第4章中央处理器

1、4.1 CPU的基本构成和工作原理 4.1.1 CPU的基本构成CPU（Central Processing Unit)是计算机的心脏，包括运算器、寄存器、控制部件等。4.2 CPU 分类按照其处理信息的字长，CPU可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。根据生产的厂家分类:Intel、AMD、VIA、龙芯等，此外在嵌入式领域等方面也有多个公司进行CPU的研发，如三星公司等。根据产品技术特点分类：Inter的主要系列有：酷睿系列、奔腾系列、赛扬系列等；AMD有：羿龙系列、速龙系列、闪龙系列等。 根据CPU的制作工艺：分为90纳米、65纳米

2、、45纳米、32纳米以及最新的22纳米等；根据插槽类型：LGA2011接口、LGA1366接口、LGA1156接口、LGA1155、LGA1150、LGA775接口、AM3+、AM3接口、AM2+接口、AM2接口等。4.3 CPU的技术指标1、主频主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。2、外频CPU的外频是CPU与主板之间同步运行的速度3、倍频系数倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。4、超频是把CPU的工作时钟调整为略高于CPU的规定值，企图使之超高速工作。CPU 工作频率=倍频外频。提升CPU的主频可以通过改变CPU的倍频或者外频来实现。5、前端总线前端总线(

3、FSB)指CPU与北桥芯片之间的数据传输总线，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。6、QPI(Quick Path Interconnect)“快速通道互联”，取代前端总线(FSB)的一种点到点连接技术。7、字长CPU的字长通常是指内部数据的宽度，单位是二进制的位（bit）。它是CPU数据处理能力的重要指标，反映了CPU能够处理的数据宽度、精度、和速度等，因此常常以字长位数来称呼CPU。8、缓存缓存的大小是CPU的重要指标之一，缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大。缓存可以分为：一级缓存、二级缓存和三级缓存。L1Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分

4、为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。L2Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，以前家庭用CPU容量最大的是512KB，现在酷睿i系列的已经可以达到1.5MB；而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高，可以达到8M以上。L3Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。9、指令集CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效

5、工具之一。10、制造工艺CPU的制造工艺通常以CPU核心制造的关键技术参数“蚀刻尺寸”来衡量11、工作电压CPU内核和I/O工作电压从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。12、核心（Die） 又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心。13、核心类型CPU制造商对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的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 ，甚至同一种核心都会有不同版本的类型14、cpu核心微架构CPU架构是指的内部结构，也就是CPU内部各种元件的排列方式，和元

6、件的种类 。15、多线程同时多线程（Simultaneous Multithreading），简称SMT。SMT可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或Cache未命中带来的访问内存延时。16、多线程同时多线程（SMT，Simultaneous Multithreading）可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或Cache未

7、命中带来的访问内存延时。17、虚拟化技术虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中都有多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。18、动态加速技术4.4 CPU的封装形式CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计。根据CPU的安装形式来看，可以分为：Socket和Slot两种。 SlotA插槽 SocketACPU的器件集成封装是采用特定

8、的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到LGA封装，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。主流的CPU封装特点介绍（1）Socket 775又称为Socket T，是应用于Intel LGA775封装的CPU所对应的处理器插槽，能支持LGA775封装的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D等CPU。（2）LGA

9、1156又叫做Socket H，是Intel在LGA775与LGA 1366之后的CPU插槽。它也是Intel Core i3/i5/i7处理器器（Nehalem系列）的插槽，读取速度比LGA 775高，LGA1156意思是采用1156针的CPU。(3)LGA 1366接口又称Socket B，逐步取代流行多年的LGA 775。从名称上就可以看出,LGA 1366要比LGA 775多出越600个针脚,这些针脚会用于QPI总线、三条64bit DDR3内存通道等连接。（4）LGA 1155接口又叫做Socket H2，是Intel在2011年将推出的新核心Sandy Bridge所采用的接口，相

10、比目前的LGA 1156接口将减少1个触点，并且两者是互不兼容的；除了在触点数量上的变化外，两种处理器边上的凹痕位置亦不一致，LGA 1155的为11.5mm而LGA 1156的为9mm，所以LGA 1156主板是绝对不兼容LGA1155处理器的。（5）LGA 2011接口则是LGA 1366接口的升级，该系列的CPU也是采用Sandy Bridge核心。LGA2011接口将会有2011个触点。（6）LGA 1150是Intel2013年最新的桌面型CPU插座，供基于Haswell微架构的处理器使用。将取代现行的LGA 1155（Socket H2）。LGA 1150的插座上有1150个突出的

11、金属接触位，处理器上则与之对应有1150个金属触点。（7）AM2接口是AMD的上一代接口，其针脚是940个针脚。（8）AM2+接口是AM2升级，AM2+（接口也为940针）在2007年的第三季度上市。（9）AM3接口是AMD继Socket AM2+后最新推出的CPU插座，支持HyperTransport 3.0，它有941个接触点，内置的内存控制器能支援DDR3。（10）AM3+是AMD 2011年发布的接口，取代上一代Socket AM3并支持AMD新一代32纳米处理器AMD FX。它支援HyperTransport 3.1，主板插座有942个接口，仅比Socket AM3多一个接口，接口排

12、布基本与Socket AM3一致。(11)FM2是AMD是2012年推出的全新架构的Trinity APU桌面平台的CPU插座。最高支持4核设计和4MB L2缓存，内置全新双通道内存控制器,最高支持DDR3 1866规格的内存并可以支持1.25V标准的低电压版本DDR3内存。(12)FM2+是 AMD的三代APU“Richland”的标准接口，需要注意的是配备FM2+接口的主板可以兼容使用目前的FM2接口CPU。4.5 PC的CPU的类型微机的核心部件是中央处理器CPU，微机的发展是随着CPU的发展而发展的。而在CPU的发展过程中，Intel与AMD两个公司的竞争史成为了CPU发展的主旋律。4

13、.5.1 过去的CPUCPU的溯源可以一直去到1971年。在那一年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。1978年，Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i80861979年，INTEL公司推出了8088芯片1981年8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代1982年，INTE推出了划时代的最新产品枣80286芯片1985年INTEL推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由INTEL推出，这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限，集成

14、了120万个晶体管1993年Intel公司发布了第五代处理器Pentium（中文名“奔腾”）1998年Intel公司推出了PentiumCPU2000年7月Intel发布了Pentium 4处理器4.5.2 目前主流的CPU1、目前市面上的主流CPU综述在Intel方面：赛扬作为一款经济型处理器，是Intel的低端入门级产品。赛扬基本上可以看作是同一代奔腾的简化版。奔腾双核，英文名为Pentium dual-core，采用与酷睿系列采用相同的架构，可以说奔腾双核是酷睿的简化版。酷睿i3是酷睿i5的精简版，是面向主流用户的CPU家族标识。拥有Clarkdale(2010年)、Arrandale(

15、2010年)、Sandy Bridge(2011年)、Ivy Bridge（2012年）、Haswell（2013）等多款子系列。酷睿i5是酷睿i7派生的中低级版本，面向性能级用户的CPU家族标识。第四代的i5采用Haswell架构，拥有四核四线程的设计，集成HD Graphics 4600核芯显卡。设计热功耗(TDP)为84W，支持DDR3-1600规则的内存。与同架构的i3相比，三级缓存上达到6M，而且支持TDP技术和Virtualization(虚拟化)技术。酷睿i7是Intel的旗舰产品，是面向高端用户的CPU家族标识。第四代的i7也是采用Haswell架构，均为四核八线程设计，集成H

16、D Graphics 4600核芯显卡。设计热功耗(TDP)为84W，支持DDR3-1600规则的内存。三级缓存上达为8M，此外还支持超线程技术。在AMD方面APU(Accelerated Processing Unit)中文名字叫加速处理器，是目前AMD公司致力打造的系列，是AMD“融聚未来”理念的产品，它第一次将中央处理器和独显核心做在一个晶片上，它同时具有高性能处理器和最新独立显卡的处理性能，支持DX11游戏和最新应用的“加速运算”，大幅提升了电脑运行效率，实现了CPU与GPU真正的融合。在AMD的产品线的布局上，也是着力打造全面的APU产品系列，目前在售的包括入门级的A4、A6到中端的

17、A8和中高端的A10。FX则是AMD的旗舰级产品，自2011年的第一代Bulldozer（推土机），2012年第二代的Piledriver（打桩机）以及计划中的2013年第三代的Steamroller（压路机）。目前市面上所出售的最强性能所采用的是32nm的工艺、AM3+接口，8核心8进程的设计。2、目前市场上流行CPU的档次及型号3、INTEL的酷睿i系列主要型号及参数比较4、酷睿i系列CPU的新技术（1）HT 超线程技术超线程技术，它是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高CPU的

18、运行效率。基于Nehalem架构的Core i7引入超线程技术，使四核的Core i7可同时处理八个线程操作，大幅增强其多线程性能。四核的Corei7超线程技术的工作原理（2）睿频加速技术（Turbo Boost Mode ）Turbo Boost，顾名思义，就是加速技术，它基于Nehalem架构的电源管理技术，通过分析当前CPU的负载情况，智能地完全关闭一些用不上的核心，把能源留给使用中的核心，并使它们运行在更高的频率，进一步提升性能；相反，需要多个核心时，动态开启相应的核心，智能调整频率。这样，在不影响CPU的TDP（热功耗设计）情况下，能把核心工作频率调得更高。睿频加速技术示意图（3）智能缓存技术Nehalem架构除了以上两大特性外还有一个值得提及的新设计概念，这就是三级缓存。四核酷睿i7/i5处理器中，每一款产品都拥有8MB的三级缓存，而在最新的六核酷睿i7 980X中，三级缓存的容量被提高到了12MB，进一步提高了CPU命中数据的准确率从而提高了运算效率。5、典型CPU举例（1）酷睿i3 530。酷睿i3530结构和实物图（2）酷睿i7 4770处理器。酷睿i7 4770处理器是隶属于Intel处理器家族的第四代酷睿i7系列。新架构改善了CPU性能、增强超频，创新的将VR(电压调节器)整合到处理器内部，降低了主板的供电设计难度，并