2.1CPU概述CPU是CentralProcessingUnit簡稱，又被稱為中央處理器。它是計算機關鍵部件，任何一臺計算機運行都離不開CPU。第1頁2.1.1CPU作用CPU在整個計算機系統中居于關鍵地位，是整個計算機系統指令中樞。它負責計算機系統指令執行、邏輯運算以及數據存放、傳送和輸入/輸出操作指令控制?？蓪PU內部構造分為控制單元、邏輯單元和存放單元三大部分。各個部分雖然分工不一樣，不過合作緊密，使CPU具有強大運算、處理和協調能力。第2頁2.1.2CPU發展1.CPU誕生2.16位微處理器時代3.32位微處理器時代4.64位微處理器時代第3頁1.CPU誕生1971年Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，這是第一種可用于微型計算機4位微處理器，它集成了2300個晶體管。隨后Intel又推出了8008微處理器。到了1974年，8008發展成8080，成為第二代微處理器。8080作為替代電子邏輯電路器件被用于多種應用電路和設備中。第二代微處理器均采取NMOS工藝，集成了約9000個晶體管，平均指令執行時間為1μs～2μs，采取匯編語言、BASIC等語言編程，用于單顧客操作系統。第4頁2.16位微處理器時代1978年Intel公司生產出了第一款16位微處理器8086，它是第三代微處理器起點。8086最高主頻速度為8MHz，具有16位數據通道，內存尋址能力為1MB。同步Intel還生產出與之相配合數學協處理器i8087，這兩種芯片使用互相兼容指令集。這些指令集統一稱為x86指令集。Intel公司后來生產CPU都兼容本來x86指令。1979年Intel公司開發出了8088微處理器。8086和8088在芯片內部均采取16位數據傳輸，因此都稱為16位微處理器。8088工作頻率有6.66MHz，7.16MHz和8MHz幾個，集成了大約29000個晶體管。第5頁2.16位微處理器時代1981年美國IBM公司將8088芯片用于研制個人計算機（PC）中，個人計算機概念開始在全世界范圍內發展起來。從8088應用到IBMPC機上開始，個人計算機開始走進了人們工作和生活，它也標志著一種新時代開始。第6頁2.16位微處理器時代1982年Intel公司在8086基礎上，研制出了80286微處理器。該微處理器最大主頻為20MHz。80286支持更大內存，它能夠模擬內存空間，也能同步運行多種任務，從而提升了處理速度。8086～80286這個時代是個人計算機起步時代，當初在國內使用甚至見到過PC機人很少，直到20世紀90年代初，國內才開始普及計算機。第7頁3.32位微處理器時代1985年10月17日Intel正式公布了劃時代產品——80386DX，該款CPU內部包括27.5萬個晶體管，時鐘頻率為12.5MHz。80386DX內部和外部數據總線是32位，地址總線也是32位，這標志著CPU進入了32位微處理器時代。由于32位微處理器強大運算能力，PC應用擴展到很多領域，如商業辦公和計算、工程設計和計算、數據中心、個人娛樂等領域。80386使32位CPU成為了PC工業標準。第8頁3.32位微處理器時代1989年，Intel推出80486芯片。這款通過4年開發和3億美元資金投入芯片初次實破了100萬個晶體管界限，集成了120萬個晶體管，使用1μm制造工藝。80486時鐘頻率從25MHz逐漸提升到33MHz，40MHz，50MHz。80486性能比帶有80387數學協微處理器80386DX性能提升了4倍。1993年Intel公司推出了劃時代586，并將其命名為Pentium（飛躍）處理器，該款CPU集成了310萬個晶體管。從這款CPU開始，由于CPU工作頻率提升和大量晶體管集成，造成了CPU發熱量上升，因此Intel初次為CPU配上了專用散熱風扇。Pentium初次采取了RISC中雙流水線及超標量設計，能夠讓CPU并行處理兩條機器語言指令。第9頁微處理器和處理器第10頁3.32位微處理器時代1997年Intel公司在PentiumCPU內部集成了多媒體擴展指令，即MMX指令集，該指令集有57條多媒體指令，增強了圖像、視頻和音頻等方面效果，給顧客帶來了多媒體享有。同年，Intel公司又推出了Slot1接口PentiumII處理器。該款CPU內集成了32KBL1Cache和512KBL2Cache。同步，還推出了PentiumII處理器簡化版本，沒有L2CacheCeleron（賽揚）處理器。接著推出CeleronA系列CPU中，又集成了128KBL2Cache，同步采取了Socket370接口。第11頁3.32位微處理器時代1999年，Intel公司推出了PentiumIII處理器。PentiumIII處理器中新增了70條SSE擴展指令集，該指令集主要用于提升CPU3D處理能力和影像效果。第12頁3.32位微處理器時代2023年Intel公司推出了新一代CPU——Pentium4處理器，最先推出Pentium4處理器采取Willamette關鍵制造，制造工藝為0.18μm。2023年Intel又推出了Northwood關鍵Pentium4處理器，采取了更先進0.13μm制造工藝，新處理器采取了Socket478接口。2023年Intel放棄了0.13μm工藝Northwood關鍵Pentium4處理器，改向0.09μm工藝Prescott關鍵發展，它采取LGA775接口，處理器不再有“腳”了，取而代之是一種個觸點。第13頁處理器第14頁4.64位微處理器時代從CPU誕生到發展到32位都是由Intel公司獨領風騷，不停公布具有里程碑意義CPU產品，其他公司如AMD和VIA公司雖然也在不停努力，不過在和Intel反抗中幾乎每次都處于下風。不過在個人計算機領域率先公布64位微處理器卻是潛心研究AMD公司。AMD公司在2023年公布了第一款應用于個人計算機64位處理器——Athlon64。Athlon64在支持64位代碼基礎上提供了對32位和16位代碼良好兼容，有超出4GB內存尋址能力，而傳統32位處理器最高僅支持4GB內存。Athlon64內置了內存控制器，能夠極大地減少數據收發延遲，縮短讀寫祈求反應時間，處理器性能也因此取得可觀提升。第15頁4.64位微處理器時代AMD公司隨后又推出了針對低端市場Socket754接口Sempron64處理器，這樣AMD在高、中、低端市場都推出了對應64位處理器。而Intel公司直到2023年才推出了面向中端6系列64位CPU，此后又陸續推出了面向高端市場8系列和面向低端市場3系列64位CPU，這才開始將CPU產品線在整個市場進行普及。所有Intel64位CPU都采取LGA775接口、Prescott關鍵、0.09μm制造工藝和擁有31級流水線。第16頁處理器第17頁2.2CPU性能指標2.2.1CPU頻率2.2.2CPU位和字長2.2.3CPU緩存——Cache2.2.4CPU內核和接口2.2.5CPU指令集第18頁2.2.1CPU頻率CPU頻率是指計算機運行時工作頻率，也叫做CPU主頻或CPU時鐘頻率，CPU頻率表達CPU內部數字脈沖信號振蕩速度，代表了CPU實際運算速度，單位是Hz。CPU頻率越高，CPU在一種時鐘周期內所能完成指令數也就越多，CPU運算速度也就越快。CPU實際運行頻率與CPU外頻和倍頻有關，其計算公式為：CPU實際頻率＝外頻×倍頻。下面將介紹與CPU頻率有關外頻、倍頻和前端總線頻率含義。第19頁2.2.1CPU頻率1.外頻2.倍頻3.前端總線頻率第20頁1.外頻外頻即CPU基準頻率，是CPU與主板之間同步運行速度。外頻速度高，CPU就能夠同步接收更多來自外圍設備數據，從而使整個系統速度深入提升。第21頁2.倍頻倍頻是CPU運行頻率與系統外頻之間差距參數，也稱為倍頻系數，一般簡稱為倍頻。在相同外頻下，倍頻越高，CPU頻率就越高。第22頁3.前端總線頻率前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）直接影響CPU與內存交換數據速度。數據傳輸最大帶寬取決于所有同步傳輸數據寬度和總線頻率。這里有一種計算公式：數據帶寬＝（總線頻率×數據位寬）/8，假設總線頻率為100MHz，CPU位寬為32位，則CPU與主板數據交換速度為：100MHz×32bit÷8bit/B=400MB/s。第23頁2.2.3CPU緩存——Cache緩存（Cache）作用是為CPU和內存在數據交換時提供一種高速數據緩沖區。當CPU要讀取數據時，首先會在緩存中尋找，假如找到了則直接從緩存中讀取，假如在緩存中未能找到，CPU才會從主內存中讀取數據。CPU緩存一般分為L1高速緩存和L2高速緩存。第24頁2.2.3CPU緩存——Cache1.L1高速緩存2.L2高速緩存第25頁1.L1高速緩存L1高速緩存（也稱為一級高速緩存、L1Cache）用于暫存部分指令和數據，以使CPU能迅速地得到所需要數據。L1高速緩存與CPU同步運行，其對CPU性能影響較大，容量越大，性能也會越高。第26頁2.L2高速緩存L2高速緩存（也稱為二級高速緩存、L2Cache）容量和頻率對CPU性能影響也較大，它作用就是為了協調CPU運行速度與內存存取速度之間差異。L2高速緩存是CPU晶體管總數中占得最多一種部分。由于L2高速緩存成本很高，因此L2高速緩存容量大小一般用來作為高端和低端CPU產品分界標準。目前CPUL2高速緩存有低至64KB，也有高達2MB。第27頁2.2.4CPU內核和接口CPU內核是指CPU關鍵，例如，Pentium4處理器關鍵有Willamette，Northwood和Proscott。AthlonXP有Palomino和Barton兩種關鍵，不一樣關鍵CPU性能也不一樣。CPU接口是指CPU與主板之間連接方式，CPU接口根據CPU關鍵不一樣而不一樣，CPU誕生早期是直接焊接在主板上，后來逐漸獨立出來，也就有了各式各樣接口。第28頁2.2.5CPU指令集指令集是CPU用來計算和控制系統命令，是與硬件電路相配合一系列指令。指令集對提升CPU效率具有主要作用，是CPU性能主要指標之一，目前指令集有Intel公司MMX，SSE，SSE2，SSE3和AMD公司3DNow!等。第29頁2.2.5CPU指令集1.MMX指令集2.SSE指令集3.SSE2指令集4.SSE3指令集5.3DNow！指令集6.3DNow！+指令集第30頁1.MMX指令集MMX（MultiMediaExtensions，多媒體擴展）指令集是Intel公司在1996年推出一項多媒體指令增強技術。它包括57條多媒體指令，通過這些指令能夠一次處理多種數據，甚至還能夠在處理成果超出實際處理能力時候也能進行正常處理。無論是Intel還是AMD公司推出CPU都支持該指令集，因此該指令集被看做是CPU標準指令集。第31頁2.SSE指令集SSE（StreamingSIMDExtensions，單指令多數據流擴展）指令集是Intel公司在PentiumIII處理器中推出，其主要作用是加速CPU3D運算能力。它包括了70條指令，其中包括提升3D圖形運算效率50條SIMD（單指令多數據技術）浮點運算指令、8條優化內存連續數據塊傳輸指令和12條MMX整數運算增強指令。這些指令對流行圖像處理、浮點運算、3D運算、視頻處理和音頻處理等很多多媒體應用起到強化作用。第32頁3.SSE2指令集SSE2（StreamingSIMDExtensions，單指令多數據流擴展）指令集是Intel公司在SSE指令集基礎上擴展而成。該指令集包括144條新128位多媒體指令，它由SSE和MMX兩個不一樣部分所組成。前者主要負責處理浮點數，后者則專門負責計算整數。使用它們能夠加快許多應用程序運行。第33頁4.SSE3指令集SSE3（StreamingSIMDExtensions，單指令多數據流擴展）指令集是Intel公司在最新Pentium4Prescott處理器中為了增強Pentium4CPU在多媒體方面性能而新增加一組指令集合。SSE3指令集中包括一條專門針對視頻解碼指令和兩條針對線程處理指令，不但有助于增加IntelCPU超線程功能處理能力，并且支持更復雜算術運算。第34頁5.3DNow！指令集3DNow！指令集廣泛應用于AMD公司K6-2，K6-3以及Athlon（K7）處理器中。該指令集其實是21條機器碼擴展指令集，主要針對三維建模、坐標變換和效果渲染等三維應用場所。在軟件配合下，能夠大幅度提升3D處理性能。在CPU發展過程中，3DNow！指令集是最早三維指令集。第35頁6.3DNow！+指令集3DNow！+指令集在原有指令集基礎上，增加到52條指令，其中包括了部分SSE指令，該指令集主要用于新型AMDCPU上。第36頁2.3主流CPU產品介紹CPU產品數量很多，假如想購買到合適CPU產品，首先要對市場上CPU產品有所理解。第37頁2.3.1知識解說市場上CPU競爭主要集中在Intel公司和AMD公司之間，下面將分別介紹其主要CPU產品。第38頁1.IntelCPUIntelCPU一般分為主打Pentium系列和面向低端市場Celeron系列，另外尚有面向服務器市場至強處理器和面向筆記本電腦市場迅馳處理器。第39頁1）IntelPentium系列IntelPentium系列始終是Intel公司主打產品，目前Intel主打產品是Pentium4系列。Pentium4系列CPU是目前Intel公司技術最先進、功能最強大個人計算機CPU，從最初0.18μm工藝Willamette關鍵到0.09μm工藝Prescott關鍵。第40頁2）IntelCeleron系列為了滿足低端顧客需求，Intel將原Pentium處理器內核進行了簡化——去掉二分之一全速二級緩存，這便是Celeron系列處理器。由于二級緩存在處理器制造中成本是最高，少了二分之一二級緩存Celeron處理器價格比同頻率Pentium處理器便宜不少。目前市場上較常見Celeron處理器有Celeron4和CeleronD兩種。第41頁Celeron4Celeron4采取Northwood關鍵，使用了0.13μm制造工藝，具有128KB全速二級緩存，處理器外頻為100MHz，前端總線頻率（FSB）為400MHz，采取Socket478接口，頻率從2.0GHz到2.5GHz不等。第42頁CeleronDCeleronD采取Prescott關鍵，其前端總線頻率為533MHz，全速二級緩存增加到了256KB，支持最新SSE3指令集，并且采取了0.09μm制造工藝，大大減少了關鍵發熱量。第43頁處理器第44頁3）Xeon系列除了以上系列處理器外，Intel還推出了服務器和高端工作站使用Xeon至強處理器。Intel率先在服務器領域推出了64位Xeon至強處理器，基于Nocona關鍵。第45頁4）迅馳系列Intel還推出了專為筆記本電腦設計迅馳處理器，目前主流產品是PentiumM。與此前處理器相比，它應用新技術有對增強型IntelSpeedStep技術改善、高級分支預測、電源管理、超高速緩沖存放器等。第46頁4）迅馳系列PentiumM具有1MB高速二級緩存，而新一代Dothan具有2MB二級緩存，而本來P4-M只有512KB，目前CeleronM為了減少成本以示與PentiumM區分，也只具有512KB二級緩存。第47頁2.AMDCPU目前常見AMDCPU有AthlonXP，Athlon64和Sempron等，下面分別進行介紹。第48頁1）AthlonXP系列AthlonXP是目前AMD為了和競爭對手Intel抗衡所推出一款面向中低端CPU。目前AthlonXPCPU大多采取了Barton關鍵和0.13μm制造工藝，具有128KBL1Cache和512KBL2Cache，晶體管總數為5430萬，關鍵面積為101mm2。第49頁2）Athlon64系列Athlon64系列是AMD最新64位CPU，面向個人顧客推出了Athlon64和Athlon64FX。Athlon64系列都集成了內存控制器，其中Athlon64集成是單通道內存控制器，同步采取Socket754技術封裝。而Athlon64FX集成了雙通道內存控制器，采取Socket939或Socket940封裝技術，并要求搭配經AMD認證內存。Athlon64在多媒體擴展指令方面支持MMX，3DNow！，SSE，SSE2和x86-64指令，為顧客提供了良好兼容性。第50頁處理器第51頁3）Sempron系列AMD面向低端市場處理器是Sempron系列，其主要競爭對手是IntelCeleronD處理器。Sempron系列采取與AthlonXP完全同樣Thoroughbred關鍵，前端總線頻率為333MHz，其一級緩存和二級緩存分別為128KB和256KB，采取與AthlonXP完全同樣SocketA（462）接口。Sempron系列尚有一種采取Athlon64SledgeHammer關鍵處理器，有Socket754和Socket939兩種接口，不過它并不支持x86-64指令集，二級緩存也降為256KB，并且只支持單通道DDR內存。第52頁2.3.2典型案例1.Intel主流CPU2.AMD主流CPU第53頁1.Intel主流CPU下面將介紹Intel公司生產Pentium4506+，CeleronD320和CeleronD335J。第54頁1）Pentium4506+Pentium4506+處理器主頻為2.66GHz，它將替代同主頻Pentium505處理器，并加入對EM64T支持。前端總線頻率為533MHz，支持LGA775接口，而L2Cache容量則高達1MB，是Northwood關鍵Pentium4處理器兩倍。Pentium4506+采取是Prescott關鍵、0.09μm制造工藝，電壓采取multipleVID，介于1.25V～1.4V之間，主頻為2.66MHz，倍頻為20，關鍵為E0Stepping，支持SSE3指令集及EM64T技術，同步支持IntelExecuteDisableBit防病毒功能，但不支持Hyper-Threading技術。第55頁2）CeleronD320CeleronD320處理器主頻定為2.40GHz，集成256KB二級緩存，并支持更高533MHz前端總線頻率。另外，它采取0.09μm工藝Prescott關鍵，并集成了MMX，SSE，SSE2以及最新SSE3指令集。該款CeleronD320處理器一般可超頻到3.0GHz，有甚至能夠超得更高，它是一款性價比較高產品。第56頁3）CeleronD335JLGA775接口CeleronD335J處理器價格低廉，是組建PCI-E系統一種不錯選擇。該款處理器主頻為2.8GHz，前端總線頻率為533MHz，擁有256KBL2Cache。采取了0.09μm制造工藝Prescott關鍵，加入了IntelExecuteDisableBit（硬件防病毒功能）及ThermalMonitor2（防CPU燒死）功能。第57頁2.AMD主流CPU下面將介紹AMD公司生產Athlon643000+和Sempron2500+。第58頁1）Athlon643000+Athlon643000+采取Socket939接口，采取Newcastle關鍵，具有128KB一級緩存，512KB二級緩存，內建能夠支持雙通道DDR內存內存控制器。另外，該處理器采取0.09μm制造工藝。Athlon643000+實際運行頻率為1800MHz。第59頁2）Sempron2500+Sempron2500+采取Palermo關鍵，0.09μm制造工藝、Socket754接口、支持800MHzHT總線、單通道DDR、1.4GHz主頻、256KB二級緩存，支持CoolandQuiet功能。該款CPU超頻性能強勁，多數Sempron2500+能夠在默認電壓下超頻到2.2GHz以上。第60頁2.4CPU選購指南CPU頻率提升幅度已經遠遠大于其他設備運行速度提升。因此目前選購CPU已經不能僅憑頻率高低來選擇，應當選擇一款性價比較高CPU。第61頁2.4CPU選購指南2.4