《计算机组装与维护》（第八版）课件 第三章 CPU(中央处理器)的选配与安装

计算机组装与维护（第八版）大连理工大学出版社主编：吕振凯张一帆01CPU的选配02CPU的相关技术指标第三章

CPU（中央处理器）的选配与安装03CPU及散热器的安装计算机组装与维护（第八版）知识要求:计算机的机箱和电源选配知识计算机电源的设计标准与输出电压笔记本电脑电源的相关知识技能要求:能够正确地安装计算机电源能够正确地连接计算机电源插头思政要求：通过机箱电源的工作特性理解基础稳定对整个系统稳定的决定作用了解我国先进工业机械加工技术在机箱电源产品制造中的最新体现通过电源功率适用性原则，掌握辩证法中概念与具体问题的辩证原则CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器单元）也称作中央处理器，简称处理器，是计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件，是计算机系统的核心。早期它内部一般由运算器、系统控制器和寄存器等组成，随着技术的发展，逐步集成了内存控制器等其他部件。个人计算机的CPU从8位、16位演进到目前的64位处理器，发展非常迅速。计算机的处理器根据指令系统的不同可以分为多种架构，比如台式计算机中最常见的X86架构、移动智能电话中最常见的ARM架构等。我国近年来在处理器领域已有多次重大突破，基于自主开发的LoongArch64架构的龙芯3A6000系列处理器达到了国际主流水平；基于SW-64架构的威鑫H8000处理器则被安装在高性能申威GS212S2服务器内。正因为CPU对于计算机系统的重要性，行业内和消费者口中一般都以CPU的型号代指某款计算机或者类似设备，例如“骁龙8S平板电脑”等。因此在计算机选配过程中，首先要确定的参与信息处理的硬件就是CPU。从广义上来说，能够进行信息处理的集成电路芯片，都可以叫做处理器，本书中所介绍的处理器仅指可以灵活执行各类软件指令的通用处理器，它们可以根运行不同的软件，执行多种多样的任务，满足各种不同需求。任务1CPU的选配对于一般用户，在计算机整机所有配件中，第一个需要选择的便是CPU。Intel公司1997年推出了使用Slot1插槽的PentiumⅡ（奔腾2）处理器之后，不同公司的主流处理器便不再兼容。所以，在选配计算机时，采用何种处理器是选购主板、内存及其他核心部件的前提。1.CPU的应用场景划分不同的使用场景下，用户对处理器的要求差别很大，处理器制造厂商很难通过设计制造一款或一个系列的处理器满足所有消费者，因此，大部分厂商都针对于不同的使用场景，划分了多个CPU的产品线，每个产品线内安排数量有限的几款处理器产品，即可满足绝大多数用户的需要。本书在任务一内已经介绍了常见的计算机应用场景，下面仍按照这些场景分类介绍一下各场景中CPU的特性。1.1企业级企业级的计算机主要分为服务器和工作站两类，它们对性能和稳定性的要求都很高，很多时候还要求多CPU并行工作，这个层次的处理器必须具备的特性还包括多通道（双通道以上）内存和ECC内存的支持，这两个特性将在任务四中做详细叙述。主流的企业级CPU均为X64架构。1.2消费级消费级的计算机主要分为家用台式计算机和商用台式计算机（或一体机），它们要求CPU除了较高的性能和稳定性之外，还要保证适中的价格，并且普通用户可以通过自行更换CPU来提高计算机的性能。除了少部分苹果计算机使用ARM架构外，均使用X64架构的处理器。1.3移动端可移动的计算机主要包括笔记本电脑、平板电脑以及新兴的迷你台式电脑，受到设备散热和供电的限制，移动版的处理器首先要考虑的是低功耗，在这之上才是性能，并且一般需要具有很灵活的温度与频率控制策略。受到设备体积的约束，当前的移动版处理器大多数都是直接焊在计算机主板上的，无法自行更换，需要用户在选配时保持前瞻性，预留一些富裕的性能。移动版的处理器除了X86架构以外，还有不少选配了ARM架构，例如苹果Mx系列处理器、高通的骁龙处理器和华为的麒麟系列处理器等。2.CPU的使用档次在计算机普及的过程当中，用户需求充分碎片化，每个用户都可能存在自己独特的使用需要，但计算机厂家不可能针对每个用户生产特定的产品，于是各种配件厂家，都针对于不同的用户划分了产品的档次，CPU市场也是一样，下面介绍一下现有市场中CPU的档次与特性。2.1高性能商用计算高性能商用计算对应于企业场景中的服务器、工作站，这个档次的CPU一般配置了12个以上的计算核心，基准频率较高，并且有很高的加速工作频率。2.2高性能家用高性能家用台式计算机供家庭和消费级中的重娱乐用户（俗称游戏玩家和电脑影音用户）使用，它的处理器一般带有8-24个计算核心，很高的基准频率和加速工作频率。这里补充说明一下，受累积散热总量的影响，高核心数量的CPU一般需要控制总发热，因此会限制单个核心的基准频率和最高频率。反而是中等核心数量的CPU受此影响要小得多，可以允许每个核心有更高的基准频率与加速频率。2.3高性能办公高性能办公计算机常用于对电脑要求较高的企业岗位，例如音视频媒体处理或者编程、大数据处理等工作，它和家用台式计算机使用的处理器基本相同，一些厂商针对于商用台式计算机推出了带有特殊技术的的商用处理器，附带了更强的商用加密技术、商用远程维护技术和对于ECC内存的支持，提高了整机系统的安全性和稳定性。2.4一般家用和办公一般家用和办公电脑（包括家用和办公用的台式机和笔记本电脑）常用于普通家庭和公司、企事业单位的行政文员办公岗位，对性能要求一般，可选用带有4-12个计算核心，并且带有集成显卡的X64处理器，可兼顾中等处理能力和较低的主机噪音。部分政府机关受到信息系统国产化的要求，需要选配纯国产的处理器，可以扩展到非X86架构进行选配。2.5轻办公与随身娱乐这种需求通常出现在轻薄笔记本和平板电脑中，对性能有基础要求，满足网页浏览、影音、普通游戏即可，但对耗电、发热要求较高，一般采用带有4-8个计算核心、集成较高性能显卡的低电压或者超低电压版处理器。在这种应用场景中，不限于使用X64处理器，使用ARM处理器的产品也很多，在一些掌上游戏中，大量使用了一体化的SoC产品3.CPU的选配方法计算机的CPU作为信息处理的核心，通常是选购整机时第一个被确定的部件，相比于新世纪首个十年内，计算机高度个性组装化的时代中，处理器产品按照工作频率细分为多款型号的方法，现今的处理器虽然种类丰富，但可供挑选的具体型号并不多。处理器内部包含多个计算核心、缓存、内存控制器、总线控制器、显示核心等多类功能组件，由上百亿个晶体管组成。这些晶体管在光刻的过程中，难免存在失效或者缺陷，所以处理器在光刻后还要进行测试，之后再进行封装。早期处理器厂商的会把测试有缺陷但并没有完全损坏的处理器做降级使用，例如规划生产四核心CPU，但其中有一个核心存在缺陷，就屏蔽掉两个核心，以双核心状态进行封装并出售。同理，厂家还对不同批次的光刻硅片进行速度测试，能够稳定运行在不同频率下的硅片，被划分为不同速度的处理器进行封装标记。这样，一个系列的产品就会出现多种细分型号同时销售的状态。近年来，芯片设计和制造工艺技术都有了很大提升，单批次光刻晶圆的一致性有了很大提高，加上chiplet小芯片组合封装工艺的使用，动态频率稳定技术的加入，把缺陷芯片降级使用的情况慢慢变少。截止至2025年7月，Intel在主流的LGA1851接口上，24核心的CoreUltra9处理器仅提供了三款，它们的硬件部分完全相同，仅根据基准频率和发热功耗标定成标准版的285、可超频的285K和低功耗的285T。也就是说，一旦用户确定了处理器的选配范围，供选择的型号并不多，甚至只有一两款。换个说法，用户在CPU上可选择的余地正变得越来越小。在这种情况下，用户选配CPU之前，并不需要特别仔细对比每一款CPU所有参数之间的具体差异，而是根据产品定位来筛选CPU系列。3.1厂家与产品介绍各厂家生产处理器具体型号繁多且存在变动，虽然电脑处理器的产品更新换代很快，但按照不同定位划分不同产品系列、设定产品参数的方法将会长期存在。具体的选配过程，除了需要按照前述方法确定产品定位，在这之前还要根据不同的CPU生产商和他们不同的产品布局策略、产品线和处理器型号特征来进行初选。下面就对市场上占有率最高的Intel和AMD两家企业的X64处理器产品的型号识别规则做简单介绍，方便用户在选配的时候有的放矢。Intel（中文名“英特尔”）公司，其主流家用商用的X64处理器放弃了之前的“第X代酷睿”的命名规则，改为“酷睿（系列X）”的命名方式，截止至2025年10月，最新的处理器为系列2。下面以“酷睿Ultra9-285K”为例，介绍一下Intel公司对处理器的命名规则。酷睿（英语写法为Core）两个汉字，指的是酷睿系列处理器。Ultra是加强系列的标识，对应的普通系列不带Ultra标识。9指的是9序列处理器，同时还有3/5/7三个序列，数字越大，序列越高，定位也越高。数字285中，第一位数字代表前边介绍的系列数；第二位数字代指整体性能评价数，数字越大，性能越强，一般和序列数相匹配；第三位数字是修正型号，一般为5，也有0和其他数字，用于区分后期产品的型号迭代。最后的字母K表示这是一颗不锁频的桌面版处理器，其他字母的释义如下：在桌面版CPU中，F代表不含集成显卡，T代表降频低功耗，A代表修正步进，无字母代表标准版；在移动版CPU中，H代表标准版，HX代表增强高性能版，U代表低功耗版，V代表超低功耗版。例如酷睿Ultra7-255HX就是一颗加强系列中第七序列的移动处理器，通过查询相关资料可知，它是的一款20核心，最高标准频率4.5GHz的处理器，同家族的酷睿Ultra7-265HX处理器和它区别在于最高标准频率提升了0.1GHz，达到了4.6GHz。AMD（中文名“超威半导体”）公司，主流家用商用的X64处理器称作“锐龙”，截止至2025年8月，最新的处理器为锐龙9000系列。从锐龙6000系列以来，AMD一直没有更换其台式计算机处理器的接口，所以最近几代处理器同时在市面上销售，其命名方式也基本类似，下面以“锐龙9-9950X3D”为例，介绍一下AMD公司对处理器的命名规则。锐龙（英语写法为Ryzen）两个汉字，指的是锐龙系列处理器。普通系列不带附加英文标识，Threadripper（线程撕裂者）是加强系列的标识，AI是人工智能系列的标识。紧跟在后面第一个数字9代表9序列处理器，同时还有3/5/7三个序列，数字越大，序列和定位也越高。数字9950中，第一位数字代表第九代锐龙；第二个数字9位数字代指整体性能评价数，数字越大，性能越强，一般和序列数相匹配；第三、四位数字代表性能参数，一般和计算核心数正相关。最后的字母X表示这是一颗不锁频的桌面版处理器，3D代表包含了使用V-3D技术封装的扩展三级缓存。其他字母的释义如下：在桌面版CPU中，G代表包含了高性能集成显卡，E代表低功耗版，无字母代表标准版；在移动版CPU中，H代表标准版，HS代表增强高性能版，HX代表超高性能版，U代表低功耗版。例如锐龙9-8945HS就是一颗标准系列中第九序列的高性能移动处理器，通过查询相关资料可知，它是的一款8核心，基准频率4GHz的处理器，同家族的锐龙7-8840U处理器的和它区别在于最高标准频率降低了0.7GHz，标准功耗降低了17W，仅为28W，最低功耗更是降低到15W，大大提高了电池供电条件下的续航时间。3.2选配原则前边一小节中介绍了主流处理器的产品布局特性以及命名规则，计划采购计算机的用户在第一次接触到大量产品的参数信息时往往会对这些内容无所适从，认为处理器的生产商针对于每一个使用场景都准备了大量的CPU细分型号供用户选择，但实际上，随着产品定位碎片化，每一个使用场景只留下为数不多的几款产品可供选择，实际选配起来并不困难。绝大多数笔记本电脑的CPU采用BGA封装的芯片，直接焊接在主板上，不能由用户自行选配，所以市售笔记本通常配置了一颗与其定位相当的CPU。例如，轻薄笔记本会配置一颗低功耗低发热的CPU，而高性能笔记本电脑则会配置一颗增强型的高性能CPU。因此，用户只能在初筛后的笔记本型号中，考察其CPU的配置，进行再次筛选，选择面相对较窄。很多用户在Intel和AMD之间犹豫不决，不容易做出选择。同等档次处理器可以用如下规则选配：（1）AMD处理器单核性能介于Intel的大小两种核心之间，核心数量也介于Intel的大小核心数量之间，适合同时处理多个高负载任务，也适合游戏（特别是网络游戏）用户；（2）Intel单核性能强，但大核心数较少，适合家庭娱乐、办公软件和图片处理等对单核性能要求高的使用场合。需要补充说明的是，虽然随着CPU向“融合”方向发展，北桥芯片中内存控制、总线管理以及集成显卡等所有功能单元先后被转移至CPU中，但并不是所有的处理器都内置了显示内核，F系列的酷睿处理器和锐龙线程撕裂者处理器都必须搭配独立显卡才能正常使用，用户在选配时需要特别注意。任务2CPU的相关技术指标不同场合的计算机信息处理的特性差异很大，有的需要高性能，有的需要低功耗，Intel公司曾经试图把轻薄笔记本电脑上使用的低功耗的atom（凌动）处理器推广应用到智能手机上，最后还是因为耗电量过大被市场放弃。可见，电脑用户选择一款适用的处理器，必须先了解它的特性，才能选配到合适的产品。下面就来介绍一下CPU的技术参数与指标。

1.基础指令集架构CPU依靠执行软件中的指令来完成信息处理任务。就像不同国家的居民使用不同的语言文字一样，为了完成不同类型的信息处理任务，CPU的生产商设计了不同类型的指令集合，一种CPU只能执行适用于它自己的集合中的指令，这个指令集和连同CPU执行指令过程中所遵守的运转逻辑，被称作处理器的架构（Architecture）。通常情况下，同一种架构的处理器在一定范围内相互兼容，可以互换使用（通常要搭配主板一起更换）。1.1X86架构Intel公司在4004处理器之后，又相继开发了8086、80286、80386、80486等系列处理器，因此这个系列的处理器被称作X86架构的处理器。2004年，AMD公司将32位的X86架构扩展到64位，被称作X86-64架构，简称X64架构，同时向下兼容传统的X86结构。X86架构处理器属于典型的CISC（ComplexInstructionSetComputing，复杂指令集）处理器，具有执行功能众多、制造成本不高、适合办公娱乐任务等优点，发展很快，当前全球的台式计算机和笔记本电脑主要使用的就是X64架构的处理器。截至2025年10月，全球共有美国的Intel、AMD和中国的兆芯、海光四家厂商批量生产X86处理器。其中Intel和AMD占据了全球主要的市场份额并持有X86的主要知识产权。1.2ARM架构与CISC指令集对应的是RISC(ReducedInstructionSetComputer，精简指令集)，它更强调用精简的指令组合成复杂的任务，达到降低功耗、提高处理效率的目的。ARM（AdvancedRISCMachine）就是全世界最流行的RISC处理器架构。ARM架构的基础知识产权属于英国的ARM公司，但是ARM公司并不生产处理器，仅构建ARM指令集并设计处理器的内核逻辑电路，其他公司购买ARM指令集的授权和逻辑电路方案，生产自己的ARM处理器。ARM处理器最主要的优点是功耗较低，性能较强，非常适合应用在低功耗的随身设备中，例如高通公司的骁龙系列处理器，华为公司的鲲鹏、麒麟系列处理器。美国的苹果公司只购买了ARM指令集的使用授权，自行研发了逻辑电路，生产了M系列处理器，用于苹果电脑。1.3龙芯和申威架构龙芯架构是中科龙芯公司自主开发的一种RISC架构，早期基于MIPS架构，现已脱离MIPS完全独立设计开发，龙芯架构的最新版本为LoongArch64，最新的龙芯3A6000系列处理器，其性能已达到国内主流水平，除了被军事航天等高可靠场合使用，部分办公电脑也开始使用龙芯CPU。申威架构是中国电科自主开发的另一种RISC架构，早期基于DEC-Alpha架构，现也已完全独立设计开发，申威架构的最新版本为SW64，最新的威鑫H8000处理器，主要被安装在超级计算机和集群服务器中。龙芯架构和申威架构的全部硬件产品，均基于国内自主技术设计、开发、生产、应用，完全不依赖任何国外厂商，但同时也积极向海外市场推广，做出努力探索。1.4其他类型架构除了上述几种私有的处理器架构之外，还有一些开源的处理器架构。所谓开源，就是开放源代码（Opensourcecode）的简称，这种模式通常具有开放、非盈利、社区维护、技术领先等特点，早期出现在软件领域，后来也有了开源硬件，RISC-V就是一种开源处理器架构，意思就是开源RISC架构的第五（罗马数字写作V）个版本，这种架构因其精简、灵活、免费等特性，广泛被嵌入式CPU所采用，发展很快。2.处理器硬件工作参数及指标虽然处理器有不同的架构，但它们都属于逻辑信息处理集成电路，简单说就是都用来作基本的数学计算，在这个前提下，从集成电路设计生产这个层面来看，它们都具有很多相同或相似的工作参数和指标，通过了解这些性能和指标的知识，就能从硬件角度理解在不同场景下CPU的工作状态，更加准确地选配CPU。下面就来介绍CPU常见的工作参数及硬件指标。2.1工作频率CPU按照一定时钟频率不间断地执行内存中指令，这个时钟频率就是CPU运算的工作频率，常见单位是MHz（兆赫兹，1MHz=1×106Hz）或GHz（吉赫兹，1GHz=1×103MHz）。一般来说，时钟频率越高，一个时间段内处理完成的指令数就越多，CPU的运算速度也就越快。但是由于各种CPU内部结构并不相同，所以相同时钟频率的CPU性能有可能不同。不同类型、不同厂家甚至不同系列的CPU之间的时钟频率都没有可比性，不能仅仅依靠这个指标判断CPU的性能，只有同一系列的两款CPU，例如AMD锐龙5-9600X和锐龙5-9600两款处理器，它们的基准时钟频率分别为3.9GHz和3.8GHz，其他指标均相同，在这种情况下，才能说前者的性能优于后者。在其他参数相同的前提下，CPU的工作频率越高，需要的工作电压电流也就越高，消耗的电能和释放的热量也越多。从普通用户角度来看，大部分时间段，CPU的工作都很清闲，而少数时候即便它满负荷工作，也仍旧无法满足需要。于是生产厂家推出了带有工作频率自动调整功能的CPU。在运算负荷较轻的时候，它能自动降低CPU的工作频率和工作电压，达到省电降温的目的；而在负荷很重的情况下，它还能让CPU暂时以超过标准频率的高频状态（简称超频状态）运行，以解一时之需。Intel的这两类技术分别叫作“Speedstep”和“TurboBoost”；AMD则分别称为“CnQ（Cool’n’SQuiet）”和“PrecisionBoost”。Intel和AMD两家公司均在各自部分高性能处理器中加入了手动超频功能，用户可以根据需要在一定范围内自行设定处理器工作频率。这种处理器均带有特殊标识，AMD的产品型号末尾的字母为“X”；Intel的是“K”标识。需要注意的是，这些处理器只有搭配特定型号主板芯片组使用时才可开启此项功能。2.2缓存容量缓存（Cache）全称缓冲存储器，用于弥补高低两级存储器之间速度与容量的巨大差异带来的访问困难，CPU内ALU（算术逻辑单元）的寄存器以极高的速度和指令执行单元同频运行，但是存放待执行指令的内存的实际存取速度大概只有寄存器速度的十分之一，CPU的设计人员就在寄存器和内存之间增加了高速缓存，高速缓存的容量比寄存器大得多，但比内存又小得多，速度接近寄存器的速度，动态预存着系统认为被读取概率很高的内存中的指令数据。高速缓存一般分一级缓存（L1Cache）和二级缓存（L2Cache），很多CPU还集成有大容量的三级缓存（L3Cache），例如AMD部分处理器就在集成64MB基础三级缓存之外，增加了64MB的3D三级缓存，有效提升了网络应用的响应速度。CPU在读取数据时，首先访问L1Cache，若找不到可读信息时再去访问L2Cache。缓存越大，存储的信息就越多，CPU访问内存的次数就越少，CPU的效率就越高。一、二级缓存和CPU有延迟地同速运行，三级缓存工作的时钟比较灵活，既可以和CPU同步运行也可以降速运行。处理器片内缓存耗电很大，虽然大容量缓存能够提高性能，但也会导致处理器发热量巨大，是否需要大缓存CPU需要根使用环境选择。2.3超线程技术与多核心相关技术（1）超线程技术。在CPU发展前期，每一个带有指令执行流水线的处理器计算内核，在任意一个微观时刻，都只能处理一个逻辑任务，这样一个逻辑任务就可以叫做一个线程。为了处理一些复杂的任务，当今的很多处理器都在一个计算内核中安置多个ALU（算术逻辑单元），并设置了数十级的指令流水长度，例如锐龙9000系列处理器就拥有四条指令流水线和96级指令预取流水长度。这种变化能够在高负荷下满足大任务的处理需求，但是在面对小任务时，过高的处理能力就变成一种浪费。于是技术人员设计了超线程（HT，Hyper-Threading）技术，它能把一个物理计算内核拆分为两个逻辑内核同时处理两个逻辑任务（线程），充分利用计算内核的的处理能力，降低闲置。但是超线程技术也会使计算资源过于碎片化，不利于单一大任务的处理，使用者可以根据需要，在BIOS中打卡或者关闭这个功能，将计算能力和任务大小的关系配置到优化状态。（2）多核心技术。在多核心技术出现之前，每个CPU都只包含一个计算内核，如果想要通过堆叠多个计算核心提高计算能力，只能使用SMP（SymmetricMultirocessing，对称多处理）技术，实现这项技术的成本很高，首先主板必须有多个CPU插槽，其次必须选择支持此项技术的CPU，并且CPU的数量必须是2n个，以致于一套双处理器系统的单位性能成本差不多是单处理器的2-3倍。而多核心技术是把多个计算内核封装在一颗CPU内部，用户只用安装一颗处理器，就可以成倍地提升处理器的计算能力。多核处理器的封装有两种技术方案——片内封装和片间封装，前者是在芯片制造时就把多个内核刻印在一片硅片上，可以降低核心之间的数据传输延迟；后者是把多个单一的硅片封装在一片PCB电路基板上，可以快速堆叠更多核心。当今的厂家大多使用片内封装技术，也有两种技术同时使用的方案，例如在前边的图3-6中，锐龙9950X处理器就在一块PCB电路板上封装了两片CCX和一片IOD，每片CCX中包含8个计算核心和相应高速缓存，IOD中包含两个图像核心和一个内存控制器，三个硅片各司其职，通过处理器内部高速总线互联。CPU内的核心越多，理论上计算能力就越强，但也带来了一些其他问题，例如功耗增大、负载分布不均衡等问题，针对于这些问题，处理器厂商也开发了相应的技术，下面简单介绍一下。首先是内核性能动态调整技术。多核心处理器最擅长工作在并行多任务处理的场合，但并行的多个任务强度可能并不一致，于是处理器制造商允许同一颗处理器内的不同计算内核工作在不同频率上，任务繁重的内核可以适当提高频率增大处理能力，任务清闲的内核可以适当降低频率节约电能消耗，甚至某些移动版处理器可以在操作系统的协调下，把任务集中在某一个内核上，关闭其他内核，达到处理器部分休眠的效果。其次是大小核心技术。早期的多核心处理器的采用相同的核心进行堆叠，不管任务负载高低，都会被分配到相同的核心上去执行，为了改进不同任务的处理均衡性，Intel公司从第12代酷睿处理器开始使用不对等核心设计，内部包含若干个大小不同的处理器核心，大核心叫P核，性能强、功耗高，支持超线程技术，能完成更复杂的工作；小核心叫E核，性能一般，功耗低，用来处理简单的任务，配合操作系统中优化的调度策略，就可以把不同规模的任务分配给不同类型的核心，均衡不同任务的工作负载。2.4扩展指令集与其他技术特性每一种CPU架构都有一个基础的指令集，保证架构内所有的CPU都能执行这些指令完成基本操作。随着芯片制程工艺的提高，芯片工程师在CPU的计算内核中增加了新的功能逻辑电路，这些新功能可以让用户在执行一些新任务时成倍地提高处理效率，为了能够调用这些新功能，技术人员就把调用这些新功能的新指令添加到基础指令集中，构成了扩展指令集。如果一款CPU能够支持某个扩展指令集，那它内部就一定有可以运行扩展指令集的逻辑电路。X86架构的最新扩展指令集是AVX512指令集，它可以加速如科学模拟、金融分析、人工智能/深度学习、3D建模和分析、图像和音频/视频处理、密码学和数据压缩等工作负载的处理过程。市场上出售的主流X86处理器均支持AVX512扩展指令集。用户也可以使用软件来查看当前CPU支持的扩展指令集。不同于主要用于电脑的X86架构的CPU快速更新到最新的64位扩展指令集，很多工业设备控制领域中使用的ARM架构的CPU并不需要使用太多新功能，为了稳定工作依旧使用早期的32位甚至16位架构。市场上销售的ARM处理器种类很多，尽管作为RISC类型的处理器，其扩展指令集架更新得并不快，但因为用户对移动电话、平板电脑等娱乐设备的性能提升需求比较大，所以ARM架构的处理器也在近年来进行了多次更新，高性能系列主要有ARM11和Cortex两种处理器家族，ARMV6、V7、V8几种内核架构，对应不同的扩展指令集。ARM处理器用户也可以使用软件来查看当前CPU支持的扩展指令集。需要注意的是，虽然操作系统只需要基本指令集就可以让计算机开机运行，但某些应用程序则需要特定的扩展指令集才能运行，例如Ollama人工智能运行平台，就需要最低AVX2指令集才能处理大语言模型AI任务。除扩展指令之外，CPU还有一些其他的的技术特性，例如对虚拟化的支持。CPU的虚拟化技术可以用单个CPU（至少为双核）模拟多块CPU并行运算，允许一个硬件平台同时运行多个操作系统，并且使应用程序在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。Windows11操作系统中的“兼容Win7”模式就必须在BIOS中打开CPU的虚拟化功能。这项技术，Intel称作“IntelVT（VirtualizationTechnology）”，AMD则叫作“AMD-V（AMDVirtualization）”。2.5集成部件CPU的主要作用是通过算术逻辑运算对数据进行处理，也就是冯·诺依曼模型中运算器的功能，但随着芯片制造工艺的提升，越来越多的功能模块被加入到了CPU内部，下面介绍一下这些模块。总线控制器，现代计算机内部均采用总线通信方式，总线控制器早期集成在主板的北桥芯片中，现已转移至CPU内部。PCI-E总线是当今计算机中最常用的内部总线，常见CPU都内置了不同规格的PCI-E总线控制器，例如锐龙9-9950X处理器集成了28通道的PCI-E5.0总线控制器，酷睿Ultra9-285HX处理器集成了24通道的PCI-E5.0总线控制器。虽然主板的南桥芯片也可以引出更多PCI-E的总线通道，但是处理器直接引出的通道具有速度更快、延迟更低的优点，优先使用给显卡等对带宽要求较高的设备。内存控制器，和总线控制器一样，内存控制器也从北桥芯片转移至CPU内部，这样可以大大降低内存和运算模块之间数据通讯的延迟。主流台式电脑处理器的内存控制器可以支持双通道DDR5内存，笔记本电脑可以支持双通道DDR5或者LPDDR5内存，服务器和工作站甚至可以支持四通道或者八通道的内存，大大提高的内存配置的灵活性。显示适配器，也叫显卡，很多处理器都集成了显卡，可以让用户不必购买独立显卡，降低采购成本，对于这方面的内容，本书将在任务七里做详细介绍。辅助计算模块，随着计算机使用越来越广泛，单纯靠算术逻辑运算模块，已经无法有效满足类似于加解密、人工智能等高专一性的计算任务，技术人员就在CPU内部增加了其他的辅助计算模块，例如我国的兆芯K-40000处理器就内置了SHA加密器、SM国标商密加密器、随机数发生器等高性能安全运算模块，除此之外，还有一种高级程度的SoC（SystenonChip，片上系统）芯片，将全部电脑运算单元甚至内存、硬盘都集成在一片集成电路中。2.6制程工艺现代CPU内的芯片都使用光刻机加工而成，具体流程本书不再详细介绍，但是同等条件下，越先进的制程工艺生产的芯片，发热量越小、功耗越低、效能越高。评价制程工艺的指标一般是光刻线宽，指的是光刻机在硅基片上能够刻录出最细的导线宽度，单位一为般nm（纳米），截止至2025年7月，全球最先进的光刻生产工艺为3nm。需要注意的是，处理器的效能不仅仅取决于制程工艺，芯片的设计能力、生产线的成熟稳定性、封装方式也都会影响到处理器的整体性能。3.工作性能指标因为同一个参数在不同环境中代表的能力价值并不一致，所以不同品牌类型的处理器之间一般不能直接使用参数高低来评价性能指标，面对这个问题，技术人员通常使用工作性指标来对比不同的处理器，看看谁的能力更强一些，下面就介绍一下常见的工作性能参数。3.1运算能力基本指标FLOP和IPC处理器的基本任务就是执行软件指令，如果一款处理器执行指令很快，那就侧面证明它的性能很强。技术人员就用执行指令的效率来评价处理器的性能，这个指标就是IPC（InstructionsperClockCycle，每周期指令数），它是一个相对指标，表示处理器在每一个时钟周期内执行指令的数量，因为不和频率挂钩，所以经常用来表示某个CPU架构的性能优良程度。用IPC和处理器的工作频率相乘，就得到了另一个指标MIPS（MillionInstructionsPerSecond，每秒执行百万条指令数），顾名思义，就是这款处理器每秒执行了几百万条指令，这是一个绝对指标，针对当前运行状态有效。这个指标的问题在于，不同环境、不同架构下，不同的处理器之间的指令没有可比性，虽然技术人员尽量使用同类型、功能相似的指令来对比，但其具体数值仍然只能作为参考。对于以上不足，工程师又创造了另一个指标FLOP（FloatingPointOperationsPerSecond，每秒浮点操作数），指的是某一款CPU在一秒之内进行标准浮点运算操作的数量，这个指标是从计算效果上来评价处理器的性能，有效避免了不同处理器架构之间的客观差异。但它依然存在着测试面偏窄的问题，例如定点数运算、矩阵转置运算等其他类型的计算就很难用这个指标评价，使其也只能用来做参考。3.2工作电压和发热工作电压是指CPU正常工作所需的电压，单位为伏特，适当提高工作电压，可以增强CPU内部的电信号幅度，增加CPU的稳定性，但同时也会导致CPU发热严重。当CPU过度发热时将会改变CPU的电气性能，影响系统工作的稳定性，降低CPU的使用寿命。评价处理器发热量的指标是TDP（ThermalDesignPower，热设计功耗），单位为瓦。这个指标仅具有参考意义，指的是匹配的散热器应当具有的最大散热能力，并不是一个严格的数值。CPU的真实发热量，受很多因素影响，是一个动态数值。随着制造工艺不断提高，光刻机制程的不断减小，CPU的工作电压也逐渐下降，同等性能下的耗电与发热都有所降低。3.3其他附加性能参数前文提到处理器除了基本的数值运算之外，还加入了加密机、NPU等部件，评价一款处理器的性能参数分项变得越来越多，因此软件厂商开发了一些专门用来测试处理器性能的软件，例如“鲁大师”，“PCMarkVantage”等，这些软件针对于CPU的各种应用性能细节，例如网页性能、图片性能、视频加速、AI性能、加解密速度、内存读写的多方面分别测试，对每项成绩加权求和，得出最终成绩，用来评价一款处理器的性能。所有的测试都有其局限性，需要根据具体应用环境作比较，结果仅具有参考意义。CPU必须安装在电脑主机板（简称主板）上，并依靠其提供的直流电能源和信息通路才能展开工作。CPU在工作时产生大量的热，为了散热还需要选配专用的散热器并安装在主板对应的位置上。本小节将介绍CPU的接口标准，常见CPU安装在主板接口上的方法，散热器选配的注意事项以及常见散热器的安装方法。任务3CPU及散热器的安装1.CPU的接口标准及性能指标当前的各生产厂家X86架构桌面处理器的接口都已使用LGA（LandGridArray，触点阵列封装）插座。相比于上一代的针孔的Socket插座，LGA插座使用金属导电弹簧片和CPU底面的平面触点接触传递电流，接触可靠性较高，传输电流较大，缺点是安装过程比较复杂，金属弹片在CPU多次拆装后容易折断，并且它不具有定位和固定能力，所以放置CPU时必须非常小心准确。虽然AMD公司已经把其最新处理器接口改为LGA类型，但仍按照旧习惯称作Socket接口。AMD目前有不兼容的SocketAM5和SocketsTR5两种接口，在外观和尺寸上二者相差较大，SocketAM5应用于主流平台。Intel市售桌面端产品有两种接口，分别是最新的LGA1851和上一代的LGA1700，它们尺寸基本相当，安装方法相同，本书仅介绍LGA1851的相关情况。2.CPU的安装因为AMD和Intel的桌面处理器安装方法非常相似，下面以Intel处理器为例介绍CPU的安装。2.1标准安装步骤1。右手适当用力向下微压固定CPU的“J”形拨杆，同时用力水平往外拉拨杆，使其脱离固定卡扣。步骤2。向上提起拨杆到垂直于主板，使压盖锁扣打开。步骤3。掀起插槽压盖。步骤4。打开CPU包装，检查是否完好。将CPU电路板上金色的小三角对准插座下方浅黑色塑料底座上的缺角，放置到插座内至水平状态，注意对准CPU侧面的缺口，置入后不得有水平方向的移动，如果位置未能对准，则需要竖直提起后重新对位。步骤5。盖上插槽压盖，左手按压压盖左上角，CPU插槽压盖上的塑料保护盖会自动弹出，保持左手不松手。注意，此保护盖不要丢弃，在主板返厂维修时还需使用。步骤6。依照步骤2和步骤1的反向顺序压下并固定好拨杆。2.2压圈式安装某些需要安装大重量散热器，或者需要使用液态金属导热剂的场合，LGA插槽上自带的压盖无法提供足够的压合力，就需要使用压圈式安装。步骤1。执行标准安装的步骤一至步骤四，利用放置到位的CPU保护接口金属弹片。步骤2。使用内六角螺丝刀拧松LGA插槽上自带压盖外侧的四颗螺丝。步骤3。按顺序取下压盖、“J”形拨杆、两侧连接金属条，仅留下包含了CPU的塑料底座。步骤4。盖上压圈，调整压圈到合适位置。步骤5。按照对角线法拧好四颗固定螺丝，每颗螺丝不要一次拧到底。3.散热器的选配当前大部分主流桌面CPU出售时均不再搭配散热器，自行组装计算机的用户需要自行选配。CPU散热器的主要作用是把CPU发出的热量传导至空气中，保证CPU的温度不超标。下面分别介绍一下散热器的参数和分类特征。（1）散热工作参数。主要包括散热功率，指散热器在单位时间内能够带走热量的数值，单位为瓦（W）；其他还有风扇风量、风压、噪音等指标。这些指标受到很多因素综合作用的结果，例如散热鳍片的尺寸、密度、材质，散热风扇的尺寸、转速，风扇的总重量等。这些因素往往同时包含着明显的优点和缺点，例如大尺寸散热鳍片和空气接触面积大，散热效果好，但不方便散热器的安装；高密度散热鳍片增大了鳍片总面积，但容易积累脏物，不易清理；纯铜鳍片导热效率最高，但容易氧化；低转速风扇噪音较低，但容易造成灰尘滞留；高性能散热器通常重量较大，需要专门的固定支架。所以在实际应用中，很少直接根据某个具体指标来选配散热器，而是需要多方面考虑，在散热效果、静音、易维护之间获得一个平衡。（2）接口形式。不同的CPU使用的接口扣件大小不一，用户需要根据选定CPU的接口规格选择合适的散