大一統(tǒng)與秦朝中央集權(quán)制度的確立7-岳麓版

第2章中央處理器科學(xué)出版社第2章中央處理器科學(xué)出版社本章主要介紹CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識、CPU性能指標(biāo)、CPU封裝技術(shù)、主流CPU發(fā)展過程及特點(diǎn)、CPU發(fā)展新構(gòu)架和迅馳技術(shù)等內(nèi)容。在學(xué)習(xí)過程中要求掌握CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識與基本概念，以及CPU相關(guān)性能指標(biāo)與特點(diǎn)；同時要求了解CPU的封裝技術(shù)的相關(guān)知識、主流CPU的發(fā)展過程、CPU發(fā)展的新構(gòu)架及迅馳技術(shù)。本章要點(diǎn)本章主要介紹CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識、CPU性能指標(biāo)、CPU封裝2CPU相關(guān)基礎(chǔ)知識的理解CPU性能指標(biāo)的理解CPU新構(gòu)架相關(guān)知識的理解本章難點(diǎn)CPU相關(guān)基礎(chǔ)知識的理解本章難點(diǎn)3CPU常用到的一些概念與術(shù)語：SIMD（SingleInstructionMultipleData，單指令多數(shù)據(jù)流）：單條指令同時處理多個數(shù)據(jù)，即單條指令可以并行執(zhí)行多個數(shù)據(jù)。MMX（MultiMediaExtensions，多媒體擴(kuò)展指令集）：共有57條指令，是Intel公司開發(fā)的第一代SIMD指令集，它允許CPU同時對2～4個甚至8個數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。3DNow!（3DNoWaiting）：AMD開發(fā)的SIMD指令集，共有21條指令，克服了MMX沒有浮點(diǎn)處理能力的弱點(diǎn)，但由于指令條數(shù)有限，僅增強(qiáng)了3D游戲功能。SSE（StreamingSIMDExtensions，單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展）：也叫KNI指令集，為Intel開發(fā)的第二代SIMD指令集，增加了50條SIMD浮點(diǎn)指令。2.1CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識(1)CPU常用到的一些概念與術(shù)語：2.1CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識4KNI（KatmaiNewInstructions，Katmai新指令集）：即SSE。

RISC（ReducedInstructionSetComputing，精簡指令集計(jì)算機(jī)）：只有最常用的基本指令集。CISC（ComplexInstructionSetComputing，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）：相對于RISC而言，它的指令位數(shù)較長，且指令系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。Post-RISC：內(nèi)核是RISC，外圍是CISC，結(jié)合了兩種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。InstructionsCache（指令緩存）：主內(nèi)存與CPU之間的快速存儲區(qū)域。COB（CacheOnBoard，板上集成緩存）：在處理器卡上集成的緩存，即為二級緩存。2.1CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識(2)KNI（KatmaiNewInstructions，Ka5COD（CacheOnDie，芯片內(nèi)集成緩存）：在處理器芯片內(nèi)部集成的緩存，即為一級緩存。PSN（ProcessorSerialNumbers，處理器序列號）：標(biāo)識處理器特性的一組號碼，這些信息記錄在CPU中，可利用專用軟件讀取，識別CPU真?zhèn)巍dentify（鑒別號碼）：打印在CPU芯片上，用于判斷不同芯片的識別代碼。IA（IntelArchitecture，Intel架構(gòu)）：Intel公司開發(fā)的x86芯片結(jié)構(gòu)。IA-64：Intel采用EPIC（ExplicitlyParallelInstructionComputers，精確并行指令計(jì)算機(jī)）技術(shù)開發(fā)的64位處理器。NI（Non－Intel，非Intel架構(gòu)）：為Intel兼容產(chǎn)品。2.1CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識(3)COD（CacheOnDie，芯片內(nèi)集成緩存）：在處理器6多核心：單芯片多處理器（Chipmultiprocessors，簡稱CMP）。IPC（InstructionsPerClockCycle，指令/時鐘周期）：表示在一個時鐘周期內(nèi)可以完成的指令數(shù)目。Latency（潛伏期）：完全執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)。Throughput（吞吐量）：在單位時間內(nèi)可以執(zhí)行的最多指令條數(shù)。PIB（ProcessorInaBox，盒裝處理器）：CPU廠商正式在市面上發(fā)售的產(chǎn)品。Remark（芯片頻率重標(biāo)識）：非法經(jīng)銷商把低檔的CPU貼上高檔的CPU進(jìn)行銷售，這種做法稱為Remark。2.1CPU相關(guān)的基礎(chǔ)知識(4)多核心：單芯片多處理器（Chipmultiprocesso72.2CPU性能指標(biāo)1．主頻CPU主頻，亦稱內(nèi)頻，即為CPU運(yùn)行頻率，也就是CPU中的主時鐘不斷產(chǎn)生的固定頻率的時鐘脈沖，它控制著CPU工作節(jié)拍。主頻越高，CPU工作節(jié)拍就越快，運(yùn)算速度也就越高。主頻常用一秒鐘內(nèi)處理器所能發(fā)出電子脈沖數(shù)來測定，計(jì)量單位一般為兆赫、千兆赫（MHz、GHz）。如Celeron433、PentiumIII550中的433和550都是指CPU的主頻。2.2CPU性能指標(biāo)1．主頻82．外頻外頻是指CPU與周邊部件傳輸數(shù)據(jù)的頻率，具體是指CPU到芯片組之間的總線速度，因此外頻亦稱為前端總線頻率。主頻（內(nèi)頻）總要比外頻快，通常為一倍數(shù)（倍頻），內(nèi)頻=外頻×倍頻。如P90主頻為90MHz，外頻是60MHz，相差1.5倍（90=60×1.5）。前端總線（FSB）頻率是影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度的主要因素。數(shù)據(jù)帶寬＝（總線頻率×數(shù)據(jù)位寬）/8，如支持64位的至強(qiáng)Nocona，前端總線是800MHz，按照公式，其最大帶寬=（800MHz×64）/8=6.4GB/秒。2．外頻外頻是指CPU與周邊部件傳輸數(shù)據(jù)的頻率，具體是指C93．運(yùn)算速度運(yùn)算速度是指CPU每秒鐘能執(zhí)行指令的條數(shù)；MIPS用來描述計(jì)算機(jī)的定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算速度的單位；MFLOPS用來描述計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算速度的單位；浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力越強(qiáng)，CPU處理圖形速度就越快。3．運(yùn)算速度運(yùn)算速度是指CPU每秒鐘能執(zhí)行指令的條數(shù)；104．總線寬度總線是微處理器與外圍設(shè)備之間傳送信息的一組公共信號線，總線寬度是指這組公共信號線的根數(shù)?？偩€由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三部分組成。一般PC系統(tǒng)的總線可分為4個層次。片內(nèi)總線：指微處理器內(nèi)部各功能單元的連線，延伸到CPU外，又稱CPU總線。片間總線：指PC主板上以微處理器為核心與各部件間的連線。系統(tǒng)總線：指主板上擴(kuò)展槽與擴(kuò)展卡間連接的總線。外總線：指PC與PC或外設(shè)之間通信的總線。4．總線寬度總線是微處理器與外圍設(shè)備之間傳送信息的一組公共115．一級緩存與二級緩存一級緩存也稱L1高速緩存，它封裝在CPU芯片內(nèi)部的高速緩存，用于暫時存儲CPU運(yùn)算時的部分指令和數(shù)據(jù)，存取速度與CPU主頻相近。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，一級緩存容量越大，則CPU處理速度就會越快，對應(yīng)的CPU價(jià)格也就越高。二級緩存亦稱L2高速緩存，指CPU外部的高速緩存。二級緩存越大，則CPU處理速度就越快，整臺計(jì)算機(jī)性能也就越好。5．一級緩存與二級緩存一級緩存也稱L1高速緩存，它封裝在C12CPU、內(nèi)存、緩存結(jié)構(gòu)圖CPU、內(nèi)存、緩存結(jié)構(gòu)圖136．采用的指令集計(jì)算機(jī)中的每一條指令都可以完成一個獨(dú)立的邏輯、算術(shù)運(yùn)算或某種操作，而一臺計(jì)算機(jī)中所有指令的集合稱為該計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，也稱為指令集。指令是軟件與硬件的接口，它是程序設(shè)計(jì)的最小單位，也是設(shè)計(jì)硬件的依據(jù)，因此指令集是表征一臺計(jì)算機(jī)性能的重要因素。CPU采用的是Intel公司的MMX指令技術(shù)，還是SSE指令技術(shù)，將對計(jì)算機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響。6．采用的指令集計(jì)算機(jī)中的每一條指令都可以完成一個獨(dú)立的邏147．制造工藝CPU芯片中集成的是晶體管，為了提高CPU的速度，最重要的是如何在相同的CPU面積里集成更加多的晶體管，一般方法只能通過光刻工藝來進(jìn)行加工，制造工藝越高集成的晶體管就越多。制造工藝是指在硅材料上生產(chǎn)CPU時內(nèi)部各元器件間的連接線寬度，一般用μm（微米）作為單位，數(shù)值越小，生產(chǎn)工藝越先進(jìn)，CPU內(nèi)部功耗和發(fā)熱量就越小。PentiumCPU的制造工藝是0.35μm，PentiumII和Celeron可以達(dá)到0.25μm，最新的CPU制造工藝可以達(dá)到0.18μm甚至0.13μm，并且將采用銅配線技術(shù)，可以極大地提高CPU的集成度和工作頻率。7．制造工藝CPU芯片中集成的是晶體管，為了提高CPU的速度158．核心電壓核心電壓是指對CPU的供電電壓，電壓越低，電耗就越少，發(fā)熱也就越小，CPU質(zhì)量也就越高。早期CPU（386、486）由于工藝落后，它們的工作電壓一般為5V，發(fā)展到Pentium時代，工作電壓已經(jīng)是3.5V/3.3V/2.8V，隨著CPU的制造工藝與主頻的提高，CPU的工作電壓有逐步下降的趨勢，Intel的CoppermineCPU已經(jīng)采用1.6V的工作電壓。8．核心電壓核心電壓是指對CPU的供電電壓，電壓越低，電耗162.3CPU的類別（1）長方形卡式CPU：卡式CPU形狀是長條型，接口位于長邊側(cè)面，采用垂向插入，插入時先將CPU插到主板上，然后用卡座固定其插槽稱為Slot。2.3CPU的類別（1）長方形卡式CPU：卡式CPU形狀17正方形薄片式CPU：薄片式CPU形狀正方，接口（插腳）位于正方的平面上，有很多的密密麻麻的針腳，采用扁平插入，插入后比較牢固穩(wěn)定，其插槽稱為Socket。2.3CPU的類別（2）正方形薄片式CPU：薄片式CPU形狀正方，接口（插腳）位于正182.4CPU封裝技術(shù)所謂封裝就是指用于密封半導(dǎo)體集成電路芯片的外殼。衡量一個芯片封裝技術(shù)先進(jìn)與否的重要指標(biāo)是封裝厚度。常有以下幾種封裝技術(shù)：DIP（雙列直插式封裝）PQFP（塑料方型扁平式封裝）PGA（插針網(wǎng)格陣列封裝）BGA（球柵陣列封裝）CSP芯（片尺寸封裝）2.4CPU封裝技術(shù)所謂封裝就是指用于密封半導(dǎo)體集成192.5CPU主流產(chǎn)品(Intel系列)8088與8086802868038680486Pentium（奔騰）PentiumPro（高能Pentium）2.5CPU主流產(chǎn)品(Intel系列)8088與8020PentiumII:是Intelx86家族中的P6產(chǎn)品，出現(xiàn)在1997年的5月。Celeron：沒有L2緩存，是PII的一個簡化產(chǎn)品。PentiumIII：采用了SSE多媒體指令集，但仍基于PII架構(gòu)。Celeron二代：為PentiumIII的一個簡化產(chǎn)品。Pentium4：為2001年推出的一款產(chǎn)品，有P4-Willamette、P4-Willamette-N、NorthwoodP4等多款產(chǎn)品。Celeron三代：為P4的一款簡化產(chǎn)品。CeleronD：用來接替老賽揚(yáng)，支持SSE3(老賽揚(yáng)只支持到SSE2)。2.5CPU主流產(chǎn)品(Intel系列)PentiumII:是Intelx86家族中的P6產(chǎn)品，21Core：擁有雙核心、64bit指令集、使用65nm制造工藝，支持SSE4指令集。每個內(nèi)核擁有32KB的一級指令緩存、32KB的雙端口一級數(shù)據(jù)緩存，2個內(nèi)核共同擁有4MB或2MB的共享式二級緩存。Core音譯為“酷?！??；贑ore架構(gòu)的處理器，對應(yīng)于臺式機(jī)的為Conroe，筆記本的為Merom，服務(wù)器的為WoodCrest。XeonMP：代號為Tigerton的四核心處理器，基于Core架構(gòu)，應(yīng)用于服務(wù)器。2.5CPU主流產(chǎn)品(Intel系列)Core：擁有雙核心、64bit指令集、使用65nm制造工藝22AMD公司自1996年推出K5系列CPU以來，一直是Intel公司的競爭對手。它生產(chǎn)的CPU不僅價(jià)格便宜、性能優(yōu)良，而且也具有他自身的獨(dú)到新技術(shù)：3DNow！技術(shù)、三級緩沖技術(shù)、“超級流水線”和“超標(biāo)量”技術(shù)（并行流水線）、EV6200MHz總線技術(shù)。2.5CPU主流產(chǎn)品(AMD系列)AMD公司自1996年推出K5系列CPU以來，一直是Inte23Cyrix公司成立于1988年，一直從事高性能微處理器的研制，在硬件系統(tǒng)和相關(guān)軟件方面也具有較強(qiáng)的實(shí)力。由Cyrix研制的Intel兼容芯片以其較高的性能價(jià)格比，曾一度成為眾多廠商和用戶的理想選擇。但是由于其相對弱小，而且沒有自己獨(dú)立的制造工廠，以及來自Intel和AMD的強(qiáng)大競爭，使得Cyrix的經(jīng)營狀況一直不佳，并出現(xiàn)虧損，并于1997年被國家半導(dǎo)體公司收購。2.5CPU主流產(chǎn)品(Cyrix系列)Cyrix公司成立于1988年，一直從事高性能微處理器的研制242.6CPU新架構(gòu)20段超級流水線：更多級能大幅提高CPU主頻。高效亂序執(zhí)行：亂序執(zhí)行和分支預(yù)測成技術(shù)能有效提升CPU執(zhí)行速度。2倍速ALU：ALU整數(shù)運(yùn)算單元以雙倍主頻的速度工作，稱為RapidExecutionEngine（高速執(zhí)行引擎）。新型片上緩存：即TraceCache（跟蹤緩存），用于存儲x86指令解碼后生成的“微操作”指令，多達(dá)12000條。SSE2指令擴(kuò)展集：為MMX和SSE的擴(kuò)展集，包括144條SIMD新指令，能處理128位整