计算机组装与维护教程-2、CPU介绍.ppt
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1、第2课时 中央处理器CPU,课时安排:2学时,本章要点,CPU的发展史CPU的主要性能指标两大厂商CPU的介绍CPU的识别,学习目标,基于CPU在电脑中具有重要地位和作用,因此在选购电脑时,CPU的选购是相当关键的。本章从个人电脑微处理器的发展史开始讲解,并介绍了两大处理器厂商的CPU,讲述了辨识CPU的方法,让用户对CPU有一个较全面的认识,以便以教高的性价比选择合适自己的CPU。,图2-P4 CPU,2.1 CPU的基本组成和主要性能指标 CPU由运算器和控制器组成。它的内部结构可以分为逻辑运算单元、控制单元和存储单元三个部分。这三部分互相协调,进行分析、判断、运算并控制计算机各个部分协调
2、工作。CPU中的运算器主要完成各种算术运算(加、减、乘、除)和逻辑运算(逻辑加、逻辑乘和逻辑非运算);控制器主要用来读取各种指令,并对指令进行分析,做出相应的控制。此外,在CPU中还有若干个寄存器,它是CPU内部的临时存储单元。总的来说,CPU具有三个基本功能:读数据、处理数据和写数据(即将数据写到存储器中)。它是计算机中不可缺少的重要部分,如果一台计算机没有CPU,就好像一个人没有心脏一样。,1CPU的主要性能指标 CPU品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次,而CPU的主要技术指标可以反映出CPU的大致性能。下面介绍CPU的主要性能指标。,1)位、字节和字长 CPU可以同时处理的二进制数
3、据的位数是其最重要的一个标志。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。人们通常所说的16位机、32位机就是指该微机中的CPU可以同时处理16位、32位的二进制数据。早期有代表性的IBM PC/XT、IBM PC/AT与286机是16位机,386机和486机是32位机,586机则是64位的高档微机。通常将8 bit称为一个字节。字节的长度是固定的,而字长的长度是不固定的,对于不同的CPU,字长的长度也不一样。8 bit的CPU一次只能处理一个字节,而32 bit的CPU一次就能处理4个字节,字长为64 bit的CPU一次可以处理8个字节。,2)主频、外频和倍频 主频(CP
4、U Clock Speed)也叫时钟频率,表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。主频越高,CPU在一个时钟周期里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。,外频是CPU与主板之间同步运行的速度,而且目前绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间同步运行的速度。在这种方式下,可以理解为CPU的外频直接影响内存的访问速度,外频越高,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。,倍频就是CPU的运行频率与整个系统外频之间的倍数。在相同的外频下,倍频越高,CPU的频率也越高。实际上,在相同
5、外频的前提下,高倍频的CPU本身意义并不大,单纯的一味追求高倍频而得到的高主频的CPU,就会出现明显的瓶颈(CPU从系统中得到的数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度)效应,可想而知,这无疑是一种浪费。从有关计算可以得知,CPU的外频在58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,则都不是很完善。偏低还好说,不过是CPU本身运算速度慢而已,可高了以后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。倍频是由主板设计时提供的,现在的主板已经从1倍频提高到了9倍频。,主频是CPU的时钟频率或者说是内部工作频率。外频是系统总
6、线的工作频率。倍频是指CPU外频与主频相差的倍数。主频=倍频*外频,锁频是指CPU生产厂家在生产CPU时将CPU的倍频数锁定,现在的CPU基本上都锁定了倍频。超频是指将外频或倍频(由于现在的CPU被锁定倍频,超频时很少有人使用此项)人为地提高,使其工作频率超过额定的主频,从而提高其性能。,3)制造工艺 制造工艺是CPU发展史中一门重要的技术,早期的CPU大多采用0.5 m的制作工艺,后来随着CPU频率的提高,0.25 m制造工艺被普遍采用。在1999年底,Intel公司推出了采用0.18 m制作工艺的Pentium处理器,即Coppermine(铜矿)处理器。其更精细的工艺使得原有晶体管门电路
7、更大限度地缩小了,能耗越来越低,CPU也就更省电。,4)内存总线速度 内存总线速度(Memory-Bus Speed)也就是系统总线速度,一般等同于CPU的外频。CPU处理的数据都由主存储器提供,主存储器就是内存。一般我们放在外存(磁盘或者各种存储介质)上面的资料都要通过内存,再进入CPU进行处理,所以与内存之间的通道(也就是内存总线的速度)对整个系统的性能就显得尤为重要。由于内存和CPU之间的运行速度或多或少会有差异,因此便出现了二级缓存来协调两者之间的差异。内存总线速度是指CPU二级高速缓存和内存之间的通信速度。,5)缓存 缓存又称为高速缓存,其容量和工作速率对提高计算机的速度有重要的作用
8、。CPU的缓存分为两种,即Ll Cache(一级缓存)和L2 Cache(二级缓存)。Ll Cache指封装在CPU芯片内部的高速缓存,它用来暂时存储CPU运算器里的部分指令和数据。内部缓存的存取速度与CPU主频相同,容量单位一般为KB。L2 Cache指CPU外部的高速缓存,对于提高运行2D图形处理较多的商业软件的速度有明显的作用。CPU的L2 Cache可以分为芯片内部和芯片外部两种。在CPU芯片内部的L2 Cache的运行速度与主频相同,而安装在CPU芯片外部的L2 Cache运行频率一般只有主频的1/2。,6)工作电压 工作电压(Supply Voltage)即CPU正常工作所需的电压
9、。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5 V(奔腾是3.5 V、3 V、2.8 V等)左右,导致CPU的发热过高而影响CPU的寿命。现在随着CPU制作工艺的提高,工作电压一般为1.52.0 V,低电压使耗电过大和发热过高问题得到了很好的解决。,7)支持的指令集 为了提高计算机在多媒体、3D图形方面的应用能力,大量的处理器指令集应运而生,其中最著名的三种便是Intel的MMX、SSE和AMD的3DNow!指令集。MMX(Multi Media eXtension,多媒体扩展)指令集:是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集
10、中包括有57条多媒体指令,通过这些指令可以一次处理多个数据,在处理结果超过实际处理能力时也能进行正常处理。,SSE(Streaming SIMD Extensions,单指令多数据流扩展)指令集:是Intel公司在Pentium 处理器中率先推出的。SSE指令集包括了70条指令,其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上,这些指令对目前流行的图像处理、浮点处理、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容,但SSE包含了3DNow
11、!技术的绝大部分功能,只是实现的方法不同。,3DNow!指令集:AMD公司提出的3DNow!指令集出现在SSE指令集之前,并被AMD广泛应用于其K6-2、K6-3以及Athlon(K7)处理器上。3DNow!指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同,3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等三维应用场合,在软件的配合下,可以大幅度提高3D处理性能。现在生产的所有x86的CPU都支持MMX,但Intel公司的CPU只支持SSE,AMD公司的CPU只支持3DNow!。,8)协处理器 协处理器也叫数学协处理器,主要负责浮点运算。80
12、88、286、386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Auto CAD就需要协处理器支持。,2CPU的接口标准 CPU是安装在主板上的,因此CPU的接口标准可以按照主板上CPU的插槽类型来分类。目前市场上主流CPU从封装形式来看可以分为两大类:一种是传统的针脚式Socket架构的CPU,一种是插卡式的Slot架构的CPU。1)Socket PC机从386时代开始普遍使用Socket插座来安装CPU,其发展经历了从Sock
13、et 4、Socket 5、Socket 7到现在的Socket 370。Socket 7插座适用范围很广,不但可以安装Intel Pentium、Pentium MMX,还可以安装AMD K5、K6、K6-2、K6-、Cyrix M等处理器。,2)Slot 先来看看Slot 1,这种接口方式是由Intel提出的,它是一个狭长的242引脚的插槽,可以支持采用SEC(单边插接)封装技术的Pentium、Pentium 和Celeron处理器。除了接口方式不同外,Slot 1所支持的特性与Super 7系统没有太大的差别。Slot 2接口标准与Slot 1类似,不过它是面向高端服务器市场的,与其搭
14、配的主板芯片组为Intel GX、NX,处理器为Xeon至强。与Slot 1、Slot 2不同,Slot A接口标准是由Intel的竞争对手AMD提出的,它支持AMD K7处理器,与其搭配的芯片组为AMD自己的AMD 751芯片,虽然从外观上看Slot A与Slot 1十分相像,但是由于它们的电气性能不同,因此两者并不兼容。,2.2 常见CPU 在CPU市场上,Intel和AMD之间的竞争非常激烈,Intel虽然占主导地位,但也受到AMD的挑战。此外,还出现了实力大增的VIA(威盛)和异军突起的Ransemta(全美达)。下面我们就来介绍这些知名厂家的CPU。1Intel系列 Intel公司的
15、奔腾系列、赛扬系列是CPU的首选。现在Intel公司最具影响力的CPU非奔腾4莫属。下面我们就来介绍Intel公司的几款主流CPU。,1)Intel Pentium处理器 Intel Pentium也称为经典奔腾(Intel Pentium Classic),它是真正的第五代处理器。早期的Pentium 60和66分别工作在与系统总线频率相同的60 MHz和66 MHz两种频率下,没有倍频设置,而且最初的部分产品还有浮点运算错误,因此它并没有受到人们的欢迎。后来的Pentium处理器采用了现在一直使用的“外频倍频CPU工作频率”设置,工作频率有75、90、100、120、133、150、166
16、、200 MHz等规格。早期的奔腾75120 MHz处理器使用0.6 m的半导体制造工艺,后期120 MHz频率以上的奔腾则改用0.35 m半导体制造工艺,这有助于CPU频率的进一步提高。经典奔腾的供电电压均为3.3 V。,2)Intel Pentium MMX处理器 这是继Pentium后Intel又一个成功的产品,其生命力也相当顽强。Pentium MMX在原Pentium的基础上进行了重大的改进,增加了片内16 KB数据缓存和16 KB指令缓存,4路写缓存以及从Pentium Pro、Cyrix而来的分支预测单元和返回堆栈技术。特别是新增加的57条MMX多媒体指令,使得Pentium M
17、MX即使在运行非MMX优化的程序时也比同主频的Pentium CPU要快得多。57条MMX指令专门用来处理音频、视频等数据,这些指令可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间,使CPU拥有更强大的数据处理能力。与经典奔腾不同,Pentium MMX采用了双电压设计,其内核电压为2.8 V,系统I/O电压仍为原来的3.3 V。,3)Intel Pentium处理器 Intel Pentium 是新一代的奔腾处理器,主要有233、266、300、333、350、400、450 MHz七种规格。Pentium 的发展历经了三个阶段:第一阶段的Pentium 代号为“Klamath”,使用0.35
18、 m工艺制造,CPU核心电压为2.8 V,工作在66 MHz外频下,主要频率有233、266和300 MHz三种;第二阶段的Pentium 代号为 Deschutes,采用0.25 m工艺制造,由于工艺的改进,新一代Pentium 的核心电压大幅度下降,为2.0 V,工作频率也是66 MHz,主要频率有300、333 MHz等几种;第三阶段的Pentium 代号仍为“Deschutes,采用0.25 m制造工艺,核心电压2.0 V,工作在100 MHz外频下,主要频率有350、400和450 MHz三种。,Pentium 与传统的奔腾处理器有了很大的不同,最大的变化就是它采用了Slot 1架构
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