计算机组装与维护第3章_电脑的心-CPU

第3章CPU•3.1CPU概述•3.2选购CPU•3.3CPU的故障分析3.1CPU概述•3.1.1CPU的类型•3.1.2CPU的性能指标3.1.1CPU的类型•1．4位处理器•2．8位处理器•3．16位处理器•4．32位处理器•5．64位处理器1．4位处理器4004CPU是Intel公司于1971年推出的第一款微处理器，如图所示。这一突破性的发明最先应用于Busicom计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。它能同时处理4位数据，晶体管数量为2300个，时钟频率为1MHz，其中包括了寄存器、累加器、算术逻辑部件、控制部件、时钟发生器以及内部总线等组件。2．8位处理器•自第一款CPU推出后不久，Intel公司于1972年推出了8位处理器8008，如图所示。它的性能是4004的两倍，它能同时处理8位数据，晶体管数量为3500个，速度为200kHz。•1974年Intel公司又推出了8080CPU（如图所示），然后在1976年推出了8085CPU，它们都是8位处理器。3．16位处理器•1978年，Intel公司生产出了具有16位处理能力的CPU8086，如图所示。1979年，Intel公司又开发出8088CPU，它有40针脚，集成了29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz。8086和8088问世后不久，Intel公司就开始对它们进行改进，把更多的功能集成在芯片上，这样就诞生了80186和80188，这两款微处理器内部均以16位工作。•1982年，Intel公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器，如图所示，该微处理器的最大主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位。4．32位处理器1985年10月17日，Intel公司划时代的产品——80386DXCPU正式发布，如图所示。其内部集成了27.5万个晶体管，DX表示双字节外部数据总线。其数据总线和地址总线均为32位，可直接寻址内存空间为4GB，时钟频率为12.5MHz，而且还在80286的基础上又增加了一种具备多任务能力的虚拟86方式，从此标志着CPU进入了32位时代。5．64位处理器•2003年，AMD公司领先一步推出了具有64位处理能力的Athlon64处理器，如图所示。它有SledgeHammer、ClawHammer、NewCastle和Winchester4种核心；Socket754、Socket939和Socket9403种接口；0.13μm和0.09μm两种制造工艺。•2006年7月27日Intel公司面向家用和商用个人计算机与笔记本计算机，发布了全新的Core2Duo双核处理器，如图所示。3.1.2CPU的性能指标•1．CPU的频率•2．CPU的位和字长•3．CPU的缓存•4．前端总线•5．CPU的制造工艺•6．CPU的接口和内核•7．指令集•8．防病毒技术•9．虚拟化技术•10．双核1．CPU的频率•CPU的频率有主频、外频和倍频，它们分别代表不同的含义。•（1）主频也叫时钟速度（ClockSpeed），表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。主频越高，CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多，CPU的运算速度也就越快。CPU主频的高低与CPU的外频和倍频有关，其计算公式为：主频=外频×倍频。•（2）外频是CPU与主板之间同步运行的速度，目前绝大部分计算机系统中外频的方式也是内存与主板之间同步运行的速度。在这种方式下，CPU的外频直接影响内存的访问速度，外频速度高，CPU就可以同时接受更多来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提高。•（3）倍频就是CPU的运行频率与整个系统外频运行频率之间的倍数。在相同的外频下，倍频越高，CPU的频率也越高。从有关的计算得知，CPU的外频在5～8倍的时候，其性能能够得到比较充分的发挥，如果超出这个数值，都不是很完善。如果设置偏低，则CPU运算速度很慢，设置过高，就会出现显著的“瓶颈”效应，系统与CPU之间进行数据交换的速度跟不上CPU的运算速度，从而浪费CPU的计算能力。2．CPU的位和字长•绝大多数计算机都是使用二进制数进行运算的。在运算时，计算机通过使用高低不同的电压来区分0和1这两个不同的数值，对于单独的一个0或1，可以称其为1位，即1bit，简称1b。如十进制数7换算成二进制数是111，称其为3bit，简称3b。另外，在计算机中，还有一个计量数据的单位，即字节（Byte），简称B，1字节＝8位，即1B＝8b。•CPU在电流发生一次变化（即1Hz）的过程中所能处理的数据量是恒定的，通常称这个恒定的数据量为字长，其单位为位（bit）。把能处理字长为32位数据的CPU通常叫做32位的CPU，同理，64位的CPU就能在单位时间内处理字长为64位的二进制数据。3．CPU的缓存•缓存（Cache）又称为高速缓存，是可以进行高速数据传输的存储器。由于CPU运行速度远远高于内存和硬盘等存储器，因此有必要将常用的指令和数据等放进缓存，让CPU在缓存中直接读取，以提升计算机的性能。CPU的缓存分为两种，即L1Cache（一级缓存）和L2Cache（二级缓存）。•由于高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，因此CPU生产厂商纷纷力争加大高速缓存的容量。不过高速缓存均由静态RAM组成，结构较复杂，且成本也较高，因此以前的CPU内部只集成了L1Cache，而把L2Cache放置在主板上。•后来Intel推出了双独立总线结构，将L2Cache也集成到了CPU内部，但只能以CPU速度一半的频率工作。现在，Intel公司与AMD公司已经成功地将L2Cache集成在CPU内部，并能以与CPU相同的速度工作，称为全速二级高速缓存。4．前端总线•总线是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息常以MHz表示的速度来描述总线频率。主板上的北桥芯片是负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU通过前端总线连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够带宽的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机的整体速度。•数据传输最大带宽取决于所有同时传输数据的宽度和传输频率，即数据带宽＝（总线频率×数据位宽）÷8。计算机中常见的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz和800MHz等，前端总线频率越大，代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越强，更能充分发挥出CPU的性能。•现在的CPU技术发展很快，运算速度得到很大的提高，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据提供给CPU，较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能的发挥，成为系统瓶颈。显然在同等条件下，前端总线越快，系统性能越好。5．CPU的制造工艺•制造工艺是指在生产CPU过程中，要加工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。通常其生产的精度以微米和纳米（1纳米等于千分之一微米）表示，精度越高，说明其生产工艺越先进。使用同样的材料可以制造更多的电子元件，连接线更细，CPU的集成度更高，功耗也更小。•芯片制造工艺在1995年以后，逐步经历了0.5µm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm、90nm、65nm以及更新的45nm、30nm的制造阶段。CPU的表面上标有0.18µm或0.13µm等字样，这个数据越小，表明CPU的制造工艺越先进。•受制造工艺的影响，目前Intel公司和AMD公司几乎都在使用0.13µm技术生产CPU，不过很快就将转向0.09µm的工艺生产，即时CPU的核心面积可以做得更小，更加省电，而CPU的发热量有望进一步降低，其频率可再次提升。6．CPU的接口和内核•CPU的接口是指CPU与主板之间的连接方式，它也是一个重要的性能指标。早期的CPU是直接焊接在主板上的，后来逐渐独立出来，也就有了各式各样的接口，如Slot1、Socket370、Socket939、SocketAM2和LGA775等。•CPU中心那块隆起的芯片就是内核，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据等操作都由核心来执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有科学的布局。目前IntelCPU的核心包括Proscott、Conroe和Allendale，主流的AMDCPU的核心包括Windsor和Brisbane。7．指令集•CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。•从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，如Intel的MMX（MultiMediaExtended）、SSE、SSE2（Streaming-Singleinstructionmultipledata-Extensions2）和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图像和Internet等方面的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为“CPU的指令集”。8．防病毒技术•CPU内嵌的防病毒技术是一种硬件防病毒技术，它与操作系统相配合，可以防范大部分针对缓冲区溢出（bufferoverrun）漏洞的攻击（大部分是病毒）。Intel的防病毒技术是EDB（ExcuteDisableBit），AMD的防病毒技术是EVP（EhancedVirusProtection）。它们的原理大同小异。•严格来说，目前各个CPU厂商在CPU内部集成的防病毒技术不能称之为“硬件防毒”。首先，无论是Intel的EDB还是AMD的EVP，它们都是采用硬软结合的方式工作的，都必须搭配相关的操作系统和软件才能实现；其次，EDB和EVP都是为了防止因为内存缓冲区溢出而导致系统或应用软件崩溃的，而内存缓冲区溢出有可能是病毒所为，也有可能是应用程序设计的缺陷所致，称之为防缓冲区溢出攻击更恰当。9．虚拟化技术•CPU的虚拟化技术可以将单个CPU模拟成多个CPU并列运行，允许在一个平台上同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。•虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时并行运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每个操作系统中都有多个程序运行，每个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。•虚拟化技术也与目前VMwareWorkstation等同样能达到虚拟效果的软件不同，具体表现在减少软件虚拟机相关开销和支持更广泛的操作系统方面。CPU的虚拟化技术是一种硬件方案，支持虚拟技术的CPU带有特别优化过的指令集来控制虚拟过程，通过这些指令集，VMM会很容易提高性能，相比软件的虚拟实现方式在很大程度上提高了性能。10．双核•双核心技术其实就是在基于单个半导体的一个CPU上拥有两个一样功能的处理器核心，即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中，使CPU的数据处理速度达到或超过同样性能的两个CPU共同工作的效能。•现在的CPU，不仅有了双核，还有4核心技术，就是将4个物理处理器核心整合入一个CPU内核中。上市的4核心Core2QX6700处理器凭借近4倍于单核2.66GHzCore2处理器的常规性能，展示出4核处理器撼人心魄的魅力。3.2选购CPU•3.2.1选购CPU的一般原则•3.2.2鉴别CPU3.2.1选购CPU的一般原则•1．性价比•2．应用领域•3．质保1．性价比选购CPU时，性价比是比较重要的一个因素。比如Intel的CPU兼容性好，但是其价格普遍比AMD的CPU高。2．应用领域•一般