计算机的核心CPU

第2课CPU江苏建筑学院韩本课要点CPU的发展CPU的性能指标主流CPU产品CPU的选购具体要求了解CPU的发展掌握CPU的性能指标了解Intel公司的CPU产品掌握CPU的选购方法掌握识别CPU的方法2.1CPU概述CPU是中央处理器（CentralProcessingUnit）的缩写。CPU是计算机的控制和运算核心，其主要功能是执行指令、处理软件中的数据信息，它是计算机的核心部件，任何一台计算机的运行都离不开CPU。1CPU的作用CPU是数据处理和程序执行的核心。其主要作用有：执行指令算术运算和逻辑运算数据存储、传送控制I/O（输入/输出）操作2CPU的物理结构CPU的内部结构控制单元运算单元存储单元3CPU的工作原理CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。CPU的工作原理CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。2.2CPU的性能指标CPU的性能高低影响整台计算机系统处理数据的速度，下面将介绍一些和CPU相关的性能指标。影响Cpu性能参数主要有CPU的主频核心数缓存容量制造工艺等1CPU的频率主频：是指计算机运行时的工作频率，也叫做CPU的时钟频率或核心频率，CPU的频率表示CPU内部数字脉冲信号振荡的速度，代表了CPU的实际运算速度，单位是GHz。CPU的频率越高，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＝外频×倍频。2在CPU不断快速的取指令，执行指令和处理数据时，由于数据转移和cpu处理的时差，可能会出现混乱的情况，因此需要一个时钟来控制cpu的每一个动作。时钟就像一个节拍器不停地发出时钟脉冲来控制cpu的步调，这种时钟脉冲振荡的频率就是cpu的主频。时钟频率，类似人类的心跳1Hz一秒钟跳动一个周期一个人的心跳每分钟60次，那么心跳的频率就是1Hz外频外频即CPU的基准频率，单位是MHz。是CPU与主板之间同步运行的速度。外频速度高，CPU就可以同时接收更多的来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提高。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。在台式机中，所说的超频，都是超CPU的外频倍频倍频是CPU运行频率与系统外频之间差距的参数，也称为倍频系数，通常简称为倍频。在相同的外频下，倍频越高，CPU的频率就越高。CPU主频＝外频×倍频。2CPU的位和字长在计算机中是以二进制进行数据的处理和运算的，数据的组成代码是“0”和“1”。在计算机中把这样的一个代码叫1位（bit），如十进制数8换算成二进制数就是1000，其在计算机中被认为是4位。但是由于位的单位太小，于是把每8位称为一个字节（Byte），即1字节＝8位（1Byte＝8bit）。在计算机技术中，对CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为32位数据的CPU通常就叫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。4CPU的缓存Cache缓存（Cache）的作用是为CPU和内存在数据交换时提供一个高速的数据缓冲区。当CPU要读取数据时，首先会在缓存中寻找，如果找到了则直接从缓存中读取，如果在缓存中未能找到，CPU才会从主内存中读取数据。CPU缓存一般分为L1Cache、L2Cache和L3Cache。CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运行，工作效率远远大于系统内存和硬盘。L1高速缓存L1高速缓存（也称为一级高速缓存、L1Cache）L1Cache(一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。用于暂存部分指令和数据，以使CPU能迅速地得到所需要的数据。L1高速缓存与CPU同步运行，其对CPU的性能影响较大，容量越大，性能也会越高。在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。L2高速缓存L2高速缓存（也称为二级高速缓存、L2Cache）的容量和频率对CPU的性能影响也较大，它的作用就是为了协调CPU的运行速度与内存存取速度之间的差异。目前CPU的L2高速缓存有低至512KB，也有高达8MB的。L3CacheL3Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。2.3CPU的架构封装等1CPU的核心核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。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。为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。例如，Intel酷睿处理器的核心代号有二代酷睿SandyBridge、四代Haswell、六代Skylake。Skylake核心架构CPU的架构是指CPU采用的生产工艺,就是CPU内部结构，换句话说就是内部晶体管的排列方式，不同的微架构有不同的排列方式。，2CPU的接口CPU的接口（针脚）是指CPU与主板之间的连接方式，CPU的接口根据CPU的核心的不同而不同，CPU诞生初期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（针脚）。目前IntelCPU常见的接口有：LGA1156、LGA1155、LGA1151。高端市场：LGA1366和LGA2011LGA全称是LandGridArray，直译过来就是栅格阵列封装，与英特尔处理器之前的封装技术Socket478相对应，它也被称为SocketT。主要在于它用金属触点式封装取代了以往的针状插脚。而LGA1151，顾名思义，就是有1151个触点。Socket478LGA1150和LGA1151所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例，我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌，而是CPU内核等元件经过封装后的产品。3CPU的制造工艺（制程技术）制造工艺CPU制造工艺是指IC内电路与电路之间的距离。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。CPU的制造工艺直接关系到CPU的电气性能。线路宽度越小，CPU的功耗和发热量就越低，并可以工作在更高的频率下。目前Intel的主流产品的制造工艺技术已经达到14nm微米级别。4热功耗TDPTDP的英文全称是“ThermalDesignPower”，中文直译是“散热设计功耗”。主要是提供给计算机系统厂商，散热片/风扇厂商，以及机箱厂商等等进行系统设计时使用的。一般TDP主要应用于CPU，CPUTDP值对应系列CPU的最终版本在满负荷(CPU利用率为100%的理论上)可能会达到的最高散热热量，散热器必须保证在处理器TDP最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围之内。注意：由于CPU的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中，这样CPU的实际功耗（其值：功率P=电流I×电压U）也会不断变化，因此TDP值并不等同于CPU的实际功耗，更没有算术关系。举例来说，PentiumE2160TDP为65W，而实际运行中的平均功耗仅19W。2.4处理技术1超线程超线程（Hyper-Threading，简写为HT）是Intel为Pentium4专门设计的一项技术。超线程是一种同步多线程执行技术，一款应用超线程技术的IntelCPU可在逻辑上被模拟成两个CPU，这样CPU可以充分利用空闲资源同时处理两个任务集，从而在相同时间内完成更多任务。双核心可以理解为两个“物理”处理器；而超线程只是两个“逻辑”的处理器2流水线流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5－6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X86指令分成5－6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果3超标量超标量（superscalar）在一个时钟周期内，CPU可以执行一个以上的指令。超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理，其实质是以空间换取时间。4APUAPU(AcceleratedProcessingUnit)中文名字叫加速处理器，是AMD融聚理念的产品，它第一次将处理器和独显核心做在一个晶片上，它同时具有高性能处理器和最新独立显卡的处理性能，支持DX11游戏和最新应用的“加速运算”，大幅提升电脑运行效率，实现了CPU与GPU真正的融合。8CPU的指令集指令集是CPU用来计算和控制系统的命令，是与硬件电路相配合的一系列的指令。指令集对提高CPU的效率具有重要的作用，是CPU性能的重要指标之一，目前指令集有Intel公司的MMX，SSE，SSE2，SSE3、sse4EM64T和AMD主要是x86，x86-64，3D-Now!指令集判断CPU是否是64位：IntelEM64TAMDx86-64双核及以上CPU都是支持64位MMX是MultiMediaeXtensions（多媒体扩展）的缩写。MMX技术是在CPU中加入了特地为视频信号(VideoSignal)，音频信号(AudioSignal)以及图像处理(GraphicalManipulation)而设计的57条指令，因此，MMXCPU极大地提高了电脑的多媒体（如立体声、视频、三维动画等）处理功能。2.5CPU的发展CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史，按照其处理信息的字长，可以将CPU分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器，可以说个人计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。下面将介绍CPU从诞生到现今的发展历程。1.CPU的诞生1971年Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的4位微处理器，它集成了2300个晶体管。功能不全，实用价值不大4004微处理器2、第1代CPU第1阶段（1971——1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代典型产品：Intel4004、Intel8008微处理器基本特点：采用PMOS工艺，集成度低系统结构和指令系统简单，采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少，用于简单的控制场合。3.第二代8位微处理器时代第2阶段（1974——1977年）是8位微处理器时代，通常称为第2代。其典型产品是Intel8080/8085。它们的特点：采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约10~15倍。指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA等控制功能。软件方面除了汇编语言外，还有BASIC、FORTRAN等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作系统。4.第三代16位微处理器时代1978年Intel公司生产出了第一款16位微处理器8086，它是第三代微处理器的起点。8086的最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时Intel还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集。这些指令集统一称为x86指令集。Intel公司以后生产的CPU都兼容原来的x86指令。1979年Intel公司开发出了8088微处理器。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称