计算机组装与维护教案(3)--CPU

授课班级2006级计算机应用九大队1、2班2007级司法信息技术一大队13、14班周学时数4课题0.第三章CPU课时分配4教学目的：1.CPU的技术指标和参数2.指令特殊的扩展技术3.CPU的发展4.CPU杂谈5.通过CPU编号选购CPU教学重点：CPU的技术指标和参数、指令特殊的扩展技术教学难点：指令特殊的扩展技术教学设计：（反映为达到本章教学目的所进行的整体规划，内容组织与安排，教学过程控制的基本思路）本章授课计划为：第1次课讲授CPU的技术指标和参数、指令特殊的扩展技术。第2次课主要讲授CPU的发展、CPU杂谈、通过CPU编号选购CPU。主要掌握计CPU的发展及超频技术。教学过程与基本内容：CPU（CentralProcessingUnit）中文名称为中央处理器或中央处理单元，它是计算机系统的核心部件。CPU的性能高低直接影响着整台微机的性能，它负责微机系统中数值运算、逻辑判断、控制分析等核心工作。如果电脑中没有了CPU，就像人没有了大脑一样。计算机的一切工作都在此完成，人们常以它来判定计算机的档次。CPU的内部结构可分为控制单元、运算单元和存储单元3大部分，其工作原理就像一个工厂对产品加工过程：进入工厂的原料（数据），经过物资管理部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（运算单元），生产出成品（处理后的结果）后，再存储在仓库（存储单元）中，等着拿到市场上去交易（交由应用程序使用）。一、CPU的技术指标和参数1、主频CPU的主频也称为内频，是指CPU内部的工作频率或时钟频率，单位为MHz（兆赫兹）或GHZ（吉赫兹）。表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。主频的高低直接影响CPU的运算速度，一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，当然CPU的速度也就越快了。CPU的主频通常和其型号标注在一起的，如PentiumⅡ/450指其主频为450MHz，Pentium4/1.70GHZ其主频为1.7GHZ，由于各种CPU的内部结构不尽相同，所以并非时钟频率相同性能就一样。如PⅡ800和PⅢ800。2、外频CPU外部工作频率称为外频，是指CPU与外部设备（内存或主板芯片组）之间的数据交换速度。外频速度高，CPU就可以同时接受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。3、倍频是CPU的内部频率与整个系统的频率（外频）之间的倍数。从486DX2开始，CPU的主频与外频就不一致了，而想让CPU更好的工作就要将整个系统的频率（外频）与CPU的内部频率以一定的倍数工作，即主频=外频×倍频。实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大，常会出现“瓶颈”即CPU等外频送来数据，浪费CPU的计算机能力，早期的倍频一般为5—8倍，而现在P4机多为8—17倍，通过这样的设置CPU的性能能够得到比较充分的发挥。4、地址总线宽度地址总线宽度决定了CPU可以直接寻址的内存空间大小，位数越大，则可以直接寻址空间就越大。例如，32位地址总线，可直接寻址4GB的内存空间。地址总线宽度也已由最初的8位发展到现在的64位。5、数据总线宽度数据总线宽度是CPU内部可以同时传输的数据位数，即一次性可传输数据的位数。位数越多，速度当然就越快，则CPU性能就越好。数据总线宽度已由最初的8位发展到了目前的64位。6、L1Cache：即一级缓存，可达128KB，可提高系统性能的20%，现分为数据缓存和指令缓存两部份。7、L2Cache：即二级缓存，可达1MB，目的是为了弥补L1Cache容量不足的问题。8、生产工艺：早期的CPU大多采用0.5µm的制作工艺，后来随着CPU频率的提高，0.25µm制作工艺被普遍采用。在1999年底，Intel公司推出了采用0.18µm制作工艺的PentiumⅢ处理器，即Coppermine（铜矿）处理器。更精细的工艺使得原有的晶体管电路更大限度地缩小了，能耗越来越底，CPU也就更省电。9、工作电压：CPU正常工作所需的电压，早期的CPU（286、386、486）由于制作工艺落后，因此工作电压较大，一般为5V（奔腾是3.5V、3V、2.8V等）左右，导致CPU的发热量过大，电子迁移现象缩短了CPU的使用寿命。现在随着CPU制作工艺的提高，工作电压一般在1.5V—2.0V之间，使CPU发热量问题得到很好的解决。10、插槽类型：分为两大类：一类是针脚式Socket构架，一类为插卡式Slot构架。Socket为ZIF（零插拔力）插座，常用Socket7、Socket370、Socket423、478。Slot常用的有Slot1、Slot2、SlotA三种。11、协处理器：也称为数字协处理器NPU，主要用于浮点运算，因此286、386、8088等微机CPU的浮点运算性能都相当落后，自从486以后，CPU一般都内置了协处理器，协处理器的功能也不再局限于增强浮点运算，含有内置协处理器的CPU，可以加快特定类型的数值计算，某些需要进行复杂计算的软件系统，如AutoCAD就需要协处理器支持。12、动态处理：动态处理是应用在高能奔腾处理器中的新技术，动态处理不是简单执行一串指令，而是通过操作数据来提高处理器的工作效率。主要包括：⑴多路分流预测：通过几个分支对程序流向进行预测提高运行的速度（预测精确度可达90%以上）；当采用多路分流预测算法后，处理器便可以参与指令流向的跳转。这是因为处理器在取指令时，还会在程序中寻找未来要执行的指令，该项技术可以加速向处理器传送任务。⑵数据流量分析：抛开原程序的顺序，分析并重排指令，优化执行顺序。处理器读取经过解码的软件指令，判断该指令能否处理或是否需与其他它令一道处理。然后处理器再决定如何优化执行顺序以便高效地处理和执行指令。⑶猜测执行：通过提前判断、读取并执行有可能需要的程序指令的方式来提高执行的速度。当处理器执行指令时（每条5次），采用的是“猜测执行”的方法。这样可使PentiumⅡ及以上的处理器超级处理能力得到充分的发挥，从而提升软件性能。被处理的软件指令是建立在猜测分支的基础之上，因此结果也就作为“预测结果”保留起来。一旦其最终状态能被确定，指令便可返回到其正常顺序。二、指令特殊的扩展技术1、MMXMMX（MultiMediaeXtnsion,多媒体扩展指令集）是Intel公司于1996年推出的一项多媒体增强技术，共有57条多媒体指令。MMX指令集侧重于整数运算，2、3DNow！3DNow！（机器码的扩展指令集）是AMD公司推出的一项CPU增强技术，共有21条指令。被广泛用于AMD的K6-2、K6-3和Athlon（K7）处理器上。3DNow！指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等三维方面，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。（注：每个周期可执行四个浮点运算）3、SSESSE（StreamingSIMDExtensions,单指令多数据流扩展指令集）是Intel公司在PⅢ中率先推出的。共有70条指令，其中有50条用来提高3D图形运算效率，12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存数据传输指令。SSE指令与3DNow！指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow！的功能。三、CPU的发展1、Inter公司的CPU1、40041971年11月，英特尔公司推出世界上第一个微处理器——英特尔4004芯片。这是一个具有4比特总线配置、108千赫的芯片，做在一个3毫米×4毫米的掩模上，有2250个晶体管，每秒运算量高达6万次，售价为200美元的芯片，在电脑业掀起了滔天巨浪。此后，Intel更是一发而不可收，1985年推出386处理器系列，1988年486问世，1993年推出功能更为强大的Pentium芯片，此后，Intel以10倍速的速度奔腾向前，使计算机奔向世界各地。Intel4004催生了个人电脑，成为大型机与小型机的终结者，成就了COMPAQ与DELL，促进了信息产业的繁荣与发展。Intel4004的横空出世引发计算机业第二次工业革命。2、80801972年Intel公司推出8位8008，所图3-4所示。但速度慢，功能不足。1974年推出8080，时钟2MHz控制64KB内存。3、80861978年Intel公司推出，16位8086（又称为80186）最大控制内存为10时钟4077MHz，使用了X88指令集。所图3-5所示4、80286：1982年推出，集成125万个晶体管，时钟6MHz-25MHz，具有16位的数据和地址总线的Intel80286。5、803861985年推出，具有32位的数据和地址总线，采用2微米，最大控制内存为4096K，主频16M-40MHz的Intel80386。可分为80386SX和80386DX。80386SX为准32位即内部为32位外部为16位，80386DX为真32位即内、外总线全为32位。6、804861989年集成120万，采用1微米制做工艺，内部集成8K的Cache和能进行浮点运算的NPU，并且CPU芯片与主板分开，是32位的地址和数据总线，分为80486SX和80486DX。486SX的工作频率为16/20/25/33，无NPU，486DX的工作频率为25/33/50，存在NPU。7、Pentium/5861993年3月Intel公司推出PentiumCPU为第一代奔腾产品，采用0.8微米的制造工艺，核心为5V的电压，属于64位处理器，其主频为60/66MHz，集成310万晶体，具有2条通道。随后又相应推出PentiumPRO（高能奔腾）和PentiumMMX（多能奔腾）两款产品。注：相同产品有AMD的K5、K6和Cyrix的6X86、6X86MX。8、PentiumⅡ1997年5月，第一块PⅡ问世，同时PⅡ有众多的分支和系列产品。⑴.第一代PⅡ：运行在66MHz总线上，主频为233、266、300、333四款，生产工艺为0.35微米，内含750万个晶体管，集成了32KB的L1（分为16KB指令缓存和16KB的数据缓存）和256KB的L2，包含57条MMX指令，采用Slot1构架击跨对手。⑵.第二代PⅡ，1998年生产，采用0.25微米的生产工艺，880万个晶体管。同时推出高端工作站和服务器的PⅡXeon（至强）处理器，主频为400MHz，外频为100MHz。9、Celeron（赛扬）1998年推出低端市场的Celeron处理器，是PⅡ的简化版，早期内部无L2，但在Celeron300A以后加入了L2，并开始采用0.25微米工艺，此后相断推出CeleronⅡ、CeleronⅢ和Celeron4。10、PⅢ/PⅣ1999年推出第一款PⅢ采用Slot构架，外频为100/133MHz，0.25微米工艺，主频在450-600MHz之间，支持SSE指令集。随后推P4，时钟频率为1.4G-1.5G,0.18微米的生产工艺，1.7V电压，外部频率为400MHz。2、AMD公司的新款CPU1．Athlon(K7)Athlon(阿斯龙)又叫K7，如图3–12所示。此款产品相对于AMD以前的产品可算是革命性的进步，它不是直接拷贝Intel的架构，而是创造了一种属于自己的PC平台。做为CPU业界中的亚军－AMD，可谓无人不知，无人不晓。AMD，这家以高尖端技术设计和制造大规模集成电路的厂商，创业来一直致力发展和推动着计算机事业的行进脚步。在近三十年的与INTEL的抗争中，AMD稳扎稳打，不断地革新技术，以自己的实力验证着AMD的业绩，正是因为AMD，才打碎了INTEL垄断CPU世界的梦想，也是因为AMD，才有了像K6－2一样性价比优异的产品面世。从早期跟随INTEL后尘生产486／5X86时起，到自己创新研发K6／K6－2／K6－3，AMD才真正逐步树立起了自己巨人的形象。但AMD并没有沾沾自喜，因为摆在AMD面前的路仍然很崎岖，面对着INTEL一次次强大的攻势，1999年的6月23日，AMD终于倾尽全力发布了最新的高端处理器Athlon（原名为K7）。Athlon的出现，无疑又一次掀起商战的波澜，其锐利的矛头直接指向INTELPIII。技术指