整机概念与CPU.doc

整机概念与CPU什么是计算机：全称电子计算机，是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。(自动计算、手机、家电都是计算机，而算盘不是计算机)。现在大家都非常熟悉的个人电脑当然也是最典型的计算机。计算机的发展历程：第一代：电子管计算机，第二代：晶体管计算机，第三代：集成电路计算机，第四代：超大规模集成电路计算机计算机组成：硬件和软件。硬件基本部分：运算器、控制器、存储器(内存和外存)、输入设备（键盘、鼠标、扫描仪、话筒、摄像机等）、输出设备(显示器、打印机、音箱等)。控制器和运算器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）,输入输出设备合称外设或I/O设备。这五大组成部分通过系统总线连接。总线的概念之后会详细介绍。现代计算机往往将CPU、内存和I/O总线扩展槽集成在一块主板上，也就是大家可以看到的这块蓝色的部分。我们就先从CPU开始，分别介绍运算器、控制器、内存储器的原理和指标，并了解计算机硬件工作的最简单最基本原理。说到计算机，就一定要说二进制，大家都知道计算机中所有指令和数据均用二进制表示，想过为什么吗？所有的指令和数据都存储在硬件中，十进制有10个基本数字0-9，表示起来需要硬件有10种不同的状态，非常困难；二进制只有两个数据0和1，也就是说只需要两种状态来区分一位数字，这对于电器元件实现起来是十分容易的。一根导线上电压的高低，二极管或三极管的导通或截止，都可以表示两种状态。为表示简便即以及节约器件，计算机将任何种类的信息用01序列的形式存放在存储器中。先概括地看一下五大基本部件是如何协调工作，完成一条加法运算指令吧。图中实线表示数据线，虚线为控制信息线。完成这一条数据运算操作的所有二进制指令和数据都事先存放在存储器中。然后控制器发出“读”的信号，从存储器中将指令读出，存放在控制器中的寄存器中。然后控制器中的译码电路对指令进行译码和识别，识别出是加法运算指令后送出加法运算信号给运算器，运算器接收到“加法运算”信号后从存储器中读取加数和被加数，通过位运算得到结果，并将和写回存储器中。这样一条加法指令执行完毕。今天我们的重点在于中央处理器CPU。刚才说过，CPU中集成了运算器和控制器，是整个计算机硬件系统中最核心的部分。大家应该都听说过英特尔，AMD, 286，386，Pentium, 酷睿，i3，i5，i7，双核，四核这些统统都与中央处理器有关。下面介绍下与PC性能密切相关的CPU参数。英特尔与AMD是CPU的两大生产巨头公司，生产的处理器性能较好。英特尔主要微处理器80x86系列，Pentium，PentiumII，PentiumIII, Pentium4系列，以及多核CPU酷睿系列等。AMD公司主要产品AMD 皓龙、速龙、双核速龙、炫龙和闪龙，是唯一能够与英特尔抗衡的CPU厂商，目前两大公司可以说平分秋色。而对于学生来说，使用Intel处理器的居多。我们通过两张图来了解运算器和控制器的内部构造。 运算器 控制器现在就说说CPU的一些主要参数吧；主频：通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。主频也叫时钟频率，单位是GHZ，用来表示CPU的运算速度。CPU的主频外频倍频系数。外频：外频是CPU与主板上其它设备进行数据传输的物理工作频率，也就是系统总线的工作频率。它代表着CPU与主板和内存等配件之间的数据传输速度。单位也是MHz。CPU标准外频主要有66MHz、100MHz、133MHz、166MHz、200MHz几种。倍频：倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。倍频一般是不能改的，现在的CPU一般都对倍频进行了锁定。有人以为认为CPU的主频指的是CPU运行的速度，实际上这个认识是很片面的。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力是没有直接关系的。当然，主频和实际的运算速度是有关的，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。因此主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。前端总线(FSB)频率（即总线频率）：是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。由于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（总线频率数据带宽）/8。外频与前端总线(FSB)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。缓存：缓存是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据，因此速度很快。 L1 Cache（一级缓存）是CPU第一层高速缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般L1缓存的容量通常在32256KB。 L2 Cache（二级缓存）是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频详图，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达1MB-3MB。机器字长：机器字长是指CPU一次能处理的二进制数据的最大位数，现在所说的32位机、64位机就是指这个。通常与CPU内寄存器位数有关。通常机器字长越长，数据表示范围越大，精度越高，运算速度也越快；若机器字长较短，而处理的数据位数较长时，就需要多次处理才能完成，这样势必影响机器的运算速度。制作工艺：制作工艺是指在硅材料上生产CPU时内部各元器材的连接线宽度，一般用微米表示。微米值越小制作工艺越先进，CPU可以达到的频率越高，集成的晶体管就可以更多。目前最新的CPU已经达到了65纳米的制造工艺。将来会有45，30的。CPU内核电压和I/O工作电压：从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.63V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。Pentium价位多在300-45