計算機(jī)組裝與維護(hù)課件-第2講 CPU

第2章CPU

CPU(CentralProcessingUnit)，即中央處理器，是整個電腦系統(tǒng)的核心，也是整個電腦系統(tǒng)最高的執(zhí)行單位。它負(fù)責(zé)整個電腦系統(tǒng)指令的執(zhí)行、數(shù)學(xué)與邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲、傳送以及輸入輸出的控制。

2.1CPU發(fā)展簡介

1971年，Intel公司推出了世界上第一塊4位微處理器4004，含有2300個晶體管，時鐘頻率為1MHz，用于計算器上。它功能不全、實用價值不大，但為微型計算機(jī)的發(fā)展開辟了一條嶄新的途徑。

1978年6月，Intel公司推出了16位微處理器Intel8086。Intel8086

1979年6月，Intel公司推出了Intel8088，內(nèi)含29000個晶體管，主頻為4.77MHz，它的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位，屬于準(zhǔn)16位微處理器，地址總線為20位，尋址范圍為1MB內(nèi)存。1981年，IBM公司用Intel8088芯片首先推出準(zhǔn)16位IBMPC個人計算機(jī)，開創(chuàng)了全新的微機(jī)時代。

1982年，Intel公司推出全16位微處理器芯片Intel80286，內(nèi)含13.4萬個晶體管。80286芯片內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都為16位，地址總線24位，可尋址16MB內(nèi)存，時鐘頻率6M—20M。1984年，IBM公司以Intel80286芯片為CPU，推出IBM-PC/AT機(jī)。

1985年10月，Intel公司推出全32位微處理器芯片Intel80386，內(nèi)含27.5萬個晶體管。80386內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都為32位，地址總線也是32位，可尋址4GB內(nèi)存，時鐘頻率12.5M—33M。

Intel803861989年4月，Intel公司推出Intel80486，內(nèi)含120萬個晶體管。32位微處理器，時鐘頻率25M—50M，帶有8K的L1Cache及浮點(diǎn)運(yùn)算單元。

Intel804861993年，Intel公司推出IntelPentium，采用0.8um制造工藝，早期Pentium工作在與系統(tǒng)總線相同的66M和60M頻率下，沒有倍頻設(shè)置。一年后，使用0.6um半導(dǎo)體制造工藝，供電電壓均為3.3V，總線頻率60/66M，時鐘頻率達(dá)到75—200M，帶有一個16KB的一級緩存，8KB用于數(shù)據(jù)，8KB用于指令。使用倍頻技術(shù)，外頻×倍頻=CPU工作頻率。1994年，Intel公司推出IntelPentiumPro，含550萬個晶體管，時鐘頻率133MHz。首次將二級緩存整合到CPU上，工作頻率與CPU時鐘頻率相同，一級緩存為16KB，8KB用于數(shù)據(jù)，8KB用于指令，二級緩存256KB，系統(tǒng)總線為60/66M，0.35um制造工藝，它支持所有以前的Pentium指令。

1997年1月8日，Intel公司推出IntelPentiumMMX，含450萬個晶體管，它支持MMX多媒體新指令集，在x86指令集中加入了57條新指令，用于高效的處理圖形、視頻、音頻數(shù)據(jù)，內(nèi)部

Cache為32KB，0.35um制造工藝，采用雙電壓設(shè)計，內(nèi)核電壓為2.8V，系統(tǒng)I/O電壓仍為3.3V，這就要求主機(jī)板增加一個電壓調(diào)整器，時鐘頻率166M—233M，總線頻率66M。IntelPentiumMMX1997年4月2日，AMD搶在Intel發(fā)布PIICPU之前推出

AMDK6處理器，由于其性能與PII不相上下，而價格卻比PII低了不少，因而獲得了極大成功。1997年5月7日，Intel公司推出IntelPentiumⅡ，含750萬個晶體管，帶有MMX指令，核心電壓為2.0V，0.25um制造工藝，采用Slot1架構(gòu)，工作在66/100M外頻，頻率為233M—450M。

IntelPentiumII1998年：Intel公司推出Celeron，0.25um制造工藝，Slot1架構(gòu)，沒有片內(nèi)L2緩存，所以它的整數(shù)運(yùn)算能力很差。66M外頻，核心工作電壓為2.0V。

IntelCeleron1999年2月22日，AMD發(fā)布K6-III400MHzCPU，集成2300萬個晶體管，采用Socket7結(jié)構(gòu)。

K6-III1999年2月26日，Intel公司推出了PentiumⅢCPU芯片，它的集成度達(dá)到800萬個晶體管，0.18um制造工藝，Slot1架構(gòu)，32KB一級緩存和256KB二級高速緩存，100M/133M外頻，包括MMX指令和Intel自己的3D指令SSE（因特網(wǎng)數(shù)據(jù)流單指令擴(kuò)展，有71條指令）內(nèi)核工作電壓為1.6V。

PentiumⅢ1999年6月23日，AMD推出AMDAthlon(K7)處理器。其超標(biāo)量浮點(diǎn)單元及200MHz系統(tǒng)總線使其性能達(dá)到了以前x86處理器從未達(dá)到的水平。

AMDAthlon2000年3月29日，Intel公司推出了CeleronⅡ，0.18um制造工藝，SSE指令，128KBL2，66M外頻。2000年6月，Intel公司又推出了Pentium4CPU芯片，Netburst

結(jié)構(gòu)的Pentium4起始頻率為1.4GHz。2001年8月20日，AMD公司推出Athlon4及Duron芯片系列的新產(chǎn)品。

Duron2001年8月28日，Intel正式發(fā)布了代號為Willamette的P4CPU，最高頻率為2GHz，采用0.18um制造工藝。2001年10月8日，AMD宣布推出AthlonXP處理器系列，它采用專業(yè)3DNow!指令集，在封裝上采用OPGA（有機(jī)管腳陣列），在性能和性價比方面都超過同頻率的Intel處理器。2002年1月7日，Intel正式發(fā)布了代號Northwood的P4CPU，起始頻率2GHz，采用0.13um銅制造工藝，標(biāo)志著CPU進(jìn)入0.13um制造工藝時代。目前的主頻為2.0GHz、2.20GHz、2.26GHz、2.40GHz、2.53GHz、3.06GHz和3.2GHz等。P42002年3月，AMD公司正式展示其基于Thoroughbred核心的AthlonXP2800+處理器，采用0.13um制造工藝。不久又發(fā)布了Barton核心的AthlonXP處理器。2003年9月，AMD公司發(fā)布了Athlon64位處理器。AMDAthlon64FX處理器既可以確保32位應(yīng)用程序能夠發(fā)揮卓越的性能，也可以支持未來一代的64位軟件，是可以同時支持32位及64位計算的個人電腦處理器。

2.2CPU的接口

Socket插座

:Socket7插座

具有321個插孔，所支持的外頻一般為60MHz、66MHz、75MHz、83MHz。Socket7適用范圍很廣，主要適用于Intel的Pentium、PentiumMMX，AMD的K5、K6、K6-2、K6-Ⅲ，Cyrix的MⅡ等。隨后出現(xiàn)的Super7標(biāo)準(zhǔn)是在Socket7基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是由AMD、VIA、ALI、SIS等廠商倡導(dǎo)并創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)。Super7增加了對處理器100MHz外頻、AGP的支持，可以支持AMDK6-2、K6-Ⅲ處理器。

Socket7插座Socket370插座

具有370個插孔。主要適用于Intel的Celeron系列，PentiumⅢ的Coppermine系列，可以支持66MHz、100MHz和133MHz外頻。SocketA插座具有462個插孔，是ADM公司針對IntelSocket370插座的回應(yīng)。主要適用于Duron（毒龍）、Athlon(速龍)、AthlonXP。Socket423插座具有423個插孔，是Intel于2000年底發(fā)布的Willamette核心Pentium4處理器的專利，需要搭配專門的i850芯片組及RAMBUS內(nèi)存.Socket478插座

具有478個插孔，適用于目前主流Pentium4處理器，具有較好的硬件搭配和升級能力。

Socket478插座SocketT插座

Intel即將推出的SocketT插座具有775個插孔，適用于即將推出的LGA封裝的Prescott和Tejas處理器。

SocketT插座

Slot插槽

:Slot1插槽

是Intel在推出PentiumⅡ時提出的一種規(guī)范。Slot1插槽是一個狹長的242引腳的插槽，占據(jù)的空間較大，CPU安裝起來有點(diǎn)費(fèi)勁。Slot1可以支持采用SEC（單邊接觸）封裝技術(shù)的PentiumⅡ、PentiumⅢ

和Celeron處理器。Slot1插槽Slot2插槽采用該接口的CPU主要是用于高端工作站和服務(wù)器的IntelXeon（至強(qiáng)）系列，在家用機(jī)和普通商用機(jī)中并不多見。SlotA插槽從外觀上看，SlotA和Slot1很相似，其安裝就像是把Slot1旋轉(zhuǎn)180度，但兩者的電器性能并不兼容。SlotA適用于AMDAthlon處理器。

2.3主要技術(shù)指標(biāo)頻率主頻是CPU內(nèi)核運(yùn)行時的時鐘頻率，即CPU的時鐘頻率。一般來說，主頻越高，CPU的速度就越快。外頻又稱外部時鐘頻率，這個指標(biāo)和電腦系統(tǒng)總線的速度一致。外頻越高，CPU的運(yùn)算速度越快。外頻是制約系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，100MHz外頻之下的Celeron800MHz比66MHz外頻之下的Celeron800MHz運(yùn)行速度快。目前CPU的外頻主要有66MHz，100MHz、133MHz和200MHz。前端總線頻率FSB

是CPU和北橋芯片之間的通道，負(fù)責(zé)CPU與北橋芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。在AMD的雷鳥系列CPU發(fā)布以前，CPU的外頻和前端總線保持一致，因此人們通常把外頻和前端總線都用外頻表示。

公司名稱CPU名稱外頻前端總線IntelCeleron（賽揚(yáng)），CeleronII66MHz，100MHz66MHz，100MHzPIICPU100MHz100MHzPIIICPU100MHz，133MHz100MHz，133MHzP4100MHz，133MHz，200MHz400MHz，533MHz，800MHzAMDK6-2350以上（包括部分K6-2300）100MHz100MHzK7(Athlon)，Duron，Thunderbird100MHz，133MHz200MHz，266MHzAthlonXP133MHz，200MHz266MHz，400MHzVIAMIII(CyrixIII)，C3133MHz133MHz倍頻

指CPU的主頻和系統(tǒng)總線（外頻）間相差的倍數(shù)，倍頻越高，主頻就越高。在286時代，還沒有倍頻的概念，CPU的主頻和系統(tǒng)總線的速度一樣。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)存、主板和硬盤等硬件設(shè)備逐漸跟不上CPU速度的發(fā)展，而CPU的速度理論上可以通過倍頻無限提升，CPU主頻=外頻×倍頻。

超頻在倍頻一定的情況下，要提高CPU的運(yùn)行速度只能通過提高CPU外頻來實現(xiàn)；在外頻一定的情況下，提高倍頻也可以實現(xiàn)目的。所謂的“超頻”，就是通過提高外頻或倍頻實現(xiàn)的。目前的CPU倍頻一般都已經(jīng)在出廠前被鎖定（除了部分工程樣品），而外頻則未上鎖。部分CPU，如AMD的Duron和雷鳥能夠通過特殊手段對其倍頻進(jìn)行解鎖而實現(xiàn)超頻，而Intel的CPU則不可。

高速緩存

高速緩存是一種速度比內(nèi)存更快的存儲設(shè)備，其功能是減少CPU因等待低速設(shè)備所導(dǎo)致的延遲進(jìn)而改善系統(tǒng)性能。它一般集成于CPU芯片內(nèi)部，用于暫時存儲CPU運(yùn)算時的部分指令和數(shù)據(jù)。高速緩存分為L1Cache（一級高速緩存）和L2Cache（二級高速緩存）。L1和L2Cache的容量和工作速率對提高計算機(jī)速度起關(guān)鍵作用。

指令集MMX技術(shù)是Intel公司開發(fā)的多媒體擴(kuò)充指令集，共有57條指令，該技術(shù)一次能處理多個數(shù)據(jù)。通常用于動畫再生、圖像加工和聲音合成等處理。3DNOW！技術(shù)是AMD公司在K6-2，K6-Ⅲ和K7處理器中采用的技術(shù)，也是為了處理多媒體而開發(fā)的。3DNOW！技術(shù)實際上是指一組機(jī)器碼級的擴(kuò)展指令集（共21條指令）。這些指令仍然以SIMD（單指令多數(shù)據(jù)技術(shù)）的方式實現(xiàn)一些浮點(diǎn)運(yùn)算、整數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)預(yù)取等功能。而這些運(yùn)算類型（尤其是浮點(diǎn)運(yùn)算）是從成百上千種運(yùn)算類型中精算出來的在3D處理中最常用的。SSE指令

SSE（StreamingSIMDExtensions）指令集指Intel在PentiumⅢ處理器中添加的70條新的指令,又稱為“MMX2指令集”。它可以增強(qiáng)三維和浮點(diǎn)運(yùn)算能力，并讓原來支持MMX的軟件運(yùn)行得更快。SSE指令可以兼容以前的所有的MMX指令，新指令還包括浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的SIMD，CPU會并行處理指令，因而在軟件重復(fù)做某項工作時可以發(fā)揮很大優(yōu)勢。

SSE2指令

SSE2指令集集成在Intel的Pentium4中，以加快3D、浮點(diǎn)以及多媒體程序代碼的運(yùn)算性能，該指令集內(nèi)包括144條指令。

工作電壓

CPU內(nèi)核工作電壓越低則表示CPU制造工藝越先進(jìn)，也表示CPU運(yùn)行時耗電功率越小。在Intel的PentiumMMX之前，所有的CPU均采用單一的電壓工作，自PentiumMMX開始，CPU運(yùn)行時需要由主板分別提供I/O電壓

(Vi/o)和內(nèi)核

(Vcore)電壓，直到目前為止所有Soket架構(gòu)的CPU仍然采用這種方式供電。Slot1架構(gòu)的同樣也有Vcore和Vcc二種工作電壓，其中Vcc與Socket架構(gòu)CPU的Vi/o相似。

地址總線寬度

決定了CPU可以訪問的物理地址空間，對于486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4096MB的物理空間。

數(shù)據(jù)總線寬度

決定了CPU與二級高速緩存、內(nèi)存以及輸入/輸出設(shè)備之間的一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾龋?86、486為32位，Pentium以上的CPU數(shù)據(jù)總線寬度為2×32位=64位，一般稱為準(zhǔn)64位。

生產(chǎn)工藝

通?？梢栽贑PU性能列表上看到生產(chǎn)工藝一項，其中有0.18μm或0.13μm等，這些數(shù)值表示了集成電路中導(dǎo)線的寬度。生產(chǎn)工藝的數(shù)