第4章中央處理器

1、4.1 CPU的基本構(gòu)成和工作原理 4.1.1 CPU的基本構(gòu)成CPU（Central Processing Unit)是計算機的心臟，包括運算器、寄存器、控制部件等。4.2 CPU 分類按照其處理信息的字長，CPU可以分為：四位微處理器、八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等等。根據(jù)生產(chǎn)的廠家分類:Intel、AMD、VIA、龍芯等，此外在嵌入式領(lǐng)域等方面也有多個公司進行CPU的研發(fā)，如三星公司等。根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)特點分類：Inter的主要系列有：酷睿系列、奔騰系列、賽揚系列等；AMD有：羿龍系列、速龍系列、閃龍系列等。 根據(jù)CPU的制作工藝：分為90納米、65納米

2、、45納米、32納米以及最新的22納米等；根據(jù)插槽類型：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的技術(shù)指標1、主頻主頻也叫時鐘頻率，單位是MHz，用來表示CPU的運算速度。2、外頻CPU的外頻是CPU與主板之間同步運行的速度3、倍頻系數(shù)倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關(guān)系。4、超頻是把CPU的工作時鐘調(diào)整為略高于CPU的規(guī)定值，企圖使之超高速工作。CPU 工作頻率=倍頻外頻。提升CPU的主頻可以通過改變CPU的倍頻或者外頻來實現(xiàn)。5、前端總線前端總線(

3、FSB)指CPU與北橋芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸總線，前端總線頻率(即總線頻率)是直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。6、QPI(Quick Path Interconnect)“快速通道互聯(lián)”，取代前端總線(FSB)的一種點到點連接技術(shù)。7、字長CPU的字長通常是指內(nèi)部數(shù)據(jù)的寬度，單位是二進制的位（bit）。它是CPU數(shù)據(jù)處理能力的重要指標，反映了CPU能夠處理的數(shù)據(jù)寬度、精度、和速度等，因此常常以字長位數(shù)來稱呼CPU。8、緩存緩存的大小是CPU的重要指標之一，緩存的結(jié)構(gòu)和大小對CPU速度的影響非常大。緩存可以分為：一級緩存、二級緩存和三級緩存。L1Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存，分

4、為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內(nèi)置的L1高速緩存的容量和結(jié)構(gòu)對CPU的性能影響較大，L1級高速緩存的容量不可能做得太大。L2Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存，L2高速緩存容量也會影響CPU的性能，原則是越大越好，以前家庭用CPU容量最大的是512KB，現(xiàn)在酷睿i系列的已經(jīng)可以達到1.5MB；而服務器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高，可以達到8M以上。L3Cache(三級緩存)，分為兩種，早期的是外置，現(xiàn)在的都是內(nèi)置的。9、指令集CPU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強弱也是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效

5、工具之一。10、制造工藝CPU的制造工藝通常以CPU核心制造的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)“蝕刻尺寸”來衡量11、工作電壓CPU內(nèi)核和I/O工作電壓從586CPU開始，CPU的工作電壓分為內(nèi)核電壓和I/O電壓兩種，通常CPU的核心電壓小于等于I/O電壓。12、核心（Die） 又稱為內(nèi)核，是CPU最重要的組成部分。CPU中心那塊隆起的芯片就是核心。13、核心類型CPU制造商對各種CPU核心給出相應的代號，這也就是所謂的CPU核心類型。不同的CPU（不同系列或同一系列）都會有不同的核心類型 ，甚至同一種核心都會有不同版本的類型14、cpu核心微架構(gòu)CPU架構(gòu)是指的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也就是CPU內(nèi)部各種元件的排列方式，和元

6、件的種類 。15、多線程同時多線程（Simultaneous Multithreading），簡稱SMT。SMT可通過復制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個處理器上的多個線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可最大限度地實現(xiàn)寬發(fā)射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關(guān)或Cache未命中帶來的訪問內(nèi)存延時。16、多線程同時多線程（SMT，Simultaneous Multithreading）可通過復制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個處理器上的多個線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可最大限度地實現(xiàn)寬發(fā)射、亂序的超標量處理，提高處理器運算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關(guān)或Cache未

7、命中帶來的訪問內(nèi)存延時。17、虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)與多任務以及超線程技術(shù)是完全不同的。多任務是指在一個操作系統(tǒng)中多個程序同時并行運行，而在虛擬化技術(shù)中，則可以同時運行多個操作系統(tǒng)，而且每一個操作系統(tǒng)中都有多個程序運行，每一個操作系統(tǒng)都運行在一個虛擬的CPU或者是虛擬主機上；而超線程技術(shù)只是單CPU模擬雙CPU來平衡程序運行性能，這兩個模擬出來的CPU是不能分離的，只能協(xié)同工作。18、動態(tài)加速技術(shù)4.4 CPU的封裝形式CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設(shè)計。根據(jù)CPU的安裝形式來看，可以分為：Socket和Slot兩種。 SlotA插槽 SocketACPU的器件集成封裝是采用特定

8、的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。芯片的封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP、QFP、PGA、BGA到LGA封裝，技術(shù)指標一代比一代先進，包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越好，引腳數(shù)增多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，使用更加方便等等。主流的CPU封裝特點介紹（1）Socket 775又稱為Socket T，是應用于Intel LGA775封裝的CPU所對應的處理器插槽，能支持LGA775封裝的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D等CPU。（2）LGA

9、1156又叫做Socket H，是Intel在LGA775與LGA 1366之后的CPU插槽。它也是Intel Core i3/i5/i7處理器器（Nehalem系列）的插槽，讀取速度比LGA 775高，LGA1156意思是采用1156針的CPU。(3)LGA 1366接口又稱Socket B，逐步取代流行多年的LGA 775。從名稱上就可以看出,LGA 1366要比LGA 775多出越600個針腳,這些針腳會用于QPI總線、三條64bit DDR3內(nèi)存通道等連接。（4）LGA 1155接口又叫做Socket H2，是Intel在2011年將推出的新核心Sandy Bridge所采用的接口，相

10、比目前的LGA 1156接口將減少1個觸點，并且兩者是互不兼容的；除了在觸點數(shù)量上的變化外，兩種處理器邊上的凹痕位置亦不一致，LGA 1155的為11.5mm而LGA 1156的為9mm，所以LGA 1156主板是絕對不兼容LGA1155處理器的。（5）LGA 2011接口則是LGA 1366接口的升級，該系列的CPU也是采用Sandy Bridge核心。LGA2011接口將會有2011個觸點。（6）LGA 1150是Intel2013年最新的桌面型CPU插座，供基于Haswell微架構(gòu)的處理器使用。將取代現(xiàn)行的LGA 1155（Socket H2）。LGA 1150的插座上有1150個突出的

11、金屬接觸位，處理器上則與之對應有1150個金屬觸點。（7）AM2接口是AMD的上一代接口，其針腳是940個針腳。（8）AM2+接口是AM2升級，AM2+（接口也為940針）在2007年的第三季度上市。（9）AM3接口是AMD繼Socket AM2+后最新推出的CPU插座，支持HyperTransport 3.0，它有941個接觸點，內(nèi)置的內(nèi)存控制器能支援DDR3。（10）AM3+是AMD 2011年發(fā)布的接口，取代上一代Socket AM3并支持AMD新一代32納米處理器AMD FX。它支援HyperTransport 3.1，主板插座有942個接口，僅比Socket AM3多一個接口，接口排

12、布基本與Socket AM3一致。(11)FM2是AMD是2012年推出的全新架構(gòu)的Trinity APU桌面平臺的CPU插座。最高支持4核設(shè)計和4MB L2緩存，內(nèi)置全新雙通道內(nèi)存控制器,最高支持DDR3 1866規(guī)格的內(nèi)存并可以支持1.25V標準的低電壓版本DDR3內(nèi)存。(12)FM2+是 AMD的三代APU“Richland”的標準接口，需要注意的是配備FM2+接口的主板可以兼容使用目前的FM2接口CPU。4.5 PC的CPU的類型微機的核心部件是中央處理器CPU，微機的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而發(fā)展的。而在CPU的發(fā)展過程中，Intel與AMD兩個公司的競爭史成為了CPU發(fā)展的主旋律。4

13、.5.1 過去的CPUCPU的溯源可以一直去到1971年。在那一年，當時還處在發(fā)展階段的INTEL公司推出了世界上第一臺微處理器4004。1978年，Intel公司再次領(lǐng)導潮流，首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i80861979年，INTEL公司推出了8088芯片1981年8088芯片首次用于IBM PC機中，開創(chuàng)了全新的微機時代1982年，INTE推出了劃時代的最新產(chǎn)品棗80286芯片1985年INTEL推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一種32位微處理器1989年，我們大家耳熟能詳?shù)?0486芯片由INTEL推出，這種芯片的偉大之處就在于它實破了100萬個晶體管的界限，集成

14、了120萬個晶體管1993年Intel公司發(fā)布了第五代處理器Pentium（中文名“奔騰”）1998年Intel公司推出了PentiumCPU2000年7月Intel發(fā)布了Pentium 4處理器4.5.2 目前主流的CPU1、目前市面上的主流CPU綜述在Intel方面：賽揚作為一款經(jīng)濟型處理器，是Intel的低端入門級產(chǎn)品。賽揚基本上可以看作是同一代奔騰的簡化版。奔騰雙核，英文名為Pentium dual-core，采用與酷睿系列采用相同的架構(gòu)，可以說奔騰雙核是酷睿的簡化版。酷睿i3是酷睿i5的精簡版，是面向主流用戶的CPU家族標識。擁有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派生的中低級版本，面向性能級用戶的CPU家族標識。第四代的i5采用Haswell架構(gòu)，擁有四核四線程的設(shè)計，集成HD Graphics 4600核芯顯卡。設(shè)計熱功耗(TDP)為84W，支持DDR3-1600規(guī)則的內(nèi)存。與同架構(gòu)的i3相比，三級緩存上達到6M，而且支持TDP技術(shù)和Virtualization(虛擬化)技術(shù)。酷睿i7是Intel的旗艦產(chǎn)品，是面向高端用戶的CPU家族標識。第四代的i7也是采用Haswell架構(gòu)，均為四核八線程設(shè)計，集成H

16、D Graphics 4600核芯顯卡。設(shè)計熱功耗(TDP)為84W，支持DDR3-1600規(guī)則的內(nèi)存。三級緩存上達為8M，此外還支持超線程技術(shù)。在AMD方面APU(Accelerated Processing Unit)中文名字叫加速處理器，是目前AMD公司致力打造的系列，是AMD“融聚未來”理念的產(chǎn)品，它第一次將中央處理器和獨顯核心做在一個晶片上，它同時具有高性能處理器和最新獨立顯卡的處理性能，支持DX11游戲和最新應用的“加速運算”，大幅提升了電腦運行效率，實現(xiàn)了CPU與GPU真正的融合。在AMD的產(chǎn)品線的布局上，也是著力打造全面的APU產(chǎn)品系列，目前在售的包括入門級的A4、A6到中端的

17、A8和中高端的A10。FX則是AMD的旗艦級產(chǎn)品，自2011年的第一代Bulldozer（推土機），2012年第二代的Piledriver（打樁機）以及計劃中的2013年第三代的Steamroller（壓路機）。目前市面上所出售的最強性能所采用的是32nm的工藝、AM3+接口，8核心8進程的設(shè)計。2、目前市場上流行CPU的檔次及型號3、INTEL的酷睿i系列主要型號及參數(shù)比較4、酷睿i系列CPU的新技術(shù)（1）HT 超線程技術(shù)超線程技術(shù)，它是利用特殊的硬件指令，把兩個邏輯內(nèi)核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高CPU的

18、運行效率?；贜ehalem架構(gòu)的Core i7引入超線程技術(shù)，使四核的Core i7可同時處理八個線程操作，大幅增強其多線程性能。四核的Corei7超線程技術(shù)的工作原理（2）睿頻加速技術(shù)（Turbo Boost Mode ）Turbo Boost，顧名思義，就是加速技術(shù)，它基于Nehalem架構(gòu)的電源管理技術(shù)，通過分析當前CPU的負載情況，智能地完全關(guān)閉一些用不上的核心，把能源留給使用中的核心，并使它們運行在更高的頻率，進一步提升性能；相反，需要多個核心時，動態(tài)開啟相應的核心，智能調(diào)整頻率。這樣，在不影響CPU的TDP（熱功耗設(shè)計）情況下，能把核心工作頻率調(diào)得更高。睿頻加速技術(shù)示意圖（3）智能緩存技術(shù)Nehalem架構(gòu)除了以上兩大特性外還有一個值得提及的新設(shè)計概念，這就是三級緩存。四核酷睿i7/i5處理器中，每一款產(chǎn)品都擁有8MB的三級緩存，而在最新的六核酷睿i7 980X中，三級緩存的容量被提高到了12MB，進一步提高了CPU命中數(shù)據(jù)的準確率從而提高了運算效率。5、典型CPU舉例（1）酷睿i3 530?？犷3530結(jié)構(gòu)和實物圖（2）酷睿i7 4770處理器?？犷7 4770處理器是隸屬于Intel處理器家族的第四代酷睿i7系列。新架構(gòu)改善了CPU性能、增強超頻，創(chuàng)新的將VR(電壓調(diào)節(jié)器)整合到處理器內(nèi)部，降低了主板的供電設(shè)計難度，并