2023學(xué)年完整公開課版第2章CPU

第2章CPUCPUCentralProcessingUnit，即中央處理器，是整個(gè)電腦系統(tǒng)的核心，也是整個(gè)電腦系統(tǒng)最高的執(zhí)行單位。它負(fù)責(zé)整個(gè)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(chǔ)、傳送以及輸入輸出的控制。21CPU發(fā)展簡(jiǎn)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(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為1M，用于計(jì)算器上。它功能不全、實(shí)用價(jià)值不大，但為微型計(jì)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。Intel80861979年6月，Intel公司推出了Intel8088，內(nèi)含29000個(gè)晶體管，，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IBMB內(nèi)存，時(shí)鐘頻率6M—20M。1984年，IBM公司以Intel80286芯片為C-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275萬個(gè)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，—33M。Intel803861989年4月，Intel公司推出Intel80486，內(nèi)含120萬個(gè)晶體管。32位微處理器，時(shí)鐘頻率25M—50M，帶有8的L1Cache及浮點(diǎn)運(yùn)算單元。Intel804861993年，Intel公司推出Intel，制造工藝，早期工作在與系統(tǒng)總線相同的66M和60M頻率下，沒有倍頻設(shè)置。一年后，半導(dǎo)體制造工藝，供電電壓均為33V，總線頻率60/66M，時(shí)鐘頻率達(dá)到75—200M，帶有一個(gè)16B的一級(jí)緩存，8B用于數(shù)據(jù)，8B用于指令。使用倍頻技術(shù)，外頻×倍頻=CH。首次將二級(jí)緩存整合到C，制造工藝，它支持所有以前的指令。1997年1月8日，Intel公司推出IntelMM，含450萬個(gè)晶體管，它支持MM多媒體新指令集，在86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32B，制造工藝，采用雙電壓設(shè)計(jì)，，系統(tǒng)I/，這就要求主機(jī)板增加一個(gè)電壓調(diào)整器，時(shí)鐘頻率166M—233M，總線頻率66M。IntelMM1997年4月2日，AMD搶在Intel發(fā)布D6處理器，由于其性能與Ⅱ，含750萬個(gè)晶體管，帶有MM指令，，制造工藝，采用Slot1架構(gòu)，工作在66/100M外頻，頻率為233M—450M。IntelII1998年：Intel公司推出Celeron，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，。IntelCeleron1999年2月22日，AMD發(fā)布6-III400MHCPU，集成2300萬個(gè)晶體管，采用Socet7結(jié)構(gòu)。6-III1999年2月26日，Intel公司推出了ⅢC/133M外頻，包括MM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）。Ⅲ1999年6月23日，AMD推出AMDAthlon7處理器。其超標(biāo)量浮點(diǎn)單元及200MH系統(tǒng)總線使其性能達(dá)到了以前86處理器從未達(dá)到的水平。AMDAthlon2000年3月29日，Intel公司推出了CeleronⅡ，制造工藝，SSE指令，128BL2，66M外頻。2000年6月，Intel公司又推出了4C4。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(hào)為Willamette的D宣布推出AthlonP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(jià)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(hào)Northwood的P4CPU，起始頻率2GH，銅制造工藝，制造工藝時(shí)代。、、、、、306等。P42002年3月，AMD公司正式展示其基于Thoroughbred核心的AthlonD公司發(fā)布了Athlon64位處理器。AMDAthlon64F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(shí)支持32位及64位計(jì)算的個(gè)人電腦處理器。2004年6月，Intel公司發(fā)布了高性能的CeleronD處理器，采用制造工藝，支持533MH前端總線，內(nèi)含256B的二級(jí)緩存，支持MM、SSE、SSE2和SSE3指令集。CeleronD代號(hào)先后有310、315、320、325、330、335、340、345和350等，。2004年7月，AMD公司推出了SemD平臺(tái)。CeleronD2004年11月，Intel公司發(fā)布了4EtremeEdition（奔騰4至尊版）。它采用制作工藝，支持800MH/1066MH系統(tǒng)前端總線，，內(nèi)含512B二級(jí)緩存和2MB三級(jí)緩存，支持超線程技術(shù)（HT）和64位存儲(chǔ)擴(kuò)展技術(shù)（EM64T），配套的芯片組有Intel925、915工藝制造的4EtremeEdition。它支持1066MH系統(tǒng)總線，，內(nèi)含2MB二級(jí)緩存，支持超線程技術(shù)和64位存儲(chǔ)擴(kuò)展技術(shù)，采用Socet775接口，配套的芯片組有Intel995和925等。4EtremeEdition2005年5月，AMD公司推出了Athlon642雙核心處理器，每個(gè)核心各自擁有1MB或512B的高速二級(jí)緩存，，兼容Socet939處理器插座。2005年5月，Intel公司發(fā)布了64位雙核心處理器EtremeEdition（奔騰至尊版）。它采用Smithfield核心，90nm制造工藝，支持800MH前端總線，，內(nèi)含兩個(gè)1MB的二級(jí)緩存，支持超線程、雙核心（Dualcore）和64位存儲(chǔ)擴(kuò)展技術(shù)，配套的芯片組有Intel995等。2005年5月，Intel公司發(fā)布了雙核心64位處理器D，代號(hào)有820、830和840。它采用Smithfield核心，90nm制造工藝，內(nèi)含23億個(gè)晶體管，功耗95W以上，支持800MH前端系統(tǒng)總線，主頻分別為280、，內(nèi)含兩個(gè)1MB的二級(jí)緩存，支持雙核心、64位存儲(chǔ)擴(kuò)展技術(shù)和病毒防護(hù)技術(shù)，支持MM、SSE、SSE2、SSE3和EM64T指令集，配套的芯片組有955、945P和945G等。D2006年5月，AMD公司發(fā)布了采用AM2接口的Sem2接口的Athlon64系列微處理架構(gòu)幾乎原封不動(dòng)。Sempron、Athlon64、Athlon642和Athlon64FAthlon642SempronAthlon64Athlon64F2006年7月，Intel公司發(fā)布了以Conroe和Allendale為核心、基于Core微架構(gòu)的Core2Duo處理器和Core

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Etreme處理器。它們采用65nm制造工藝，每個(gè)內(nèi)核擁有32B的一級(jí)指令緩存、32B的雙端口一級(jí)指令緩存，2個(gè)內(nèi)核共同擁有4MB的共享式二級(jí)緩存，支持64位存儲(chǔ)擴(kuò)展技術(shù)、64位運(yùn)算指令集以及Virtualiation（虛擬化）技術(shù)，支持雙核心、4發(fā)射的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)和亂序執(zhí)行機(jī)制等技術(shù)，支持36位的物質(zhì)尋址和48位的虛擬內(nèi)存尋址，支持Intel所有的擴(kuò)展指令集。2006年11月，Intel公司發(fā)布了采用entsfield核心的Core2Quadro處理器，它是第一款面向桌面的四核心處理器。處理器的四個(gè)核心處理四個(gè)線程，不支持超線程技術(shù)。它采用65nm制造工藝，，其核心架構(gòu)還是Core2的體系架構(gòu)，Core2上所有的特殊性能在四核產(chǎn)品上得到了延續(xù)，處理器具有兩個(gè)Core2Duo核心、每核心獨(dú)立擁有4MB的二級(jí)緩存。Core2DuoCore2Quadro2006年12月，AMD公司發(fā)布了65nm工藝制造的Athlon642系列處理器，包括4000、4400、4800和5000四個(gè)型號(hào)。采用8架構(gòu)，擁有154M個(gè)晶體管數(shù)，。2007年6月，Intel公司發(fā)布了Core微架構(gòu)的DualCore（奔騰雙核），其代表產(chǎn)品為E2140雙核處理器，它采用65nm工藝制造，支持800MH前端總線，，外頻為200MH，內(nèi)含1MB共享式二級(jí)緩存，采用Socet775接口，支持MM、SSE、SSE2、SSE3和SSSE3多媒體指令集，支持64位存儲(chǔ)擴(kuò)展技術(shù)、64位運(yùn)算指令集和EIST節(jié)能技術(shù)。2007年6月，Intel公司發(fā)布了新一代單核心處理器Celeron400系列，共分為三個(gè)型號(hào)：Celeron420、Celeron430和Celeron440。Celeron400系列采用65nm工藝制造，支持800MH前端總線，外頻為200MH，，功耗僅為35w。22CPU的接口Socet插座:Socet7插座具有321個(gè)插孔，所支持的外頻一般為60MH、66MH、75MH、83MH。Socet7適用范圍很廣，主要適用于Intel的、MM，AMD的5、6、6-2、6-Ⅲ，Cyri的MⅡ等。隨后出現(xiàn)的SuD、VIA、ALI、SIS等廠商倡導(dǎo)并創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)。SuH外頻、AGD6-2、6-Ⅲ處理器。Socet7插座Socet370插座具有370個(gè)插孔。主要適用于Intel的Celeron系列，Ⅲ的Coine系列，可以支持66MH、100MH和133MH外頻。SocetA插座具有462個(gè)插孔，是ADM公司針對(duì)IntelSocet370插座的回應(yīng)。主要適用于Duron（毒龍）、Athlon速龍、Athlonette核心4處理器的專利，需要搭配專門的i850芯片組及RAMBUS內(nèi)存Socet478插座具有478個(gè)插孔，適用于目前主流4處理器，具有較好的硬件搭配和升級(jí)能力。Socet478插座Socet775插座

Socet775插座具有775個(gè)插孔，適用于LGA封裝的4、CeleronD、D、EtremeEdition、Core2Duo和Core2Etreme處理器。目前，Socet775已經(jīng)取代Socet478成為Intel平臺(tái)的主流CPU插座。Socet775插座Socet754插座

Socet754插座具有754個(gè)插孔，是AMD公司于2003年9月發(fā)布的64位桌面平臺(tái)插座標(biāo)準(zhǔn)。主要適用于Athlon64的低端型號(hào)和Sempron的高端型號(hào)。Socet754插座Socet939插座

Socet939插座具有939個(gè)插孔，是AMD公司于2004年6月發(fā)布的64位桌面平臺(tái)插座標(biāo)準(zhǔn)。主要適用于Athlon64、Athlon642和Athlon64F。Socet939插座SocetAM2插座

SocetAM2插座具有940個(gè)插孔，是AMD公司于2006年5月發(fā)布的64位桌面平臺(tái)插座標(biāo)準(zhǔn)。主要適用于SemD全系列桌面C2將逐漸取代原有的Socet754和Socet939，從而實(shí)現(xiàn)AMD桌面平臺(tái)插座標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。SocetAM2插座SocetF插座

SocetF插座插座非常復(fù)雜，具有1207根有彈性的觸須狀針腳，通過與CD公司于2006年第三季度發(fā)布的插座標(biāo)準(zhǔn)。主要適用于Athlon64F和一些服務(wù)器C2插座

2007年第三季度AMD公司將推出全新的SocetAM2插座標(biāo)準(zhǔn)，針腳跟現(xiàn)行的SocetAM2完全一樣。SocetAM2的整體性能將在SocetAM2的基礎(chǔ)上邁進(jìn)一大步。Slot插槽:Slot1插槽是Intel在推出Ⅱ時(shí)提出的一種規(guī)范。Slot1插槽是一個(gè)狹長(zhǎng)的242引腳的插槽，占據(jù)的空間較大，CⅡ、Ⅲ和Celeron處理器。Slot1插槽Slot2插槽采用該接口的CDAthlon處理器。23主要技術(shù)指標(biāo)

頻率主頻是CH外頻之下的Celeron800MH比66MH外頻之下的Celeron800MH運(yùn)行速度快。目前CH、200MH和266MH。

前端總線頻率FSB

是CD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IntelPentiumⅢ100MHz，133MHz100MHz，133MHzPentium4100MHz，133MHz，200MHz400MHz，533MHz，800MHzPentiumD200MHz800MHzCore2Duo266MHz1066MHzAMDK6-Ⅱ350以上（包括部分K6-Ⅱ300）100MHz100MHzK7（Athlon），Duron，Thunderbird100MHz，133MHz200MHz，266MHzAthlon64X2200MHz1000MHzVIAMⅢ（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(shí)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(jì)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CD的雷鳥（ThunderBird）和Athlon64能夠通過特殊手段對(duì)其倍頻進(jìn)行解鎖而實(shí)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(chǔ)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(shí)存儲(chǔ)CPU運(yùn)算時(shí)的部分指令和數(shù)據(jù)。高速緩存分為L(zhǎng)1Cache（一級(jí)高速緩存）和L2Cache（二級(jí)高速緩存）。L1和L2Cache的容量和工作速率對(duì)提高計(jì)算機(jī)速度起關(guān)鍵作用。

指令集MM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(gè)數(shù)據(jù)。通常用于動(dòng)畫再生、圖像加工和聲音合成等處理。3DNOW！技術(shù)是AMD公司在6-2，6-Ⅲ和7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(shí)際上是指一組機(jī)器碼級(jí)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(shí)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（StreamingSIMDEtensions）指令集指Intel在Ⅲ處理器中添加的70條新的指令,又稱為“MM2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MM的軟件運(yùn)行得更快。SSE指令可以兼容以前的所有的MM指令，新指令還包括浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的SIMD，C4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。SSE3指令

SSE3指令是Intel公司在entalStreamingSIMD，并不屬于SSE4指令。SSE4指令目前還沒有真正使用，預(yù)計(jì)會(huì)在2007年上市的45nm產(chǎn)品中應(yīng)用，包括第二代Core構(gòu)架的Nehalem處理器以及Core2DuoPenryn處理器。

工作電壓

CMM之前，所有的CMM開始，CPU運(yùn)行時(shí)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Soet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Socet架構(gòu)CPU的Vi/o相似。

地址總線寬度決定了CB的物理空間。目前，主流C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。目前，主流CPU的數(shù)據(jù)總線寬度為64位或128位。

生產(chǎn)工藝通?？梢栽贑或65nm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)據(jù)越小，表明CPU的生產(chǎn)技術(shù)越先進(jìn)，CPU的功耗和發(fā)熱也就越小，集成的晶體管也就越多，CPU的主頻也就能做得越高。

CPU的封裝封裝是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，通過芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的插槽與其他器件相連接。它起著安裝、固定、密封、保護(hù)芯片及增強(qiáng)電熱性能等方面的作用，而且是溝通芯片內(nèi)部與外部電路的橋梁，其復(fù)雜程度很大程度上決定了處理器的結(jié)構(gòu)特性。處理器封裝的發(fā)展主要有三個(gè)階段：DIP雙列直插封裝時(shí)代、載體封裝時(shí)代和PGAPin-GridArray，針柵陣列封裝或BGA（球柵陣列）封裝時(shí)代。

超線程技術(shù)超線程（Hyper-Threading）技術(shù)是Intel的創(chuàng)新技術(shù)。在一顆實(shí)體處理器中放入兩個(gè)邏輯處理單元，讓多線程軟件可在系統(tǒng)平臺(tái)上平行處理多項(xiàng)任務(wù)，并提升處理器執(zhí)行資源的使用率。使用這項(xiàng)技術(shù)，處理器的資源利用率平均可提升40%，大大增加了處理器的可用性能。64bit技術(shù)

64bit技術(shù)是相對(duì)于32bit而言的，64bit就是說處理器一次可以運(yùn)行64bit數(shù)據(jù)。64bit處理器主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是可以進(jìn)行更大范圍的整數(shù)運(yùn)算；二是可以支持更大的內(nèi)存。此外，要實(shí)現(xiàn)真正意義上的64bit計(jì)算，光有64bit的處理器還不行，還必有64bit的操作系統(tǒng)以及64bit的應(yīng)用軟件才行。目前，Intel公司和AMD公司都發(fā)布了多個(gè)系列多種規(guī)格的64bit處理器，而適合個(gè)人使用的64bit操作系統(tǒng)只有WindowsVista。目前，主流CD公司的AMD64bit技術(shù)和Intel公司的EM64T技術(shù)。

雙核心技術(shù)雙核心處理器是在一個(gè)處理器上擁有兩個(gè)功能相同的處理器核心，就是將兩個(gè)物理處理器核心整合到一個(gè)內(nèi)核中。事實(shí)上，雙核心架構(gòu)并不是新技術(shù)，它早就已經(jīng)應(yīng)用在服務(wù)器上了，只是現(xiàn)在才逐漸走向普通用戶。

內(nèi)存控制器傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存控制器位于主板芯片組