計算機的核心CPUPPT課件(PPT 67頁)

1、第2課 CPU江蘇建筑學院 韓.第1頁，共67頁。本課要點CPU的發(fā)展CPU的性能指標主流CPU產(chǎn)品CPU的選購.第2頁，共67頁。具體要求了解CPU的發(fā)展掌握CPU的性能指標了解Intel公司的CPU產(chǎn)品掌握CPU的選購方法掌握識別CPU的方法 .第3頁，共67頁。2.1 CPU概述 CPU是中央處理器（Central Processing Unit）的縮寫。CPU是計算機的控制和運算核心，其主要功能是執(zhí)行指令、處理軟件中的數(shù)據(jù)信息，它是計算機的核心部件，任何一臺計算機的運行都離不開CPU。.第4頁，共67頁。1 CPU的作用 CPU是數(shù)據(jù)處理和程序執(zhí)行的核心。其主要作用有：執(zhí)行指令算術(shù)運算

2、和邏輯運算數(shù)據(jù)存儲、傳送控制I/O（輸入/輸出）操作.第5頁，共67頁。2 CPU的物理結(jié)構(gòu)CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制單元 運算單元存儲單元.第6頁，共67頁。3 CPU的工作原理CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。.第7頁，共67頁。CPU的工作原理 CPU的工作原理就像一個工廠對產(chǎn)品的加工過程:進入工廠的原料(程序指令)，經(jīng)過物資分配部門(控制單元)的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線(邏輯運算單元)，生產(chǎn)出成品(處理后的數(shù)據(jù))后，再存儲在倉庫(存儲單元)中，最后等著拿到市場上去賣(交由應用程序使用)。.第8頁，共67頁。2.2 CPU

3、的性能指標 CPU的性能高低影響整臺計算機系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速度，下面將介紹一些和CPU相關(guān)的性能指標。影響Cpu性能參數(shù)主要有 CPU的主頻核心數(shù)緩存容量制造工藝等.第9頁，共67頁。1 CPU的頻率 主頻：是指計算機運行時的工作頻率，也叫做CPU的時鐘頻率或核心頻率，CPU的頻率表示CPU內(nèi)部數(shù)字脈沖信號振蕩的速度，代表了CPU的實際運算速度，單位是GHz。CPU的頻率越高，CPU在一個時鐘周期內(nèi)所能完成的指令數(shù)也就越多，CPU的運算速度也就越快。CPU 主頻外頻倍頻。.第10頁，共67頁。2在CPU不斷快速的取指令，執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和cpu處理的時差，可能會出現(xiàn)混亂的情況，

4、因此需要一個時鐘來控制cpu的每一個動作。時鐘就像一個節(jié)拍器不停地發(fā)出時鐘脈沖來控制cpu的步調(diào)，這種時鐘脈沖振蕩的頻率就是cpu的主頻。時鐘頻率，類似人類的心跳1Hz 一秒鐘跳動一個周期 一個人的心跳每分鐘60次，那么心跳的頻率就是1Hz.第11頁，共67頁。外頻 外頻即CPU的基準頻率，單位是MHz。是CPU與主板之間同步運行的速度。外頻速度高，CPU就可以同時接收更多的來自外圍設備的數(shù)據(jù)，從而使整個系統(tǒng)的速度進一步提高。 CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。在臺式機中，所說的超頻，都是超CPU的外頻.第12頁，共67頁。倍頻 倍頻是CPU運行頻率與系統(tǒng)外頻之間差距的參數(shù)，也稱為倍頻系數(shù)

5、，通常簡稱為倍頻。在相同的外頻下，倍頻越高，CPU的頻率就越高。 CPU 主頻外頻倍頻。.第13頁，共67頁。2 CPU的位和字長 在計算機中是以二進制進行數(shù)據(jù)的處理和運算的，數(shù)據(jù)的組成代碼是“0”和“1”。在計算機中把這樣的一個代碼叫1位（bit），如十進制數(shù)8換算成二進制數(shù)就是1000，其在計算機中被認為是4位。但是由于位的單位太小，于是把每8位稱為一個字節(jié)（Byte），即1字節(jié)8位（1Byte8bit）。在計算機技術(shù)中，對CPU在單位時間內(nèi)（同一時間）能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以能處理字長為32位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫32位的CPU，同理，64位的CPU就能在單位時間內(nèi)處理字長為

6、64位的二進制數(shù)據(jù)。.第14頁，共67頁。4 CPU的緩存Cache 緩存（Cache）的作用是為CPU和內(nèi)存在數(shù)據(jù)交換時提供一個高速的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當CPU要讀取數(shù)據(jù)時，首先會在緩存中尋找，如果找到了則直接從緩存中讀取，如果在緩存中未能找到，CPU才會從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。CPU緩存一般分為L1 Cache 、L2 Cache和 L3 Cache 。 CPU內(nèi)緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運行，工作效率遠遠大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤。.第15頁，共67頁。L1高速緩存L1高速緩存（也稱為一級高速緩存、L1 Cache）L1Cache(一級緩存）是CPU第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。用于

7、暫存部分指令和數(shù)據(jù)，以使CPU能迅速地得到所需要的數(shù)據(jù)。L1高速緩存與CPU同步運行，其對CPU的性能影響較大，容量越大，性能也會越高。在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級高速緩存的容量不可能做得太大。.第16頁，共67頁。L2高速緩存 L2高速緩存（也稱為二級高速緩存、L2 Cache）的容量和頻率對CPU的性能影響也較大，它的作用就是為了協(xié)調(diào)CPU的運行速度與內(nèi)存存取速度之間的差異。目前CPU的L2高速緩存有低至512KB，也有高達8MB的。.第17頁，共67頁。L3CacheL3Cache(三級緩存)，分為兩種，早期的是外置，現(xiàn)在的都是內(nèi)置的。而它的實際作用即是，L3緩存的應用可以進

8、一步降低內(nèi)存延遲，同時提升大數(shù)據(jù)量計算時處理器的性能。降低內(nèi)存延遲和提升大數(shù)據(jù)量計算能力對游戲都很有幫助。.第18頁，共67頁。2.3 CPU的架構(gòu)封裝等1 CPU的核心核心（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，CPU所有的計算、接受/存儲命令、處理數(shù)據(jù)都由核心執(zhí)行。各種CPU核心都具有固定的邏輯結(jié)構(gòu)，一級緩存、二級緩存、執(zhí)行單元、指令級單元和總線接口等。為了便于CPU設計、生產(chǎn)、銷售的管理，CPU制造商會對各種CPU核心給出相應的代號，這也就是所謂的CPU核心類型。例如，Intel酷睿處理器的核心代號有二代酷睿Sandy Bridge、四代Hasw

9、ell、六代Skylake 。Skylake核心架構(gòu).第19頁，共67頁。CPU的架構(gòu)是指CPU采用的生產(chǎn)工藝, 就是CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)，換句話說就是內(nèi)部晶體管的排列方式，不同的微架構(gòu)有不同的排列方式。 ，.第20頁，共67頁。2 CPU的接口CPU的接口（針腳）是指CPU與主板之間的連接方式，CPU的接口根據(jù)CPU的核心的不同而不同，CPU誕生初期是直接焊接在主板上的，后來逐漸獨立出來，也就有了各式各樣的接口（針腳）。目前Intel CPU常見的接口有：LGA1156、LGA1155、LGA1151。高端市場：LGA1366和LGA2011.第21頁，共67頁。 LGA全稱是Land Grid

10、Array，直譯過來就是柵格陣列封裝，與英特爾處理器之前的封裝技術(shù)Socket 478相對應，它也被稱為Socket T。主要在于它用金屬觸點式封裝取代了以往的針狀插腳。而LGA1151，顧名思義，就是有1151個觸點。Socket 478LGA1150 和LGA1151所謂“封裝技術(shù)”是一種將集成電路用絕緣的塑料或陶瓷材料打包的技術(shù)。以CPU為例，我們實際看到的體積和外觀并不是真正的CPU內(nèi)核的大小和面貌，而是CPU內(nèi)核等元件經(jīng)過封裝后的產(chǎn)品。.第22頁，共67頁。3 CPU的制造工藝（制程技術(shù)）制造工藝CPU制造工藝是指IC內(nèi)電路與電路之間的距離。密度愈高的IC電路設計，意味著在同樣大小面

11、積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計。CPU的制造工藝直接關(guān)系到CPU的電氣性能。線路寬度越小，CPU的功耗和發(fā)熱量就越低，并可以工作在更高的頻率下。目前Intel的主流產(chǎn)品的制造工藝技術(shù)已經(jīng)達到14nm微米級別。.第23頁，共67頁。4 熱功耗TDPTDP的英文全稱是“Thermal Design Power”，中文直譯是“散熱設計功耗”。主要是提供給計算機系統(tǒng)廠商，散熱片/風扇廠商，以及機箱廠商等等進行系統(tǒng)設計時使用的。一般TDP主要應用于CPU，CPUTDP值對應系列CPU 的最終版本在滿負荷(CPU 利用率為100%的理論上)可能會達到的最高散熱熱量，散熱器必須保證在處理

12、器TDP最大的時候，處理器的溫度仍然在設計范圍之內(nèi)。注意：由于CPU的核心電壓與核心電流時刻都處于變化之中，這樣CPU的實際功耗（其值：功率P=電流I電壓U）也會不斷變化，因此TDP值并不等同于CPU的實際功耗，更沒有算術(shù)關(guān)系。舉例來說，Pentium E2160 TDP為65W，而實際運行中的平均功耗僅19W。.第24頁，共67頁。2.4 處理技術(shù)1 超線程超線程（Hyper-Threading，簡寫為HT）是Intel為Pentium 4專門設計的一項技術(shù)。超線程是一種同步多線程執(zhí)行技術(shù)，一款應用超線程技術(shù)的Intel CPU可在邏輯上被模擬成兩個CPU，這樣CPU可以充分利用空閑資源同時

13、處理兩個任務集，從而在相同時間內(nèi)完成更多任務。雙核心可以理解為兩個“物理”處理器；而超線程只是兩個“邏輯”的處理器.第25頁，共67頁。2 流水線流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由56個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56步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級流水，即指令預取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果.第26頁，共67頁。3 超標量超標量（superscalar）在一個時鐘周期內(nèi)，CPU可以執(zhí)行一個以

14、上的指令。超標量是通過內(nèi)置多條流水線來同時執(zhí)行多個處理，其實質(zhì)是以空間換取時間。.第27頁，共67頁。4 APUAPU(Accelerated Processing Unit)中文名字叫加速處理器，是AMD融聚理念的產(chǎn)品，它第一次將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”，大幅提升電腦運行效率，實現(xiàn)了CPU與GPU真正的融合。.第28頁，共67頁。8 CPU的指令集 指令集是CPU用來計算和控制系統(tǒng)的命令，是與硬件電路相配合的一系列的指令。指令集對提高CPU的效率具有重要的作用，是CPU性能的重要指標之一，目前指令

15、集有Intel公司的MMX，SSE，SSE2，SSE3、sse4 EM64T和AMD主要是x86，x86-64，3D-Now!指令集判斷CPU是否是64位：Intel EM64T AMD x86-64雙核及以上CPU都是支持64位.第29頁，共67頁。MMX 是MultiMedia eXtensions（多媒體擴展）的縮寫。MMX技術(shù)是在CPU中加入了特地為視頻信號(Video Signal)，音頻信號(Audio Signal)以及圖像處理(Graphical Manipulation)而設計的57條指令，因此，MMX CPU極大地提高了電腦的多媒體（如立體聲、視頻、三維動畫等）處理功能。.

16、第30頁，共67頁。2.5 CPU的發(fā)展 CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有三十多年的歷史，按照其處理信息的字長，可以將CPU分為：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64位微處理器，可以說個人計算機的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進的。下面將介紹CPU從誕生到現(xiàn)今的發(fā)展歷程。.第31頁，共67頁。1. CPU的誕生 1971年Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一個可用于微型計算機的4位微處理器，它集成了2300個晶體管。功能不全，實用價值不大4004微處理器.第32頁，共67頁。2、第1代 CPU第1階段（19711973年）是4位和8位低檔微處理器時代，

17、通常稱為第1代典型產(chǎn)品：Intel4004、Intel8008微處理器基本特點：采用PMOS工藝，集成度低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)簡單，采用機器語言或簡單的匯編語言，指令數(shù)目較少 ，用于簡單的控制場合。.第33頁，共67頁。3 . 第二代 8位微處理器時代第2階段（19741977年）是8位微處理器時代，通常稱為第2代。其典型產(chǎn)品是Intel8080/8085。它們的特點：采用NMOS工藝，集成度提高約4倍，運算速度提高約1015倍。指令系統(tǒng)比較完善，具有典型的計算機體系結(jié)構(gòu)和中斷、DMA等控制功能。軟件方面除了匯編語言外，還有BASIC、FORTRAN等高級語言和相應的解釋程序和編譯程序，在后期還

18、出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。.第34頁，共67頁。4. 第三代 16位微處理器時代 1978年Intel公司生產(chǎn)出了第一款16位微處理器8086，它是第三代微處理器的起點。8086的最高主頻速度為8MHz，具有16位數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存尋址能力為1MB。同時Intel還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集。這些指令集統(tǒng)一稱為x86指令集。Intel公司以后生產(chǎn)的CPU都兼容原來的x86指令。1979年Intel公司開發(fā)出了8088微處理器。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器。8088的工作頻率有6.66MHz，7.16MHz和8MHz幾

19、種，集成了大約29 000個晶體管。.第35頁，共67頁。16位微處理器時代1982年Intel公司在8086的基礎上，研制出了80286微處理器。80286集成了大約13萬個晶體管。該微處理器的最大主頻為20MHz。80286支持更大的內(nèi)存，它能夠模擬內(nèi)存空間，也能同時運行多個任務，從而提高了處理速度。 808680286這個時代是個人計算機起步的時代，當時在國內(nèi)使用甚至見到過PC機的人很少，直到20世紀90年代初，國內(nèi)才開始普及計算機。.第36頁，共67頁。微處理器.第37頁，共67頁。5. 第4代 32位微處理器時代 1985年10月17日Intel正式發(fā)布了劃時代的產(chǎn)品80386，內(nèi)部

20、集成27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz，后來逐步提高到33MHz。 80386C的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線是32位的，這標志著CPU進入了32位微處理器時代。80386最經(jīng)典的產(chǎn)品為80386DX-33MHz。由于32位微處理器的強大運算能力，PC的應用擴展到很多領域，如商業(yè)辦公和計算、工程設計和計算、數(shù)據(jù)中心、個人娛樂等領域。80386使32位CPU成為了PC工業(yè)的標準。.第38頁，共67頁。32位微處理器時代1989年，80486芯片由Intel推出。集成了120萬個晶體管，使用1m的制造工藝。80486的時鐘頻率從25MHz50MHz。80486的性能比80386 DX提高了4倍。.

21、第39頁，共67頁。微處理器和處理器.第40頁，共67頁。3. 32位微處理器時代1997年Intel公司在Pentium CPU內(nèi)部集成了多媒體擴展指令，即MMX（ MultiMedia eXtensions）指令集，該指令集有57條多媒體指令，增強了圖像、視頻和音頻等方面的效果，給用戶帶來了多媒體的享受。.第41頁，共67頁。第5代 奔騰微處理器時代第5階段（1993-2005年）是奔騰（pentium）系列微處理器時代，通常稱為第5代。1993年Intel公司推出了劃時代的586，并將其命名為Pentium（奔騰）處理器，集成了310萬個晶體管。Pentium首次采用了RISC中的雙流水

22、線及超標量設計，可以讓CPU并行處理兩條機器語言指令。.第42頁，共67頁。1999年，Intel公司推出了Pentium III處理器。Pentium III處理器中新增了70條SSE擴展指令集，該指令集主要用于提高CPU的3D處理能力和影像效果。.第43頁，共67頁。處理器.第44頁，共67頁。2000年Intel公司推出了新一代的CPUPentium 4處理器，Pentium 4處理器采用Willamette核心制造，制造工藝為0.18m，采用了Socket 478接口。.第45頁，共67頁。處理器.第46頁，共67頁。64位微處理器時代 從CPU誕生到發(fā)展到32位都是由Intel公司獨

23、領風騷，不斷發(fā)布具有里程碑意義的CPU產(chǎn)品，其他公司如AMD和VIA公司雖然也在不斷努力，但是在和Intel的對抗中幾乎每次都處于下風。但是在個人計算機領域率先發(fā)布64位微處理器的卻是潛心研究的AMD公司。AMD公司在2003年發(fā)布了第一款應用于個人計算機的64位處理器Athlon64(速龍)。Athlon64在支持64位代碼的基礎上提供了對32位和16位代碼的良好兼容，有超過4GB的內(nèi)存尋址能力。.第47頁，共67頁。4. 64位微處理器時代AMD公司隨后又推出了針對低端市場的Socket 754接口的Sempron64（閃龍）處理器。而Intel公司直到2005年才推出了面向中端的6系列的

24、64位CPU，這才開始將CPU的產(chǎn)品線在整個市場進行普及。Intel 64位CPU都采用LGA775接口、Prescott核心、0.09m的制造工藝和擁有31級的流水線。.第48頁，共67頁。處理器.第49頁，共67頁。第6代 酷睿時代CPU第6階段（2005年至今）是酷睿（core）系列微處理器時代，通常稱為第6代。2006年英特爾推出酷睿2（Core 2 Duo），內(nèi)含2.91億個晶體管。2008年Intel發(fā)布一代酷睿Clarkdale核心2011年Intel發(fā)布二代酷睿Sandy Bridge 2012年Intel發(fā)布三代酷睿lvy 2013年intel 發(fā)布四代酷睿Haswell20

25、15年1月6日發(fā)布了第五代酷睿Broadwell處理器.第50頁，共67頁。英特爾2015年1月6日宣布了第五代酷睿Broadwell架構(gòu)處理器系列.第51頁，共67頁。酷睿6代Intel Skylake是英特爾第六代微處理器架構(gòu)，采用14納米制程，是Intel Haswell微架構(gòu)及其制程改進版Intel Broadwell微架構(gòu)的繼任者。Intel Skylake已經(jīng)在2015年8月5日20:00發(fā)布，第六代酷睿Skylake處理器同樣采用14納米工藝，接口為LGA1151，搭配全新Intel 100系列芯片組（最高端是Z170主板），支持DDR4內(nèi)存和DDR3L內(nèi)存.第52頁，共67頁。

26、2016年8月英特爾正式發(fā)布第七代酷睿處理器Kaby Lake，這是14nm工藝的Skylake微架構(gòu)處理器，在功率和效率上都有提升。英特爾表示，第七代酷睿處理器的每瓦性能，是第六代的8倍；網(wǎng)絡性能比之前高出19%；生產(chǎn)力應用程序性能則要高出12%。英特爾稱，使用新處理器后，會出現(xiàn)機身厚度不到1cm的筆記本。英特爾還強調(diào)了處理器在4K視頻，全景視頻，AR(增強現(xiàn)實)技術(shù) 、VR虛擬現(xiàn)實)應用方面的體 驗。.第53頁，共67頁。2.6 主流CPU產(chǎn)品介紹 CPU的產(chǎn)品數(shù)量很多，如果想購買到合適的CPU產(chǎn)品，首先要對市場上的CPU產(chǎn)品有所了解。臺式機CPU品牌：英特爾Intel 、超微AMDInt

27、el 高中低端 ：酷睿 core奔騰pentium賽揚 celeron服務器、工作站CPU: 至強xeon處理器AMD高中低端：羿龍phenome速龍athlon閃龍sempron.第54頁，共67頁。2016年CPU性能天梯圖.第55頁，共67頁。常見CPU產(chǎn)品介紹.第56頁，共67頁。Skylake的旗艦i7-6700K，4核8線程，4.0GHz主頻，最大睿頻4.2GHz，14nm工藝，91W的TDP，發(fā)熱量控制優(yōu)秀，同時支持4代內(nèi)存，相當受消費者喜歡。6代酷睿的i5-6500，銷量也是相當不錯的。4核4線程，默認主頻3.2GHz，最大睿頻可到3.6GHz，也是14nm工藝，TD為65W。

28、.第57頁，共67頁。.第58頁，共67頁。A10-7870K是去年發(fā)布的一顆APU。3.9GHz主頻，動態(tài)超頻可達4.1GHz，28nm工藝，TDP 95W。融合了AMD RADEON R7獨顯核心，擁有512個流出器，性能和GT 740差不多了。速龍II X4860K，400不到的售價，原生4核物理核心，3.7GHz主頻，動態(tài)超頻可達4.0GHz，并且不鎖倍頻，日常辦公使用完全綽綽有余，物美價廉。.第59頁，共67頁。2.7 CPU選購指南 早期的CPU系列型號并沒有明顯的高低端之分,隨著CPU技術(shù)和IT市場的發(fā)展，Intel和AMD兩大CPU生產(chǎn)廠商出于細分市場的目的，都不約而同的將自己旗下的CPU產(chǎn)品細分為高低端，從而以性能高低來細分市場。而高低端CPU系列型號之間的區(qū)別無非就是二級緩存容量(一般都只具有高端產(chǎn)品的四分之一)、外頻、前端總線頻率、支持的指令集以及支持的特殊技術(shù)等幾個重要方面，基本上可以認為低端CPU產(chǎn)品就是高端CPU產(chǎn)品的縮水版 但在購買CPU產(chǎn)品時需要注意的是，以系列型號來區(qū)分CPU性能的高低也只對同時期的產(chǎn)品才有效，任何事物都是相對的，今天的高端就是明天的中端、后天的低端， CPU的頻率提高幅度已經(jīng)遠遠大于其他設備運行速度的提高。因此現(xiàn)在選購CPU已經(jīng)不