计算机硬件入门的途径之二.ppt

计算机常见术语的普及(1)CPU,计算机硬件知识入门的途径之二,2023/9/15,东北大学计算中心,焦明海,Email:,CPU系列型号,2023/9/15,东北大学 焦明海,Intel E6700的CPU，频率具有2.66GHz、1066MHz、4MB L2高速缓存、耗电量65W,CPU系列型号-参数,2023/9/15,东北大学 焦明海,型号 Core 2 Duo E6700 详细参数适用类型：台式机 接口类型：LGA 775核心类型：Conroe生产工艺：0.065um核心电压：1.3V 主频：2.66GHz外频：266MHz倍频：10X一级缓存：L1 64K二级缓存：L2 4096K前端总线频率：1066MHz 支持36bit的物理寻址和48bit的虚拟内存寻址其他：不支持 Hyper-Threading(超线程)64位处理器 Virtualization(虚拟化)支持核心数量：双核其它性能：MMX,SSE,SSE2,SSE3,SSE4,EM64T指令集,CPU双核起因,2023/9/15,东北大学 焦明海,奔腾D和奔腾E的来历2006年底到2007年初，AMD连续推出了一系列的双核产品，以其低廉的价格和较好的性价比抢占了中低端市场，而INTEL公司不愿降低酷睿双核的价格去和AMD打这场战役，于是选择了把CPU缩水这条路子来降低成本，和AMD竞争中低端市场。酷睿双核标识：intel core duo 代表酷睿1代，延伸出奔腾Dintel core 2 duo 代表酷睿2代，面向中高端用户，延伸出奔腾E,CPU系列型号,2023/9/15,东北大学 焦明海,双核 奔腾D和奔腾E在奔腾系列的台式机里面有两种双核：一种诞生在酷睿2之前奔腾D一种诞生在酷睿2之后奔腾E奔腾D是蹩脚双核，高频低能，功耗发热量极大，所以已经淘汰了，现在基本买不到。酷睿2性能出色、低频高能、低发热量、低功耗、超频性能好、价格昂贵,低端用户难以承受，Intel推出了一系列阉割版的酷睿2，命名为奔腾E。含义：为了纪念奔腾系列过去的成就（否则奔腾系列早就淘汰了），所以奔腾E也就是酷睿2的低端系列，全面代替过去的 奔腾D，奔腾E与酷睿2完全一样，采用的是同样的先进架构，只是主频和二级缓存不同。,CPU系列型号,2023/9/15,东北大学 焦明海,Intel双核 型号Intel Celeron E1200Intel Pentium E2160Intel Pentium E2180Intel Pentium E2200Intel Pentium E5200Intel Core 2 Duo E7200Intel Core 2 Duo E8200Intel Core 2 Duo E8400Intel Core 2 Quad Q6600,4核 酷睿2,2核 奔腾E,2核 酷睿2,Intel Core 2 Q6600时钟频率(GHz):2.40二级高速缓存容量(KB):4MB*2前端总线频:1066MHz系统外频:266MHz插槽结构:Socket 775适用类型:台式机CPU,Intel Core 2 E8200生产工艺:0.045um主频:2.66GHz二级缓存:L2 6144K前端总线频率:1333MHz外频 333MHz适用类型:台式机CPU,CPU级别系列,2023/9/15,东北大学 焦明海,AMD系列,AthlonX2,AthlonX2(左)与普通Athlon64(右),CPU系列型号,2023/9/15,东北大学 焦明海,AMD双核 型号AMD AM2 Athlon 64 X2 4600+AMD AM2 Athlon 64 X2 5000+AMD AM2 Athlon 64 X2 5200+AMD AM2 Athlon 64 X2 5400+黑盒 AMD AM2 Athlon 64 X2 6000+AMD Phenom X3 8450AMD Phenom X4 9550,3核,4核,2核,AM2 Athlon 64 X2 5000+(65nm)/盒装适用类型：台式机 接口类型：Socket AM2 核心类型：Brisbane 生产工艺：0.065um 核心电压：1.35V 主频：2.6GHz 外频：200MHz 倍频：13X 一级缓存：L1 2*128K 二级缓存：L2 2*512K 前端总线频率：1000MHz HyperTransport总线技术：支持 HyperTransport总线技术 Hyper-Threading(超线程)：不支持 Hyper-Threading(超线程),CPU系列型号,2023/9/15,东北大学 焦明海,2023/9/15,东北大学 焦明海,内部构成,2023/9/15,东北大学 焦明海,双核内部提供了一个称为System Request Queue(系统请求队列)的技术，在工作的时候每一个核心都将其请求放在SRQ中，当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心，也就是说所有的处理过程都在CPU核心范围之内完成，并不需要借助外部设备,内部构成,2023/9/15,东北大学 焦明海,双核AMD将两个核心整合在同一片硅晶内核之中，而Intel的双核心处理方式则更像是简单的将两个核心做到一起而已。与Intel的双核心架构相比，AMD双核心处理器系统不会在两个核心之间存在传输瓶颈的问题。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,超线程超线程(Hyperthreading Technology)技术就是通过采用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，实现模拟双处理器的效能。从实质上说，它是将单核CPU内部暂时闲置处理资源充分“调动”起来的技术。双核心CPU 在一块CPU基板上集成两个一样功能处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。双核心并不是一个新概念，而只是CMP(Chip Multi Processors，单芯片多处理器)中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。双CPU真正意义上的双核心，不光是处理器核心是两个，其他例如缓存等硬件配置也都是双份的。,2023/9/15,东北大学 焦明海,三者关系,举例说明把CPU比做一套住房。超线程技术就相当于把房间人为的通过添加屏风或者推拉门划分成两小间，虽然表面上每间居住者可以自己单独相处，但房间的资源被占用。双核心就相当于一套两居室，房子里有两个屋子，每个屋子都是独立存在的，互不干扰。但是出门必须经过同一大门，造成传送瓶颈。,2023/9/15,东北大学 焦明海,三者关系,举例说明双CPU就是两套房子，每个房子有每个房子的大门，我们出入大门不会像超线程那样共用一个门，也不会出现双核心那样一个房间因为某些原因影响另一间，即使某个房子播放音响也不会影响到另外一套房子。从价格上，单独一个房间的超线程无疑最便宜的，而两套房子的双CPU的花费是最贵。,2023/9/15,东北大学 焦明海,三者关系,性能比较(举例)假设CPU就是一个运输卡车，货物就是我们要计算的信息，CPU运算就类似于卡车运输货物。同一时间运送的货物越多，说明CPU运算能力越强。单CPU系统-相当于一辆卡车在一条车道上跑。由于车少，所以运输能力有限。以往CPU生产厂商都是在不断的提高卡车的载重即主频来提高他的运输能力。,2023/9/15,东北大学 焦明海,三者关系,性能比较(举例)HT(超线程)系统-相当于一辆双层卡车在一条车道上跑。由于是双层的，所以猛地一看以为是两辆车在跑，其实只有一辆。不过因为双层涉及到车高以及捆绑等问题，有的时候遇到限高的桥梁，需要人为的将货物卸下，手工搬运。所以说HT超线程适用的条件比较苛刻。,2023/9/15,东北大学 焦明海,三者关系,性能比较(举例)双核心CPU系统，相当于两辆卡车在一条车道上跑。虽然他运输的货物能力提高了，而且也不会频繁产生类似于HT超线程那样的冲突，但是因为他们都在一条车道上跑，所以互相避让减速的频率要比双CPU高得多。所以他的运输能力要比真正的双CPU系统差。,2023/9/15,东北大学 焦明海,三者关系,性能比较(举例)双CPU系统-相当于两辆卡车在两条相交的车道上跑。每辆车大部分都在自己的路上跑，但偶尔会相遇、停车避让。由于车多路宽，所以双CPU运输能力最强。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,主频CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集，CPU的位数等）。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。比如AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能已较低的主频，达到英特尔公司的Pentium 4系列CPU较高主频的CPU性能。主频仅是CPU性能表现的一方面，而不代表CPU的整体性能。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,主频CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度却至关重要。举例来说，假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,主频CPU的工作主频主要受到生产工艺的限制。CPU是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。制造工艺的限制，是CPU主频发展的最大障碍之一。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,64位技术介绍64位技术是相对于32位而言的，这个位数指的是CPU GPRs（General-Purpose Registers，通用寄存器）的数据宽度为64位，64位指令集就是运行64位数据的指令，也就是说处理器一次可以运行64bit数据。64bit处理器并非现在才有的，在高端的RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）很早就有64bit处理器了，比如SUN公司的UltraSparc、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha等。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,64位技术优点64bit计算主要有两大优点：1）可以进行更大范围的整数运算；2）可以支持更大的内存。不能因为数字上的变化，而简单的认为64bit处理器的性能是32bit处理器性能的两倍。实际在32bit应用下，处理器设计的性能甚至会更强。主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。其中IA-64是Intel独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于Itanium（安腾）以及后续产品Itanium 2。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,前端总线前端总线又称为系统总线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。总线的种类很多，前端总线的英文名字是Front Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,前端总线北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。CPU就是通过前端总线（FSB）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，如果没足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机整体速度。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,前端总线数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽（总线频率数据位宽）8。目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz几种，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大，更能充分发挥出CPU的功能。现在的CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给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性能得发挥，成为系统瓶颈。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,外频外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是MHz（兆赫兹）。在早期的电脑中，内存与主板之间的同步运行的速度等于外频，在这种方式下，可以理解为CPU外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。对于目前的计算机系统来说，两者完全可以不相同，但是外频的意义仍然存在，计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘以一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。与处理器外频密切相关的两个概念：倍频与主频，主频就是CPU的时钟频率；倍频即主频与外频之比的倍数。主频、外频、倍频，其关系式：主频外频倍频。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,外频在486之前，CPU的主频还处于一个较低的阶段，CPU的主频一般都等于外频。而在486出现以后，由于CPU工作频率不断提高，而PC机的一些其他设备（如插槽、硬盘等）却受到工艺的限制，不能承受更高的频率，因此限制了CPU频率的进一步提高，因此出现了倍频技术。该技术能够使CPU内部工作频率变为外部频率的倍数，从而通过提升倍频而达到提升主频的目的。倍频技术就是使外部设备可以工作在一个较低外频上，而CPU主频是外频的倍数。在Pentium时代，CPU的外频一般是60/66MHz，从Pentium 350开始，CPU外频提高到100MHz，目前CPU外频已经达到了200MHz。由于正常情况下外频和内存总线频率相同，所以当CPU外频提高后，与内存之间的交换速度也相应得到了提高，对提高电脑整体运行速度影响较大。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,外频与前端总线（FSB）前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次，它更多的影响了PIC及其他总线（设备速度）的频率。前端总线与外频这两个概念容易混淆的主要原因是：在以前的很长一段时间里（主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,外频与前端总线（FSB）随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技术，或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X，它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,倍频CPU的倍频，全称是倍频系数。CPU的核心工作频率与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。理论上倍频是从1.5一直到无限的，但需要注意的是，倍频是以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频，所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升。原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式变为：主频=外频 x 倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高，当前超频主要就是提高倍频。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,制作工艺通常我们所说的CPU的“制作工艺”指得是在生产CPU过程中，要进行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（长度单位，1微米等于千分之一毫米）来表示，未来有向纳米（1纳米等于千分之一微米）发展的趋势，精度越高，生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,制作工艺制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。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。微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.09微米，目前，0.065微米工艺成为CPU制作工艺的主流，而0.045微米制造工艺将是下一代CPU的发展目标。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,硅晶圆晶圆是制造IC的基本原料。集成电路（IC）是指在一半导体基板上，利用氧化、蚀刻、扩散等方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，做在一个微小面积上，以完成某一特定逻辑功能，达成预先设定好的电路功能要求的电路系统。晶圆是指硅半导体积体电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。,常见CPU参数解释,2023/9/15,东北大学 焦明海,硅晶圆硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。,Thank You！,2023/9/15,东北大学 焦明海,Question and talk?,