CPU基礎(chǔ)知識(shí)課件

CPU詳解知識(shí)講師:向怡鋒1可編輯課件PPT什么是CPU？CPU（CentralProcessingUnit，中央處理器）是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的部件，它由控制器和運(yùn)算器構(gòu)成?？刂破髫?fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算操作；運(yùn)算器主要負(fù)責(zé)對(duì)程序所執(zhí)行的指令進(jìn)行分析，并協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件進(jìn)行工作。2可編輯課件PPTCPU的工作原理CPU的工作原理就象一個(gè)工廠對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程：進(jìn)入工廠的原料（指令），經(jīng)過(guò)物資分配部門（控制單元）的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線（邏輯運(yùn)算單元），生產(chǎn)出成品（處理后的數(shù)據(jù)）后，再存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)（存儲(chǔ)器）中，最后等著拿到市場(chǎng)上去賣（交由應(yīng)用程序使用）。3可編輯課件PPTCPU性能指標(biāo)CPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，其性能可以反映出所配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，接下來(lái)我們簡(jiǎn)單介紹一下CPU主要的性能指標(biāo)。4可編輯課件PPTCPU核心類型為了便于CPU設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售的管理，CPU制造商會(huì)對(duì)各種CPU核心給出相應(yīng)的代號(hào)，即CPU核心類型。不同的CPU(不同系列或同一系列都會(huì)有不同的核心類型.同一種核心都會(huì)有不同版本類型(例如northwood核心就分為B0和C1等版本)，核心類型相應(yīng)制造工藝(例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等)、核心面積(決定CPU成本的關(guān)鍵因素，成本與核心面積基本上成正比)、核心電壓、電流大小、晶體管數(shù)量、各級(jí)緩存的大小、主頻范圍、流水線架構(gòu)和支持的指令集(決定CPU實(shí)際性能和工作效率的關(guān)鍵因素)、功耗和發(fā)熱量的大小、封裝方式(如:S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等)、接口類型(如:Socket370、SocketA、Socket478、SockeT、slot1、Socket940等)、前端總線頻率(FSB)等。因此、核心類型決定了CPU的工作性能。5可編輯課件PPTCPU核心類型Intel核心類型Tualatin:“圖拉丁”核心，采用0.13um制造工藝，封裝方式采用FC-PGA2和PPGA，核心電壓也降低到了1.5v左右，主頻范圍1GHz-1.4GHz,外頻分別100MHz(賽揚(yáng))和133MHz(PentiumIII)。Willamette核心：早期P4和C4采用的核心，采用0.18um制造工藝，前端總線為400MHz,主頻范圍1.3G-2.0G(socket423)和1.6G-2.0G(socket478)，L2分別為256K(P4)和128K(C)，此核心落后，發(fā)熱量大，被Northwood核心所取代。Northwood核心：它是目前主流P4和賽揚(yáng)所采用的核心，采用0.13um、socket478接口，電壓1.5v左右、L2分別有128k(賽揚(yáng))和512K(P4),前端總線為：400/533/800MHz(c只有400),主頻：2.0-2.8(c),1.6-2.6(400MHzFSBP4),2.26-3.06(533MHzFSBP4)和2.4-3.4(800MHzFSBP4)，并且3.06GP4和所有800MHzP4都支持超線程技術(shù)(HT),按INTEL規(guī)劃，Northwood會(huì)很快被prescott核心取代。prescott核心：它是Intel最新的CPU核心，目前只有P4采用，與Northwood區(qū)別是采用了0.09um制造工藝。核心電壓1.25－1.525V，前端為533(不支持HT)和800MHz(支持HT),主頻分別：533FSB的2.4G和2.8G以及800MHzFSB的2.8G、3.0G、3.2G、3.4G，與Northwood相比，其一級(jí)數(shù)據(jù)緩存從8K加到16k,二級(jí)從512k加到1MB，采用PPGA封裝.Prescott2M核心：是intel在臺(tái)式機(jī)上使用的核心，與Prescott不同，Prescott2M支持EM64T技術(shù)，也就是說(shuō)可以用超過(guò)4G內(nèi)存，屬于64位CPU，這是INTEL第一款使用64位技術(shù)的臺(tái)式CPU，prescott2M核心使用90nm，集成2M二級(jí)緩存，800/1066MHzFSB,目前P4的6系列和P4EE的CPU使用此核心.此處理器在低負(fù)載的時(shí)候降低工作頻率，這樣可以明顯降低熱量及功耗.6可編輯課件PPTCPU核心類型AMD核心類型1、AthlonXP核心：Palomino、Thoroughbred、Thorton、Barton2、新Duron核心：AppleBred３、Athlon64核心：Sledgehammer、Clawhammer、Newcastle、Wincheste、Troy、Venice、sanDiego、paris、palermo7可編輯課件PPTCPU核心類型雙核心類型雙核處理器就基于單個(gè)半導(dǎo)體的一個(gè)處理器上擁有兩個(gè)一樣功能的處理器核心，即是將兩個(gè)物理處理器核心整合入一個(gè)內(nèi)核中，事實(shí)上，雙核架構(gòu)并不是什么新技術(shù)，不過(guò)此前雙核心處理呂一直是服務(wù)器的專利，現(xiàn)在已經(jīng)開始普及到PC和筆記本電腦。INTEL雙核心處理器目前INTEL雙核心有PD、PentiumExtremeEdition,同時(shí)推出945/955芯片級(jí)來(lái)技術(shù)新推出的雙核心處理器，采用90nm工藝，這兩款雙核心處理器使用是沒有針腳的LGA775接口，但處理底部的貼片電容數(shù)目肯所增加，排列方式也有所不同。INTEL的雙核心構(gòu)架更像一個(gè)雙CPU平臺(tái)，PD內(nèi)核實(shí)際上由于兩個(gè)獨(dú)立的Prescott核心組成，每個(gè)核心擁有獨(dú)立的1MBL2及執(zhí)行單元，兩個(gè)核心加起來(lái)一共擁有2MB，但由于處理器的兩個(gè)核心都擁有獨(dú)立的緩存，因此必須保證每個(gè)L2當(dāng)中的信息完全一致，否則就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤。PD和PEE兩款名字上差別也預(yù)示著規(guī)格上也不盡相同，最大不同就是對(duì)于HT支持，PD不能支持HT，而PEE則沒有這方面限制，在打開HT情況下，PEE處理器能夠模擬出另處兩個(gè)邏輯處理器，可以被系統(tǒng)認(rèn)成四核心系統(tǒng)。ADM雙核心處理器AMD推出的雙核心分別是雙核心的Opteron系列和全新Athlon64X2系列，64X2是用以抗衡PD和PEE桌面雙核心。兩個(gè)采用的是Venice核心組合而成，每個(gè)核心擁有獨(dú)立的512KB(1MB)L2執(zhí)行單元。除了多出一個(gè)核心這外從架構(gòu)上相對(duì)于目前Athlon64在架構(gòu)上并沒有任何重大的改變，64X2仍然支持HyperTransport總線，并且內(nèi)建了支持雙通道的DDR內(nèi)在控制器。8可編輯課件PPT位和字長(zhǎng)位：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”。字長(zhǎng)：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)。字長(zhǎng)通常是指其數(shù)據(jù)總線寬度，也就是我們所說(shuō)的多少位處理器，是CPU數(shù)據(jù)處理能力的重要指標(biāo)，反映了處理器能夠處理的數(shù)據(jù)寬度、數(shù)度和速度等。現(xiàn)在的處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)線為32位，而外部數(shù)據(jù)線為64位，我們?nèi)苑Q它為32位處理器，它只是以64位方式與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。而AMD最新推出的Athlon64,它的內(nèi)部總線為64位，是真正意義上的64位處理器9可編輯課件PPT主頻主頻(ClockSpeed)也叫時(shí)鐘頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)振蕩的速度，也就是CPU運(yùn)算時(shí)的工作頻率，其單位是MHz。一般說(shuō)來(lái)，主頻越高，CPU的速度就越快，整機(jī)的就越高。10可編輯課件PPT外頻外頻是系統(tǒng)總線的始終頻率，簡(jiǎn)稱總線頻率，也就是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度，其單位是MHz。外頻主要由主板決定，外頻越高，CPU就可以同時(shí)接收更多的來(lái)自外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)，從而使整個(gè)系統(tǒng)的速度進(jìn)一步提高。11可編輯課件PPT倍頻倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。三者是有十分密切的關(guān)系的： 主頻=外頻×倍頻。12可編輯課件PPT緩存緩存又稱為高速緩存，是指可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的存儲(chǔ)器。CPU的緩存分為一級(jí)緩存（L1Cache）和二級(jí)緩存（L2Cache）。早期的CPU內(nèi)部只集成了L1Cache，而把L2Cache放置在主板上，現(xiàn)在已經(jīng)成功集成在CPU內(nèi)部并以CPU相同速度的頻率工作，稱為全速二級(jí)高速緩存。13可編輯課件PPT前端總線頻率前端總線頻率(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。由于數(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，即數(shù)據(jù)帶寬=(總線頻率x數(shù)據(jù)帶寬)/8。外頻與前端總線頻率的區(qū)別：前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度。也就是說(shuō),100MHz外頻特指民數(shù)字脈沖信號(hào)在每秒鐘震蕩一千萬(wàn)次；而100MHZ前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHZX64bit/byte=800MB/s 14可編輯課件PPT內(nèi)存總線速度內(nèi)存總線速度（Memory-BusSpeed，也就是系統(tǒng)總線速度）是CPU二級(jí)高速緩存和內(nèi)存之間的通信速度，主要用于協(xié)調(diào)內(nèi)存和CPU之間運(yùn)行速度的差異。15可編輯課件PPT擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線（Expansion-Bus）就是指安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的局部總線，如ISA或PCI總線，我們打開電腦的時(shí)候會(huì)看見一些插槽般的東西，這些就是擴(kuò)展槽，而擴(kuò)展總線就是CPU聯(lián)系這些外部設(shè)備的橋梁。16可編輯課件PPT協(xié)處理器協(xié)處理器也叫數(shù)學(xué)協(xié)處理器，主要負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算。自從486以后，CPU一般都內(nèi)置了協(xié)處理器，協(xié)處理器的功能也不再局限于增強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算，含有內(nèi)置協(xié)處理器的CPU，可以加快特定類型的數(shù)值計(jì)算。17可編輯課件PPT超線程技術(shù)(HT)超線程：(HyperThreading)技術(shù)是Intel開發(fā)出來(lái)的應(yīng)用在Pentium4處理器上的技術(shù)，它允許在單個(gè)Pentium4處理器上同時(shí)執(zhí)行2個(gè)線程（或軟件程序的一部分）。支持超線技術(shù)的操作系統(tǒng)(如WindowsXPprofessional)可將一個(gè)物理Pentium4處理器看作兩個(gè)虛擬處理器。通過(guò)利用其他閑置資源，在多任務(wù)環(huán)境中，含超線程技術(shù)的Pentium4處理器可使現(xiàn)有軟件實(shí)現(xiàn)明顯的性能提升，無(wú)需修改代碼。18可編輯課件PPT地址總線寬度地址總線寬度決定了CPU可以訪問(wèn)的物理地址空間，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是CPU到底能夠使用多大容量的內(nèi)存。386以上的微機(jī)系統(tǒng)，地址線的寬度為32位，最多可以直接訪問(wèn)4096MB（4GB）的物理空間。19可編輯課件PPT數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量的大小，而數(shù)據(jù)總線寬度則決定了CPU與二級(jí)高速緩存、內(nèi)存以及輸入/輸出設(shè)備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘俊?0可編輯課件PPT工作電壓工作電壓（SupplyVoltage）指的也就是CPU正常工作所需的電壓。早期的CPU（286～486時(shí)代）制造工藝相對(duì)落后，工作電壓一般為5V，導(dǎo)致CPU的發(fā)熱量太大，弄得壽命減短。隨著CPU的制造工藝與主頻的提高，現(xiàn)在CPU的工作電壓逐步下降，一般為1.5V～2.0V，解決了發(fā)熱過(guò)高的問(wèn)題，延長(zhǎng)了CPU使用壽命。21可編輯課件PPT動(dòng)態(tài)處理動(dòng)態(tài)處理是應(yīng)用在高能奔騰處理器中的新技術(shù)，創(chuàng)造性地把三項(xiàng)專為提高處理器對(duì)數(shù)據(jù)的操作效率而設(shè)計(jì)的技術(shù)融合在一起。這三項(xiàng)技術(shù)是多路分流預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)流量分析和猜測(cè)執(zhí)行。動(dòng)態(tài)處理并不是簡(jiǎn)單執(zhí)行一串指令，而是通過(guò)操作數(shù)據(jù)來(lái)提高處理器的工作效率。22可編輯課件PPT流水線流水線(pipeline)的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5~6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5~6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高了CPU的運(yùn)算速度。23可編輯課件PPT超標(biāo)量超標(biāo)量是指在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)CPU可以執(zhí)行一條以上的指令。這在486或者以前的CPU上是很難想象的，只有奔騰級(jí)以上CPU才具有這種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)；這是因?yàn)楝F(xiàn)代的CPU越來(lái)越多的采用了RISC技術(shù)，所以才會(huì)有超標(biāo)量的CPU。24可編輯課件PPTMMX指令集MMX（MultiMediaeXtension，多媒體擴(kuò)展指令集）是Intel公司在1996年推出的多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)。增加57條MMX指令，它允許CPU同時(shí)對(duì)2、4甚至8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，在處理多媒體的能力上提高了很多。25可編輯課件PPT3DNow！指令集3DNow！是第一種3D加速指令集，由AMD公司開發(fā)。它一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可同時(shí)處理4個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算指令或兩條MMX指令，其在3D處理能力方面，3DNow！的威力強(qiáng)大。26可編輯課件PPTSSE指令集SSE（StreamingSIMDExtensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展指令集）是Intel公司在PentiumIII處理器中率先推出的。它總計(jì)包括70條指令：50條SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）浮點(diǎn)指令，主要用于3D處理；12條新MMX指令，和舊的MMX指令一起加速系統(tǒng)整數(shù)運(yùn)算速度；8條系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)流傳輸優(yōu)化指令。從軟件實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看SSE比3DNow！更勝一籌，27可編輯課件PPT制造工藝制造工藝雖然不會(huì)直接影響CPU的性能，但它可以可以極大地影響CPU的集成度和工作頻率，制造工藝越精細(xì)，CPU可以達(dá)到的頻率越高，集成的晶體管就可以更多。從早期的0.5微米到現(xiàn)在的0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米甚至更小。28可編輯課件PPTCPU發(fā)展歷程CPU的發(fā)展非常迅速，就像列不斷在加速的列車一樣。個(gè)人電腦從8088(XT)發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium4時(shí)代，只經(jīng)過(guò)了不到二十年的時(shí)間。從生產(chǎn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，最初的8088集成了29000個(gè)晶體管，而PentiumⅢ的集成度超過(guò)了2810萬(wàn)個(gè)晶體管；CPU的運(yùn)行速度，以MIPS(百萬(wàn)個(gè)指令每秒)為單位，8088是0.75MIPS，到高能奔騰時(shí)已超過(guò)了1000MIPS。29可編輯課件PPT常見的CPU主流品牌英特爾（INTEL）超微（AMD）30可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentium（奔騰）Pentium（奔騰）是Intel公司于1993年推出的新一代微處理器，集成16KB的L1高速緩存，L2高速緩存則做在主板上。接著Intel推出使用MMX技術(shù)的PentiumMMX（多能奔騰）和PentiumPro（高能奔騰）。31可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentium（奔騰）正面Pentium（奔騰）背面32可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentiumMMX（多能奔騰）正面PentiumMMX（多能奔騰）背面33可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentiumII（奔騰2）PentiumII與以往的Pentium處理器使用了不同的封裝方式，它將處理器放到了盒中，采用SLOT1模式的插座。34可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentiumII（奔騰2）正面PentiumII（奔騰2）側(cè)面35可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentiumIII（奔騰3）PentiumIII有兩種規(guī)格，一種采用了與PentiumII相同的SLOT1規(guī)格；另一種采用Socket370規(guī)格。CPU內(nèi)部集成了64K的一級(jí)緩存，512K的二級(jí)緩存仍然安裝在SLOT1的卡盒內(nèi)。36可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentiumIII（奔騰3）Slot1PentiumIII（奔騰3）Socket37037可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentium4（奔騰4）2001年11月20日Intel推出了Pentium4處理器，在Pentium4中Intel使用了全新的x86體系結(jié)構(gòu)，在指令集上也做了很大的改進(jìn)，增加了新的SSE2特殊指令集。內(nèi)部集成8KB一級(jí)高速執(zhí)行緩存，256KB二級(jí)高速緩存。38可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentium4（奔騰4）正面Pentium4（奔騰4）背面39可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUPentium4（奔騰4）正面Pentium4（奔騰4）背面40可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUCeleron（塞揚(yáng)）塞揚(yáng)屬于Pentium的低價(jià)位版本，最開始的時(shí)候它是將PentiumII處理器的二級(jí)Cache去掉，并簡(jiǎn)化了封裝形式，以后它也包含了128K二級(jí)緩存。41可編輯課件PPT英特爾（Intel）CPUCeleron（塞揚(yáng)）早期產(chǎn)品Celeron（塞揚(yáng)）后期產(chǎn)品42可編輯課件PPT超微（AMD）CPUAMDK6-2AMDK6-2是AMD（超微）公司推出的與PentiumII抗衡、面向低端市場(chǎng)的處理器，率先支持“3Dnow！”指令集，它大大加強(qiáng)了處理3D圖形和多媒體所需的密集浮點(diǎn)運(yùn)算能力。43可編輯課件PPT超微（AMD）CPUAMDK6-244可編輯課件PPT超微（AMD）CPUAMDK6-IIIAMD的K6-III是K6-2的加速版，同樣支持“3DNow！”指令集，性能比K6-2增加不少。K6-