微处理器课件

微处理器2.1

CPU概述CPU全称是CentralProcessingUnit即中央处理器，又称微处理器，是微型计算机的核心芯片。CPU的三大主要组成部分：

运算器（ALUArithmeticLogicUnit），功能是完成算术和逻辑运算。

控制器：根据指令的要求，对微型计算机各部件发出相应的控制信息，使他们协调一致地工作。

寄存器：主要用于存放程序运行过程中当前使用的数据。

在8086／8088的设计中，引人了两个重要的概念：

指令流水线存储器分段这两个概念在以后升级的INTEL系列微处理器中一直被沿用和发展。正是这两个概念的引入，使8086／8088与原来的8位微处理器相比，在运行速度、处理能力和对存储空间访问等性能方面有很大提高。

8086是标准16位微处理器，内外数据总线都为16位；8088是准16位微处理器，内数据总线为16位，外数据总线为8位。8086／8088除了外数据位数及与此相关的部分逻辑稍有不同外，内部结构和基本性能相同，指令系统完全兼容。8086／8088微处理器CPU从最初发展自今已经有三十多年的历史了。目前我们使用的计算机中绝大多数都是与Intel公司X86系列兼容的CPU。

Intel公司的PⅢ（1.3G）、P4(3.2G)和赛扬(1.3G)。AMD公司的Duron

（钻龙1.2G、速龙1.4G)、Althlon（1.8G、XP2600+）等。2.1.1PentiumⅡ以前的时代

1971年，Intel公司推出了四位微处理器4004，标志着世界上第一颗微处理器的诞生，它包含有2300个晶体管，速度较慢，功能也相当有限。随后，Intel公司又研制出了8080、8085微处理器，加上当时Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器，一起组成了八位微处理器家族。1978和1979年，Intel公司先后推出了8086和8088芯片，它们都是16位微处理器，时钟频率为4.77MHz，内含29000个晶体管，地址总线为20位，可使用1MB内存，内部数据总线都是16位。但8088（外部总线是8位）是准16位微处理器。

1981年8088芯片首次用于IBMPC机中，从此掀起了个人计算机发展的狂潮，开创了全新的计算机时代。

1982年，Intel公司又推出了80286芯片，该芯片虽然也是16位微处理器，但它包含有13.4万个晶体管，第一次成为系列产品。其内部和外部数据总线是16位，地址总线24位，可寻址16MB内存，时钟频率由6MHz逐步提高到20MHz。1985年，Intel公司推出了80386芯片，是80x86系列中第一种32位微处理器，含有27.5万个晶体管，内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存，时钟频率由20MHz逐步提高到33MHz。与此同时，另一家CPU生产厂AMD也发展起来，并推出了当时最快的386芯片，时钟频率达到40MHz。

1989年，Intel公司推出了80486芯片，第一次突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，并将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，时钟频率由25MHz逐步提高到100MHz。1993年，Intel公司推出486的换代产品，正式名称为Pentium,是CPU发展史上另一个重要的里程碑，含有310万个晶体管，数据总线64位，地址总线36位，时钟频率由最初60MHz逐步提高到200MHz。

1995年，Intel公司推出新一代微处理器PentiumPro,简称P6，含有550万个晶体管，时钟频率由133MHz起步，一级缓存为16KB，用于指令和数据的缓存各8KB，同时还包括一个256KB或512KB的二级缓存，并首次引入了“乱序执行”技术。1997年3月份，Intel公司又推出基于MMX技术的233MHz的PentiumMMX芯片，一级缓存为32KB，用于指令和数据的缓存各16KB，时钟频率可达到266MHz。

Intel把Pentium60和Pentium66叫做P5，Pentium75和Pentium166叫做P54C，而把带MMX的Pentium166、200、233叫做P55C。2-1-2、PentiumⅡ以后

1997年5月，Intel公司推出了PentiumⅡ，这种CPU含有750万个晶体管，时钟频率从233MHz到450MHz，耗电量约40瓦。PentiumⅡ包括两代产品：第一代产品使用MMX和AGP接口技术，系统总线速度为66MHz，采用了0.35微米的制造工艺，CPU工作电压为2.0V；第二代产品采用了0.25微米的制造工艺，系统总线速度为100MHz，L132KB，L2512KB。

PentiumⅡ首次采用了Slot1接口标准。从1998年开始，AMD公司以0.35微米的工艺正式大批量生产266MHz和300MHz的K6-Ⅱ，该芯片采用3DNow！技术，含有930万个晶体管，L1为64KB，工作电压2.2V，耗电量不到10瓦。1999年又推出了K6-Ⅲ，时钟频率可到450MHz，以0.25微米的工艺制造，含有2000多万个晶体管，有L2256KB。并首次推出了Socket7的优化版本Super7架构。Celeron赛扬微处理器

1998年4月，Intel公司推出价格很低的Celeron赛扬微处理器，四个月后，Intel又推出代号为Mendocinod的新赛扬。综合性能与PⅡ接近，但价格却只有PⅡ的三分之一。在接口技术方面，重新拾起了Socket架构，推出Socket370架构。PentiumⅢPentiumⅢ包括两代产品：第一代产品和PⅡ相差无几；第二代产品采用了0.18微米的制造工艺，系统总线速度为100MHz和133MHz，是含有2800万个晶体管的Coppermine（铜矿）处理器。

Coppermine

使用1.60～1.65V核心电压，主频500～733MHz。2000年3月8日，Intel公司也推出了1GHz的Coppermine。2000年3月6日，AMD公司正式推出了1GHz的Athlon

。2000年11月20日，Intel公司推出了PentiumⅣ，特点如下：1999年6月，AMD推出K7，正式名称是Athlon，各项指标均全面领先与同频率的PentiumⅢ，最明显的是总线频率为200MHz，还具有128KB的L1高速缓存，是PentiumⅢ的32KB的4倍。★

CPU主频为1.4GHz和1.5GHz。3.4GHz

★采用了0.18微米铝(铜)连接技术的制造工艺。(0.09微米)

★核心面积217平方毫米集成了4200万个晶体管。★核心工作电压1.7V(1.5伏)

，功率52W。★

8KBL1和256KBL2(512K)缓存。★

20段超级流水线、超标量、高级程序执行设计。★

400(800)MHz系统总线，Socket-423(Socket478)插座连接。★与PentiumⅣ相配的是i850芯片组。2.2

8086/8088CPU的功能结构负责执行指令负责取指令、取操作数和写结果。执行1存结果取指2取操作数执行2取指3取操作数执行3忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌CPU：BUS：8088/8086以前的CPU：执行1存结果取指2取操作数执行2取指3取操作数执行3忙碌忙碌忙碌忙碌忙碌EU：BUS：8088/8086CPU：BIU：取指4忙碌“流水线”结构

特点：将CPU分为两个单元，可以使取指令和执行指令同时进行减少了CPU为取指令而等待的时间，从而提高了CPU的利用率，提高了系统的运行速度。两个单元都能独立并行地完成各自相应的工作。2.3CPU的主要性能⑴、主频、倍频、外频主频是CPU的时钟频率或者说是内部工作频率(如2.2GHz)。外频是CPU的总线工作频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率(如133MHz)。倍频是指CPU的外频与主频相差的倍数。三者的关系是：主频=外频×倍频主频=1200M外频=100M倍频=12⑵、地址总线宽度

地址总线宽度决定了CPU可以访问存储器的物理地址空间，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的物理空间。

232=22×210×210×210=4GB⑶、数据总线宽度

数据总线宽度决定了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数据量，Pentium以上的微机系统，数据总线的宽度为64位，即CPU一次可以同时传输8个字节的数据。⑷、L1高速缓存（L1Cache）

即一级高速缓存。内置的高速缓存可以提高CPU的运行效率，L1高速缓存运行在CPU的主频上。CPU的L1高速缓存的容量一般在32KB~64KB之间，最多达到128KB。⑸、L2高速缓存（L2Cache）

即二级高速缓存。L2高速缓存的时钟频率为CPU主频的一半或三分之一，或者等于CPU的主频。L2高速缓存一般相当于L1高速缓存容量的四到八倍左右。CPU的L2高速缓存的容量一般在128KB~512KB之间，最多达到1MB以上。⑹、内存总线速度（Memory-BusSpeed）

CPU或二级缓存和内存之间的通信速度(66、100、133、266、400MHz，533MHz

，

800MHz)。⑺、扩展总线速度（Expansion-BusSpeed)

扩展总线：安装在微机系统上的局部总线如PCI或AGP总线。

PCI局部总线的速度一般为33MHz或66MHz。⑻、工作电压（SupplyVoltage)CPU正常工作时所需的电压。早期CPU的工作电压一般为5V，目前CPU的工作电压一般为1.1V～2.8V之间。CPU制造工艺越先进，则工作电压越低，CPU运行时耗电功率就越小。⑼、生产工艺目前CPU生产主要采用CMOS技术。CMOS是英语“互补金属氧化物半导体”缩写，在生产过程中是用“光刀”加工各种电路和元器件，并用金属铝沉淀在硅材料上后，用“光刀”刻成导线以连接各元器件。现在光刻的精度一般用微米表示。目前生产工艺是0.13微米,最近已发展到0.09微米.2.4CPU技术⑴、IA-32和IA-64IA是IntelArchitecture（英特尔体系结构）的缩写，目前使用的CPU有IA-32和IA-64两种架构。⑵、流水线技术（pipeline）

流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术。

“流水线”是Intel首次在486芯片中开始使用，其工作方式就像工业生产线上的装配流水线。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，再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期内完成一条指令，因此可大大提高CPU的运算速度。⑶、超流水线（superpipelined）

“超流水线”是CPU内部的流水线超过通常的5～6步，例如PentiumPro的流水线就长达14步，然后将一条X86指令分成5～6步，流水线设计的步数越多，其完成指令的速度就越快。⑷、超标量（superscalar）

“超标量”是指CPU中有一条以上的流水线，并且每个时钟周期内可以完成多条指令，这种设计就叫超标量技术。

Pentium级以上的CPU均具有超标量结构；

486以下的CPU属于低标量结构。⑸、乱序执行技术“乱序执行”（out-of-orderexecution）是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式，就叫乱序执行（也叫错序执行）技术。比如执行一段程序，CPU将根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况进行分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。在各单元电路不按规定顺序执行完指令后，还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。“分支预测”（branchprediction）和“推测执行”(speculationexecution)是CPU动态执行技术中的主要内容。

推测执行是依托于分支预测基础上的，分支预测程序在是否分支后所进行的处理也就是推测执行。

由于程序中的条件分支是根据程序指令在流水线处理后的结果来执行的，当CPU等待结果时，流水线前级电路也处于空闲状态等待分支指令（浪费时间）。⑹、分支预测和推测执行技术

如果CPU能预测分支是否转移（之前），提前执行相应的指令，避免流水线空闲等待，提高了CPU运行的速度。

一旦预测分支出错，就必须将已经装入流水线执行的指令和结果全部清除，然后再装入正确指令重新处理（更慢）。

推测执行时的分支预测的准确性是重要的。PⅡ以上CPU的分支预测正确率已达到90%！虽还有错，仍可提高CPU的速度。⑺、指令特殊扩展技术①MMX技术

MMX是英文MultiMediaExtension(多媒体扩展)的缩写，属于Intel的专利。

MMX首次在X86指令集中引用了SIMD技术。SIMD是英文“SingleInstructionMultipleData”的缩写，即单条指令同时处理多个数据。图形、图像、音频、视频等多媒体应用往往需要对大量相同的数据进行同样的运算，这些运算指令通常被放入程序的一个循环中。使用SIMD指令后，一方面CPU内部可以并行处理数据，另一方面也可以减少循环次数。

MMX指令集共有57条指令，主要用于增强CPU对多媒体信息的处理能力。②3DNow！技术

3DNow！是AMD公司开发的多媒体扩展指令集，共有21条指令。

3DNow！同样利用了SIMD技术。其指令集的指令虽然比MMX指令少，但对于浮点运算密集的3D图形、视频、音频处理等应用能力比MMX要强。③SSE技术

SSE是英文“因特网数据流单指令序列扩展”（InternetStreamingSIMDExtensions）的缩写，是Intel公司推出PentiumⅢ时首次使用的技术，也是MMX的扩展。共有70条指令，不但囊括了原MMX和3DNow！指令集的所有功能，而且特别加强了SIMD浮点处理能力，并针对目前因特网的发展趋势，专门增强了CPU处理网页和其它音像信息的能力。2.5CPU封装方式⑴、SocketPc机从386时代开始普遍采用Socket插座来安装CPU，从Socket4、Socket5、Socket7到现在的Socket478和Socket-462

。以Socket478为例，它是方型多针脚零插拔力的插座，插座上有一拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进和取出CPU芯片。⑵、Slot

Slot1这种接口方式是一个狭长的242引脚的插槽，可以支持采用SEC封装技术的PentiumⅡ、PentiumⅢ和Celeron处理器。Slot1架构的主要特性与Super7非常相近。Slot2接口标准与Slot1类似。SlotA接口标准是AMD提出的，支持AMDK7处理器，虽然从外观上看SlotA与Slot1十分相似，但两者在电气性能上完全不兼容。2.6最新CPU简介奔腾Ⅳ3.0GHz前端总线:800MHz

外频:200MHz倍频:15生产工艺0.13微米

工作电压：1.5V二级缓存大小512KB管脚数478

P43.06GCPU内核：Northwood

主频：3060MHz

前端总线：533MHz

外频:

133MHz

倍频：23

插口：Socket478

插口描述：478个针脚

L1缓存：20KB

L1缓存描述：8KB（一级缓存）+12KB（追踪缓存）数据高速缓存总线带宽与核心同步

L2缓存：512KB

L2缓存描述：256-bit，全速

多媒体指令集：MMX/SSE2/SSE指令集

内核电压：1.55V

工作功率：81.8W

制作工艺：0.13μm

超线程技术:支持AthlonXP2800+处理器

2.25G时钟频率(2200+)Thoroughbred架构333MHz前端总线频率外频：133MHzL1Cache：128KBL2Cache：256KBL2缓存描述：全速内核电压：1.65V插口：Socket-462(Socket-A)制造工艺：0.13μm

晶体管：3760万

核心面积：84mm2

AthlonXP3000+CPU

内核：Thoroughbred

B

主频：2.25GHz

前端总线：333MHz

外频：166MHz

倍频：13

插口：Socket

A

L1缓存：128KB

L2缓存：256KB

L2缓存描述：全速

多媒体指令集：3D

NOW!、MMX、SSE

芯片组支持：nForce2芯片和KT400等

内核电压：1.65V

制作工艺：0.13μm

封装模式：CPGA

晶

体

管：3760万

核心面积：84mm2

LGA775弹性触点式CPU封装P43.2GSocket7Socket370Pentium4XEPentium4Athlon64Athlon64FXOpteron100系列Opteron200系列XeonMPXeonMPSocketSocket478Socket478Socket754Socket940Socket940Socket940Socket604Socket603核心频率（GHz）3.23.22.02.22.02.03.22.8总线带宽（GB/s）6.46.46.46.46.46