第3章 中央处理器CPU

第3章中央处理器CPU-1-第3章中央处理器CPU3.1CPU主要技术3.2处理器发展历程3.3CPU选购与辩别3.4关于超频问题3.5CPU故障分析与排除第3章中央处理器CPU-2-第三章中央处理器CPU中央处理器简称CPU（CentralProcessingUnit）是一块超大规模集成电路芯片，它是整个计算机系统的核心。CPU主要包括运算器、控制器和寄存器三个部件。这三个部件相互协调，便可以进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。其中运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算；而控制器是指挥中心，控制运算器及其它部件工作，它能对指令进行分析，作出相应的控制；寄存器是用来暂时存放运算的中间结果或数据。第3章中央处理器CPU-3-3.1CPU主要技术3.1.1字长或位数CPU的字长通常是指CPU内部数据总线宽度或位数。我们知道CPU有内部数据线和外部数据线之分，比如8088的CPU内部数据线为16位，而外部数据线为8位，那么我们就说它的字长为16位，仍是16位处理器，只不过是CPU与内存交换数据时是按8位方式传送数据的。又比如Pentium4CPU内部数据线为32位，而外部地址线是36位，外部数据线为64位，它的字长仍然为32位，所以Pentium4还是32位处理器，而不能称为64位处理器。第3章中央处理器CPU-4-3.1.2CPU主频、外频、FSB频率CPU主频也叫CPU的工作频率或CPU内部总线频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率，也就是CPU自身工作频率。CPU的外频是指CPU从主板上获得的工作频率。它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的基准时钟频率，也就是主板的工作频率。为了提高CPU的工作频率，就在CPU内部增加一个时钟倍频电路，这个时钟倍频电路将从CPU外部接收到时钟信号，即外频，按照一定的倍频系数提高，从而获得CPU实际运行的工作频率，这个频率就是CPU的主频。这样CPU主频、外频和倍频系数关系如下：CPU主频=CPU外频×倍频系数第3章中央处理器CPU-5-如3.5G的P4外频是133MHz，倍频系数就是26.3。前端总线（FSB：FrontSideBus）指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通道，因此也可以称为是CPU的外部总线。在PⅢ以前，前端总线频率和外频没有什么区别，前端总线频率也就是外频。但自从AMD发布Athlon（速龙）CPU之后，前端总线频率与外频关系发生了变化。在Athlon中使用所谓的EV6技术，Athlon的前端总线等效的工作频率是外频的2倍。第3章中央处理器CPU-6-同样，如Intel的P4处理器工作在200MHz的外频时，由于P4采用了4条64位宽的前端总线，即我们常说的四通道前端总线，每个通道工作频率还是200MHz，那么该P4的前端总线频率变为4×200MHz=800MHz，更准确地说，CPU的外频描述的是CPU外部时钟发生器的工作频率，也就是从主板获得的工作频率。而前端总线频率描述的是CPU与内存交换数据的数据传输率，也就是CPU的外部数据传输率。第3章中央处理器CPU-7-3.1.3高速缓冲存储器CacheCache就是用来存放CPU将要处理的数据，或者说根据Cache的算法，将程序有可能要执行的指令或数据先放到Cache中。当CPU处理数据时，首先到Cache中查找所要读取的数据或指令，如果找到则直接读取，称为命中。如果没有找到，再到内存中查找所要读取的数据。在CPU访问数据时，能在Cache中直接找到数据的概率称为Cache命中率，它是Cache的一个重要指标，与Cache的大小、Cache算法、程序特性等因素有关。第3章中央处理器CPU-8-当CPU向Cache写数据时有两种方式，一种称为写通式（CacheWriteThrough），另一种称为回写式（CacheWriteBack）。写通式Cache的工作原理是在CPU对Cache写入数据的同时，将数据也写入到内存中，这样可保证Cache中的内容与内存中的内容完全一致。这种方式简单、可靠。但由于每次对Cache更新时都要对内进行写操作，因此总线工作频繁，运行速度也会受到影响。第3章中央处理器CPU-9-回写式Cache是在CPU将数据写入Cache时并不立即将数据写入内存中，而是等CPU空闲时再把数据写入内存中。Cache中的数据若未被新的数据所取代，则没有必要立刻进行内存的写操作。这样可以减少CPU将数据写入内存的次数，从而提高系统运行的速度。但这种方式在突然断电的情况下容易引起数据丢失。现在的CPU大都采用回写式Cache。第3章中央处理器CPU-10-从486CPU开始，CPU芯片中集成了一定容量的Cache高速缓存。目前CPU一般设有一级缓存（L1Cache）和二级缓存（L2Cache）来提高Cache的命中率。一般来说，设在CPU芯片内的L1Cache的工作频率与CPU的主频相同。设在CPU芯片内的L2Cache运行速度分为两种，一种与CPU的主频相同，称为全速快取。另种是CPU的主频一半，称为半速。Cache技术不仅仅用在CPU中使用，在光驱、硬盘等设备中也广泛地使用Cache技术。第3章中央处理器CPU-11-3.1.4指令特殊扩展技术指令特殊扩展技术指CPU有对x86指令集进行指令扩展的技术，目的是提高计算机的性能。1．MMX主要用于增强CPU对多媒体信息的处理，提高CPU处理3D图形、视频和音频信息的能力。2．3DNOW!是重点提高了AMD公司K6系列CPU对3D图形的处理能力。3．SSE是因特网数据流单指令序列扩展，SSE包括了原MMX和3DNow!指令集中的所有功能，而且特别加强了SIMD浮点处理能力。CPU具有特殊扩展指令集后还必须在应用程序的相应支持下才能发挥作用。第3章中央处理器CPU-12-3.1.5移动型CPU节能技术1．Intel的SpeedStep和QuickStart技术SpeedStep技术就是当笔记本电脑是使用外接电源适配器供电时，CPU就工作在标准的电压和频率之下，而当电脑使用内置电池供电时，CPU的主频和电压就会自动地降低。QuickStart技术是检测CPU的工作负荷，当CPU处于空闲状态时，就把CPU置于休眠状态，到需要时再迅速恢复工作状态第3章中央处理器CPU-13-2．AMD的PowerNow！PowerNow！技术分为三个模式：高性能模式（High-performanceMode）、电池节约模式（BatterySaverMode）和自动模式（AutoMode）。3．Transmeta的LongRunLongRun技术的最大特点就是连续地检测软件运行对CPU资源的需求，动态而平滑地优化调节CPU所需的电压和时钟频率，而且一旦监测到不需要CPU资源时，马上就能使CPU进入休眠状态。第3章中央处理器CPU-14-3.1.6CPU的生产工艺CPU生产工艺是指CPU制造工艺技术，目前生产CPU主要是采用“光刀”加工各种电路和元器件的，并采用金属铜沉淀在硅材料上后用“光刀”刻成导线连接各元器件。现在光刻的精度一般用微米（um）表示，精度越高表示生产工艺越先进。因为精度越高则可以在相同面积的硅材料上生产出更多的元件，所加工出的连接导线也就越细和越短，这样生产出的CPU工作频率可以做得更高。一般来说“生产工艺”中的数据越小，表明CPU生产技术越先进。第3章中央处理器CPU-15-在CPU芯片上，如果这些连接导线为铜质材料，我们称该芯片是采用了铜技术的铜芯片。铜技术的优势非常明显，铜的电阻小，发热量低，铜工艺制造芯片技术能有效地提高芯片的速度，减小芯片的面积。而且铜技术芯片还能使更小的微米工艺更容易实现。2001年之后，许多厂商都将转向0.13微米的铜制造工艺，采用铜制造工艺是CPU制造工艺技术史上又一次革命，它克服了铝制造工艺的限制，大幅度提高CPU工作频率，提高了CPU芯片的集成度，使得像赛扬、PentiumⅢ等低端CPU突破原来因制造工艺难以提高主频的限制，延长了低端CPU的使用寿命。也使得P4主频在不到两年的时间内达到了3.5GHz。第3章中央处理器CPU-16-3.1.7超线程技术超线程技术，简称HTT技术就是在CPU中加入两个逻辑处理单元，利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，挖掘单个物理处理器的潜力，使单个处理器能同时使两个线程并行工作，从而兼容多线程操作系统和软件，提高处理器的性能。使用超线程技术可以使CPU的性能提高25%左右。目前3.06GHz的P4处理器开始支持超线程技术。支持超线程技术需软硬件的支持，硬件方面需要主板芯片组的支持，软件方面需要BIOS和操作系统的支持。例如使用超线程技术的处理器安装完WindowsXP后，在设备管理器中能看到两个处理器图标。第3章中央处理器CPU-17-3.1.4其它技术1．流水线技术。例如，在CPU中由5个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条指令分成5步后，再由这些电路单元分别同时执行。显然，这种工作方式要比原来的工作方式提高了5倍，因此大大提高了CPU的运算速度。2．乱序执行技术。乱序执行（out-of-orderexecution）是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。第3章中央处理器CPU-18-3．动态执行技术。动态执行技术是在奔腾处理器中采用的新技术，它把多路分支预测、数据流量分析和猜测执行三项专为提高处理器对数据的操作效率而设计的技术融合在一起。（1）分支预测：通过几个分支对程序流向进行预测，采用多路分支预测算法后，处理器在取指令时，会在程序中寻找未来要执行的指令，能预测下一条指令在内存中的位置。（2）数据流量分析：抛开原程序的执行顺序，分析并重排指令，优化指令执行顺序。（3）猜测执行：通过提前判断并执行有可能需要执行的指令称为猜测执行。第3章中央处理器CPU-19-3.2处理器发展历程3.2.1早期的处理器1971年。Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004。1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086。1979年，Intel公司推出了8088芯片。1982年，Intel公司推出了划时代的最新产品80286芯片。1985年Intel推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一款32位微处理器。1989年，Intel推出了80486芯片。第3章中央处理器CPU-20-1993年Intel推出了全新一代的高性能处理器Pentium，又称奔腾处理器。。1995年Intel推出PentiumPro处理器，又称为高能奔腾。1997年Intel又推出当时影响力最大的PentiumII处理器，3.2.2赛扬Celeron处理器1998年4月Intel公司推出第一款Celeron处理器，又称赛扬处理器，与奔腾Ⅱ相同的“Deschutes”核心。现在的赛扬已经采用PⅢ或P4的核心结构，它们作为高性价比的CPU，占据着奔腾Ⅲ或P4以下的CPU市场，现在的赛扬似乎成了奔腾Ⅲ或P4的简化板。第3章中央处理器CPU-21-新赛扬是0.13微米制造工艺，与PⅢ对应的接口仍采用Socket370结构，与P4对应的接口采用了Socket478结构。3.2.3PentiumⅢ处理器PentiumⅢ是Intel公司1999年推出的处理器，又称奔腾三代处理器。PⅢ集成了P6微结构处理器的最佳性能，在多媒体处理、通讯和Internet性能上比PⅡ都有很大的改进。3.2.4Pentium4处理器2000年11月21日，Intel公司正式推出了Pentium4处理器，P4也是一种兼容x86指令集的IA-32处理器，它采用名为“NetBurst”的结构，跟原有的P6结构完全不同。第3章中央处理器CPU-22-1．P4处理器的特点P4的前端系统总线频率(FSB)为400MHz。P4处理器彻底摒弃了传统的X87浮点处理结构，改而使用最新的64位单指令多重数据SIMD技术。P4使用第二代SSE2指