就越小。内部功耗和发热量就越小。v Pentium CPU的制造工艺是的制造工艺是0.35m，Pentium II和和Celeron可以达到可以达到0.25m，最新的，最新的CPU制造工艺可以达到制造工艺可以达到0.18m甚甚至至0.13m，并且将采用铜配线技术，可以极大地提高，并且将采用铜配线技术，可以极大地提高CPU的集成度和工作频率。的集成度和工作频率。微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）8核心电压核心电压 v 核心电压是指对核心电压

19、是指对CPU的供电电压，电压越低，电耗就越少，的供电电压，电压越低，电耗就越少，发热也就越小，发热也就越小，CPU质量也就越高。质量也就越高。v 早期早期CPU（386、486）由于工艺落后，它们的工作电压一）由于工艺落后，它们的工作电压一般为般为5V，发展到，发展到Pentium 时代，工作电压已经是时代，工作电压已经是3.5V/3.3V/2.8V，随着，随着CPU的制造工艺与主频的提高，的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有逐步下降的趋势，的工作电压有逐步下降的趋势，Intel的的Coppermine CPU已经采用已经采用1.6V的工作电压。的工作电压。微机组装与维护技术（第二版）微

20、机组装与维护技术（第二版）2.3 CPU的类别（的类别（1）v 长方形卡式长方形卡式CPU：卡式：卡式CPU形状是长条型，接口位于长边形状是长条型，接口位于长边侧面，采用垂向插入，插入时先将侧面，采用垂向插入，插入时先将CPU插到主板上，然后插到主板上，然后用卡座固定其插槽称为用卡座固定其插槽称为Slot。 接口 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v 正方形薄片式正方形薄片式CPU：薄片式：薄片式CPU形状正方，接口（插脚）形状正方，接口（插脚）位于正方的平面上，有很多的密密麻麻的针脚，采用扁平位于正方的平面上，有很多的密密麻麻的针脚，采用扁平插入，插入后比较牢固稳定，其

21、插槽称为插入，插入后比较牢固稳定，其插槽称为Socket。2.3 CPU的类别（的类别（2）微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）2.4 CPU封装技术封装技术 所谓封装就是指用于密封半导体集成电路芯片的外壳。衡所谓封装就是指用于密封半导体集成电路芯片的外壳。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是封装厚度。常有量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是封装厚度。常有以下几种封装技术：以下几种封装技术：u DIP（双列直插式封装）（双列直插式封装）u PQFP（塑料方型扁平式封装）（塑料方型扁平式封装）u PGA（插针网格阵列封装）（插针网格阵列封装）u BGA（球栅阵列封装）（

22、球栅阵列封装）u CSP芯（片尺寸封装）芯（片尺寸封装）微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）2.5 CPU主流产品主流产品(Intel系列系列 ) v 8088与与8086v 80286v 80386v 80486v Pentium（奔腾）（奔腾）v Pentium Pro（高能（高能Pentium）微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v Pentium II:是是Intel x86家族中的家族中的P6产品，出现在产品，出现在1997年的年的5月。月。v Celeron：没有：没有L2缓存，是缓存，是PII的一个简化产品。的一个简化产品。v Pentiu

23、m III：采用了：采用了SSE多媒体指令集，但仍基于多媒体指令集，但仍基于PII架构。架构。v Celeron二代二代 ：为：为Pentium III的一个简化产品。的一个简化产品。v Pentium 4：为：为2001年推出的一款产品，有年推出的一款产品，有P4-Willamette、P4-Willamette-N、Northwood P4等多款产品。等多款产品。v Celeron三代：为三代：为P4的一款简化产品。的一款简化产品。v Celeron D：用来接替老赛扬，支持：用来接替老赛扬，支持SSE3(老赛扬只支持到老赛扬只支持到SSE2)。2.5 CPU主流产品主流产品(Intel系

24、列系列 ) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v Core：拥有双核心、：拥有双核心、64bit指令集、使用指令集、使用65nm制造工艺，制造工艺，支持支持SSE4指令集。每个内核拥有指令集。每个内核拥有32KB的一级指令缓存、的一级指令缓存、32KB的双端口一级数据缓存，的双端口一级数据缓存，2个内核共同拥有个内核共同拥有4MB或或2MB的共享式二级缓存。的共享式二级缓存。 Core音译为音译为“酷睿酷睿”。基于。基于Core架构的处理器，对应于台式机的为架构的处理器，对应于台式机的为Conroe，笔记本的，笔记本的为为Merom，服务器的为，服务器的为WoodCres

25、t。 v Xeon MP：代号为：代号为Tigerton的四核心处理器，基于的四核心处理器，基于Core架架构，应用于服务器。构，应用于服务器。2.5 CPU主流产品主流产品(Intel系列系列 ) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v AMD公司自公司自1996年推出年推出K5系列系列CPU以来，一直是以来，一直是Intel公公司的竞争对手。司的竞争对手。v 它生产的它生产的CPU不仅价格便宜、性能优良，而且也具有他自不仅价格便宜、性能优良，而且也具有他自身的独到新技术：身的独到新技术：3DNow！技术、三级缓冲技术、！技术、三级缓冲技术、“超级超级流水线流水线”和和“

26、超标量超标量”技术（并行流水线）、技术（并行流水线）、EV6200MHz总线技术。总线技术。2.5 CPU主流产品主流产品(AMD系列系列 ) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）v Cyrix公司成立于公司成立于1988年，一直从事高性能微处理器的研年，一直从事高性能微处理器的研制，在硬件系统和相关软件方面也具有较强的实力。制，在硬件系统和相关软件方面也具有较强的实力。v 由由Cyrix研制的研制的Intel兼容芯片以其较高的性能价格比，曾兼容芯片以其较高的性能价格比，曾一度成为众多厂商和用户的理想选择。一度成为众多厂商和用户的理想选择。v 但是由于其相对弱小，而且没有自

27、己独立的制造工厂，以但是由于其相对弱小，而且没有自己独立的制造工厂，以及来自及来自Intel和和AMD的强大竞争，使得的强大竞争，使得Cyrix的经营状况一的经营状况一直不佳，并出现亏损，并于直不佳，并出现亏损，并于1997年被国家半导体公司收购。年被国家半导体公司收购。2.5 CPU主流产品主流产品(Cyrix系列系列 ) 微机组装与维护技术（第二版）微机组装与维护技术（第二版）2.6 CPU新架构新架构 v 20段超级流水线：更多级能大幅提高段超级流水线：更多级能大幅提高CPU主频。主频。v 高效乱序执行：乱序执行和分支预测成技术能有效提升高效乱序执行：乱序执行和分支预测成技术能有效提升CPU执行速度。执行速度。v 2倍速倍速ALU：ALU整数运算单元以双倍主频的速度工作，整数运算单元以双倍主频的速度工作，称为称为Rapid Execution Engine（高速执行引擎）。（高速执行引擎）。v 新型片上缓存：即新型片上缓存：即Trace Cache（跟踪缓存），用于存储（跟踪缓存），用于存储x86指令解码后生成的指令解码后生成的“微操作微操作”指令，多达指令，多达12000条。条。v SSE2指令扩展集：为指令扩展集：为MMX和和SSE的扩展集，包括的扩展集，包括144条条SIMD新指令，能处理新指令，能处理128位整数和浮点双精度数据