1、第2章 中央處理器科學出版社本章主要介紹CPU相關的基礎知識、CPU性能指標、CPU封裝技術、主流CPU發展過程及特點、CPU發展新構架和迅馳技術等內容。在學習過程中要求掌握CPU相關的基礎知識與基本概念，以及CPU相關性能指標與特點；同時要求了解CPU的封裝技術的相關知識、主流CPU的發展過程、CPU發展的新構架及迅馳技術。 本章要點CPU相關基礎知識的理解CPU性能指標的理解CPU新構架相關知識的理解本章難點CPU常用到的一些概念與術語：SIMD（Single Instruction Multiple Data，單指令多數據流）：單條指令同時處理多個數據，即單條指令可以并行執行多個數據。M

2、MX（Multi Media Extensions，多媒體擴展指令集）：共有57條指令，是Intel公司開發的第一代SIMD指令集，它允許CPU同時對24個甚至8個數據進行并行處理。3DNow!（3D No Waiting）：AMD開發的SIMD指令集，共有21條指令，克服了MMX沒有浮點處理能力的弱點，但由于指令條數有限，僅增強了3D游戲功能。SSE（Streaming SIMD Extensions，單指令多數據流擴展）：也叫KNI指令集，為Intel開發的第二代SIMD指令集，增加了50條SIMD浮點指令。2.1 CPU相關的基礎知識(1) KNI（Katmai New Instruct

3、ions，Katmai新指令集）：即SSE。 RISC（Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集計算機）：只有最常用的基本指令集。CISC（Complex Instruction Set Computing，復雜指令集計算機）：相對于RISC而言，它的指令位數較長，且指令系統龐大而復雜。Post-RISC：內核是RISC，外圍是CISC，結合了兩種架構的優點。Instructions Cache（指令緩存）：主內存與CPU之間的快速存儲區域。COB（Cache On Board，板上集成緩存）：在處理器卡上集成的緩存，即為二級緩存。2.1 CPU相關的基礎

4、知識(2) COD（Cache On Die，芯片內集成緩存）：在處理器芯片內部集成的緩存，即為一級緩存。PSN（Processor Serial Numbers，處理器序列號）：標識處理器特性的一組號碼，這些信息記錄在CPU中，可利用專用軟件讀取，識別CPU真偽。Identify（鑒別號碼）：打印在CPU芯片上，用于判斷不同芯片的識別代碼。IA（Intel Architecture，Intel架構）：Intel公司開發的x86芯片結構。IA-64：Intel采用EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精確并行指令計算機）技術開發的64位處

5、理器。NI（NonIntel，非Intel架構）：為Intel兼容產品。2.1 CPU相關的基礎知識(3) 多核心：單芯片多處理器（Chip multiprocessors，簡稱CMP）。IPC（Instructions Per Clock Cycle，指令/時鐘周期）：表示在一個時鐘周期內可以完成的指令數目。Latency（潛伏期）：完全執行一條指令所需的時鐘周期數。Throughput（吞吐量）：在單位時間內可以執行的最多指令條數。PIB（Processor In a Box，盒裝處理器）：CPU廠商正式在市面上發售的產品。Remark（芯片頻率重標識）：非法經銷商把低檔的CPU貼上高檔的

6、CPU進行銷售，這種做法稱為Remark。2.1 CPU相關的基礎知識(4) 2.2 CPU性能指標 1主頻CPU主頻，亦稱內頻，即為CPU運行頻率，也就是CPU中的主時鐘不斷產生的固定頻率的時鐘脈沖，它控制著CPU工作節拍。主頻越高，CPU工作節拍就越快，運算速度也就越高。主頻常用一秒鐘內處理器所能發出電子脈沖數來測定，計量單位一般為兆赫、千兆赫（MHz、GHz）。如Celeron 433、Pentium III 550中的433和550都是指CPU的主頻。 2外頻 外頻是指CPU與周邊部件傳輸數據的頻率，具體是指CPU到芯片組之間的總線速度，因此外頻亦稱為前端總線頻率。 主頻（內頻）總要比

7、外頻快，通常為一倍數（倍頻），內頻=外頻倍頻。如P90主頻為90MHz，外頻是60MHz，相差1.5倍（90=601.5） 。前端總線（FSB）頻率是影響CPU與內存直接數據交換速度的主要因素。數據帶寬（總線頻率數據位寬）/8，如支持64位的至強Nocona，前端總線是800MHz，按照公式，其最大帶寬=（800MHz64）/8=6.4GB/秒。3運算速度 運算速度是指CPU每秒鐘能執行指令的條數；MIPS用來描述計算機的定點數的運算速度的單位；MFLOPS用來描述計算機的浮點數的運算速度的單位；浮點數運算能力越強，CPU處理圖形速度就越快。4總線寬度 總線是微處理器與外圍設備之間傳送信息的一

8、組公共信號線，總線寬度是指這組公共信號線的根數。總線由數據總線、地址總線和控制總線三部分組成。一般PC系統的總線可分為4個層次。片內總線：指微處理器內部各功能單元的連線，延伸到CPU外，又稱CPU總線。片間總線：指PC主板上以微處理器為核心與各部件間的連線。系統總線：指主板上擴展槽與擴展卡間連接的總線。外總線：指PC與PC或外設之間通信的總線。5一級緩存與二級緩存 一級緩存也稱L1高速緩存，它封裝在CPU芯片內部的高速緩存，用于暫時存儲CPU運算時的部分指令和數據，存取速度與CPU主頻相近。內置的L1高速緩存的容量和結構對CPU的性能影響較大，一級緩存容量越大，則CPU處理速度就會越快，對應的

9、CPU價格也就越高。二級緩存亦稱L2高速緩存，指CPU外部的高速緩存。二級緩存越大，則CPU處理速度就越快，整臺計算機性能也就越好。CPU、內存、緩存結構圖 6采用的指令集 計算機中的每一條指令都可以完成一個獨立的邏輯、算術運算或某種操作，而一臺計算機中所有指令的集合稱為該計算機指令系統，也稱為指令集。指令是軟件與硬件的接口，它是程序設計的最小單位，也是設計硬件的依據，因此指令集是表征一臺計算機性能的重要因素。CPU采用的是Intel公司的MMX指令技術，還是SSE指令技術，將對計算機性能產生較大的影響。7制造工藝CPU芯片中集成的是晶體管，為了提高CPU的速度，最重要的是如何在相同的CPU面

10、積里集成更加多的晶體管，一般方法只能通過光刻工藝來進行加工，制造工藝越高集成的晶體管就越多。制造工藝是指在硅材料上生產CPU時內部各元器件間的連接線寬度，一般用m（微米）作為單位，數值越小，生產工藝越先進，CPU內部功耗和發熱量就越小。Pentium CPU的制造工藝是0.35m，Pentium II和Celeron可以達到0.25m，最新的CPU制造工藝可以達到0.18m甚至0.13m，并且將采用銅配線技術，可以極大地提高CPU的集成度和工作頻率。8核心電壓 核心電壓是指對CPU的供電電壓，電壓越低，電耗就越少，發熱也就越小，CPU質量也就越高。早期CPU（386、486）由于工藝落后，它們

11、的工作電壓一般為5V，發展到Pentium 時代，工作電壓已經是3.5V/3.3V/2.8V，隨著CPU的制造工藝與主頻的提高，CPU的工作電壓有逐步下降的趨勢，Intel的Coppermine CPU已經采用1.6V的工作電壓。2.3 CPU的類別（1）長方形卡式CPU：卡式CPU形狀是長條型，接口位于長邊側面，采用垂向插入，插入時先將CPU插到主板上，然后用卡座固定其插槽稱為Slot。正方形薄片式CPU：薄片式CPU形狀正方，接口（插腳）位于正方的平面上，有很多的密密麻麻的針腳，采用扁平插入，插入后比較牢固穩定，其插槽稱為Socket。2.3 CPU的類別（2）2.4 CPU封裝技術 所謂

12、封裝就是指用于密封半導體集成電路芯片的外殼。衡量一個芯片封裝技術先進與否的重要指標是封裝厚度。常有以下幾種封裝技術：DIP（雙列直插式封裝）PQFP（塑料方型扁平式封裝）PGA（插針網格陣列封裝）BGA（球柵陣列封裝）CSP芯（片尺寸封裝）2.5 CPU主流產品(Intel系列 ) 8088與8086802868038680486Pentium（奔騰）Pentium Pro（高能Pentium）Pentium II:是Intel x86家族中的P6產品，出現在1997年的5月。Celeron：沒有L2緩存，是PII的一個簡化產品。Pentium III：采用了SSE多媒體指令集，但仍基于PII

13、架構。Celeron二代 ：為Pentium III的一個簡化產品。Pentium 4：為2001年推出的一款產品，有P4-Willamette、P4-Willamette-N、Northwood P4等多款產品。Celeron三代：為P4的一款簡化產品。Celeron D：用來接替老賽揚，支持SSE3(老賽揚只支持到SSE2)。2.5 CPU主流產品(Intel系列 ) Core：擁有雙核心、64bit指令集、使用65nm制造工藝，支持SSE4指令集。每個內核擁有32KB的一級指令緩存、32KB的雙端口一級數據緩存，2個內核共同擁有4MB或2MB的共享式二級緩存。 Core音譯為“酷睿”。基

14、于Core架構的處理器，對應于臺式機的為Conroe，筆記本的為Merom，服務器的為WoodCrest。 Xeon MP：代號為Tigerton的四核心處理器，基于Core架構，應用于服務器。2.5 CPU主流產品(Intel系列 ) AMD公司自1996年推出K5系列CPU以來，一直是Intel公司的競爭對手。它生產的CPU不僅價格便宜、性能優良，而且也具有他自身的獨到新技術：3DNow！技術、三級緩沖技術、“超級流水線”和“超標量”技術（并行流水線）、EV6200MHz總線技術。2.5 CPU主流產品(AMD系列 ) Cyrix公司成立于1988年，一直從事高性能微處理器的研制，在硬件系

15、統和相關軟件方面也具有較強的實力。由Cyrix研制的Intel兼容芯片以其較高的性能價格比，曾一度成為眾多廠商和用戶的理想選擇。但是由于其相對弱小，而且沒有自己獨立的制造工廠，以及來自Intel和AMD的強大競爭，使得Cyrix的經營狀況一直不佳，并出現虧損，并于1997年被國家半導體公司收購。2.5 CPU主流產品(Cyrix系列 ) 2.6 CPU新架構 20段超級流水線：更多級能大幅提高CPU主頻。高效亂序執行：亂序執行和分支預測成技術能有效提升CPU執行速度。2倍速ALU：ALU整數運算單元以雙倍主頻的速度工作，稱為Rapid Execution Engine（高速執行引擎）。新型片上

16、緩存：即Trace Cache（跟蹤緩存），用于存儲x86指令解碼后生成的“微操作”指令，多達12000條。SSE2指令擴展集：為MMX和SSE的擴展集，包括144條SIMD新指令，能處理128位整數和浮點雙精度數據。400MHz前端總線：利用4倍頻的方式實現高速CPU和低速內存（100MHz）的配合。 2.7 Intel迅馳技術 迅馳技術是Intel公司于2003年3月12日推出的面向筆記本電腦的無線移動計算技術的品牌名稱。迅馳（Centrino）是Centre(中心)與Neutrino（中微子）兩個單詞的縮寫。它由三部分組成：移動式處理器（CPU）、相關芯片組以及802.11無線網絡功能模塊。迅馳平臺以高速、輕巧、電池驅動時間長、無線連接4