第3章 中央處理器

計(jì)算機(jī)組裝與系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)清華大學(xué)出版社第三章中央處理器第三章中央處理器本章重點(diǎn)內(nèi)容了解CPU發(fā)展史 掌握CPU的主要技術(shù)指標(biāo)熟練掌握CPU的結(jié)構(gòu)及工作原理第三章中央處理器本章難點(diǎn)內(nèi)容CPU主要技術(shù)指標(biāo)CPU的工作原理第三章中央處理器3.1CPU簡(jiǎn)介CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成。指令控制：也稱(chēng)程序的順序控制，控制程序嚴(yán)格按照規(guī)定的順序執(zhí)行。操作控制：將取出的指令產(chǎn)生的一系列控制信號(hào)（微指令），分別送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行工作。時(shí)間控制：有些控制信號(hào)在時(shí)間上有嚴(yán)格的先后順序，如讀取存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，只有當(dāng)?shù)刂肪€信號(hào)穩(wěn)定以后，才能通過(guò)數(shù)據(jù)線將所需的數(shù)據(jù)讀出，這樣計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理。

CPU的基本功能：第三章中央處理器目前，CPU運(yùn)算速度已經(jīng)以GHz單位來(lái)衡量，并且按照其處理信息的字長(zhǎng)，經(jīng)歷了4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及現(xiàn)在的64位微處理器，可以說(shuō)個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進(jìn)。63.2CPU的發(fā)展歷史3.2.1Intel系列CPU1．8088，80862．80286第三章中央處理器3．803864．804865．Pentium第三章中央處理器6．PentiumIIPentiumIICPUCeleronCPU7．PentiumIII8．Pentium4第三章中央處理器9．PentiumD10．PentiumE11．Core

12．Core2第三章中央處理器3.2.2AMD系列CPU1．第一階段從涉足個(gè)人計(jì)算機(jī)微處理器產(chǎn)品至K6階段。初期的產(chǎn)品策略主要是以較低廉的產(chǎn)品價(jià)格為主，雖然最高性能不比同期的Intel產(chǎn)品弱，但卻擁有較佳的性?xún)r(jià)比。

第三章中央處理器3.2.2AMD系列CPU2．第二階段

K7階段。K7的性能尤其是在浮點(diǎn)運(yùn)算能力方面，受到不少DIY（自行組裝計(jì)算機(jī)）用戶(hù)的歡迎。由于相對(duì)于Intel，AMD對(duì)于CPU的倍頻鎖定限制較松，因此廣受許多超頻用戶(hù)的歡迎。但由于缺乏過(guò)熱保護(hù)，超頻過(guò)度的K7系列CPU有較高的燒毀風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致部分消費(fèi)者對(duì)其穩(wěn)定度的信心偏低。

第三章中央處理器3.2.2AMD系列CPU3．第三階段

K8階段，是AMD第8代處理器系列的通稱(chēng)，也是從32位的x86平臺(tái)與64位的AMD64平臺(tái)的過(guò)渡的時(shí)代。由于先于Intel進(jìn)入64位CPU的市場(chǎng)，使得AMD在64位CPU的領(lǐng)域有比較早發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，此階段的AMD產(chǎn)品仍采取了一貫的低主頻高性能策略，重點(diǎn)解決因?yàn)殡姎庑阅苡邢匏鶎?dǎo)致CPU不穩(wěn)定和發(fā)熱量、耗電功率過(guò)大的問(wèn)題。AMD第8代處理器系列主要有Athlon64X2、Athlon64FX、Athlon64、Sempron(K8)（有一部分型號(hào)為K7系列）Opteron(K8)Turion64(K8)等。第三章中央處理器我國(guó)自己的CPU

從左到右分別是：龍芯1號(hào)、龍芯2B和龍芯2E處理器第三章中央處理器3.3.1CPU的組成3.3CPU的組成與結(jié)構(gòu)控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備數(shù)據(jù)地址或指令控制CPU第三章中央處理器奔騰二的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.3.2CPU的結(jié)構(gòu)散熱器裝置支撐墊內(nèi)核（die）產(chǎn)品LOGO產(chǎn)品標(biāo)簽基板（a）產(chǎn)品型號(hào)金屬蓋基板產(chǎn)品LOGO（b）從外部物理構(gòu)造的角度上看，目前的CPU主要由基板、內(nèi)核、針腳、基板之間的填充物以及散熱器裝置支撐墊等組成。第三章中央處理器CPU內(nèi)核（Die）又稱(chēng)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，是由單晶硅以一定的生產(chǎn)工藝制造出來(lái)的，CPU所有的計(jì)算、接受/存儲(chǔ)命令、處理數(shù)據(jù)都由內(nèi)核執(zhí)行。1．CPU內(nèi)核2．基板CPU基板是承載CPU內(nèi)核用的電路板，是核心和針腳的載體。它負(fù)責(zé)內(nèi)核芯片和外界的一切通訊，并決定這一顆芯片的時(shí)鐘頻率。3．填充物CPU內(nèi)核和CPU基板之間往往還有填充物，填充物的作用是用來(lái)緩解來(lái)自散熱器的壓力以及固定芯片和電路基板。第三章中央處理器封裝對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)是必須的，也是至關(guān)重要的。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。4．CPU封裝INTELCore2Duo處理器封裝前后的芯片第三章中央處理器CPU和主板連接的接口，目前，接口類(lèi)型主要有：引腳式、卡式、觸點(diǎn)式、針腳式等，對(duì)應(yīng)到主板上就有相應(yīng)的插槽（slot）或插座（socket）。5．接口類(lèi)型第三章中央處理器1．主頻3.4CPU的主要技術(shù)指標(biāo)2．外頻3．倍頻4．前端總線(FSB)頻率5．CPU的位和字長(zhǎng)第三章中央處理器1.主頻主頻即CPU的時(shí)鐘頻率（CPUClockSpeed）,是指在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，一般單位用GHz。主頻=外頻×倍頻2.外頻

外頻即CPU工作時(shí)的基準(zhǔn)頻率，其數(shù)值一般等于CPU的二級(jí)緩存和內(nèi)存間的工作頻率。外頻越高，則表示CPU在相同時(shí)間內(nèi)能接收的數(shù)據(jù)就越多，系統(tǒng)的處理能力也就越強(qiáng)。如酷睿2雙核E6300型CPU的外頻為266MHz。3.倍頻

倍頻是CPU運(yùn)行頻率與主板上主要元件工作頻率之間差距的參數(shù)，通常其數(shù)值為一個(gè)正整數(shù)。如目前酷睿2雙核E6300型CPU的倍頻為7。4.前端總線頻率前端總線頻率（FSB），也稱(chēng)為總線頻率。是直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。數(shù)據(jù)帶寬＝（前端總線頻率×數(shù)據(jù)位寬）/8。數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率。如目前酷睿2雙核E6300型CPU的前端總線頻率為1066MHz，其CPU的位寬為64位，CPU的最大數(shù)據(jù)交換速度為：1066MHz×64bit÷8≈8.5GB/s?，F(xiàn)在的支持64位的至強(qiáng)Nocona，前端總線是800MHz，數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬是6.4GB/秒。5.CPU的位和字長(zhǎng)位（bit）：在數(shù)字電路和電腦技術(shù)中采用二進(jìn)制，代碼只有“0”和“1”，其中無(wú)論是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。字節(jié)（Byte）：由于位的單位太小，又引入了一個(gè)新的計(jì)量計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)大小的單元，即1B＝8b。字長(zhǎng)：電腦技術(shù)中對(duì)CPU在單位時(shí)間內(nèi)(同一時(shí)間)能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)。所以能處理字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時(shí)間內(nèi)處理字長(zhǎng)為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。字節(jié)和字長(zhǎng)的區(qū)別：常用的英文字符用8位二進(jìn)制就可以表示，所以通常就將8位稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)。字長(zhǎng)的長(zhǎng)度不固定，對(duì)于不同的CPU、字長(zhǎng)的長(zhǎng)度不一樣。8位的CPU一次只能處理一個(gè)字節(jié)，而32位的CPU一次就能處理4個(gè)字節(jié)，同理字長(zhǎng)為64位的CPU一次可以處理8個(gè)字節(jié)。3.4CPU的主要技術(shù)指標(biāo)6．緩存（CACHE）緩存的工作原理：當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從緩存中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒(méi)有找到，就從速度相對(duì)慢的內(nèi)存中讀取，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，以便以后能夠快速地從緩存中讀取該數(shù)據(jù)，而不必再去讀內(nèi)存。第三章中央處理器CPU依靠指令來(lái)計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。、1）CISC指令集2）RISC指令集3）MMX指令集4）SSE指令集5）SSE2指令集6）SSE3指令集7）SSE4指令集8）3DNow!指令集7．指令集第三章中央處理器CISC（ComplexInstructionSetComputer）復(fù)雜指令集。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個(gè)操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。RISC（ReducedInstructionSetCom