电脑的“大脑”—CPU

1、电脑的“大脑”CPU 主讲人：陈诗伟 内容概要 一、CPU简介 二、CPU基本结构 三、CPU性能参数 四、CPU缓存 五、CPU制造工艺 六、英特尔处理器 七、AMD处理器 中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运 算核心和控制核心。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、 十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等 CPU厂商主要有Intel、AMD。 CPU功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据； 功能主要包括： 1、指令顺序控制：控制程序中指令的执行顺序 2、操作控制： CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控

2、制信号， 发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作 3、时间控制：对各种操作实施时间上的定时 4、数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息 处理 CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及 状态的总线构成 运算逻辑部件：运算逻辑部件：运算逻辑部件，可以执行定点或浮点算术运算操作、 移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换 寄存器部件：寄存器部件：包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器，分别用于 保存指令中的寄存器操作数和操作结果；执行一些特殊操作；用来指 示机器执行的状 控制部件：控制部件：要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的

3、各个操作的控制信号 计算机的性能在很大程度上由CPU的性能决定，而CPU的性能主 要体现在其运行程序的速度上。影响运行速度的性能指标包括 CPU的工作频率、Cache容量、指令系统和逻辑结构等参数。 主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用 来表示CPU的运算、处理数据的速度。通常，主频越高，CPU处 理数据的速度就越快。 缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对 CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和 处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工 作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增 大，可以大幅度提升C

4、PU内部读取数据的命中率，而不用再到 内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片 面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。 L1L1CacheCache(一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。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。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32256KB。 L2L2CacheCache（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相同，而外部的二级缓

5、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，以前家庭用CPU容量最大的 是512KB，笔记本电脑中也可以达到2M，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存 更高，可以达到8M以上。 L3L3CacheCache(三级缓存），分为两种，早期的是外置，内存延迟，同时提 升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能 力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显 著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比 较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处 理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短

6、消息和处理器队列长度。 CPU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。主要的180nm、130nm、90nm、 65nm、45纳米、22nm，intel已经于2010年发布32纳米的制造工艺的酷睿i3/酷 睿i5/酷睿i7系列并于2012年4月发布了22纳米酷睿i3/i5/i7系列。并且已有 14nm产品的计划（据新闻报道14nm将于2013年下半年在笔记本处理器首发。）。 而AMDAMD则表示、自己的产品将会直接跳过32nm工艺（2010年第三季度生

7、产少许 32nm产品、如Orochi、Llano）于2011年中期初发布28nm的产品（APU）。 TrinityAPU已在2012年10月2日正式发布，工艺仍然32nm，28nm工艺代号Kaveri 反复推迟。2013年上市的28nm的Apu仅有平板与笔记本低端处理器，代号Kabini。 而且鲜为人知，市场反应平常。据可靠消息，2014年上半年可能有28nm的台式 Apu发布，其gpu将采用GCN架构，与高端A卡同架构。 英特尔公司，是美国一家主要以研制CPU处理器的公司，是全球最大 的个人计算机零件和CPU制造商，它成立于1968年，具有46年产品创 新和市场领导的历史。1971年，英特尔

8、推出了全球第一个微处理器。 微处理器所带来的计算机和互联网革命，改变了整个世界。在2015年 世界五百强中排在第182位。 英特尔公司于1968年由罗伯特诺伊斯、戈登摩尔和安迪格鲁夫 创建于美国硅谷，经过近 40 年的发展，英特尔公司在芯片创新、技 术开发、产品与平台等领域奠定了全球领先的地位，并始终引领着相 关行业的技术产品创新及产业与市场的发展。 1975年，摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文，根 据当时的实际情况，对密度每年回一番的增长率进行了重新审定和 修正。按照摩尔本人1997年9月接受（科学的美国人）一名编辑采访 时的说法，他当年是把每年翻一番改为每两年翻一番，并

9、声明他 从来没有说过每18个月翻一番。“摩尔定律源自 1965 年我为电子 学撰写的文章。我预见到，我们将制造出更复杂的电路从而降低电 器的成本根据我的推算，10 年之后，一块集成电路板里包含的 电子元件会从当时的 60 个增加到 6 万多个。那是个胆大的推断。 1975 年，我又对它做了修正，把每一年翻一番的目标改为每两年翻 一番。” 在奇数年，英特尔将会推出新的工艺；而在偶数年，英特尔则会推出 新的架构。简单的说，就是奇数工艺年和偶数架构年的概念。钟摆策 略发展趋势一般是今年架构、明年工艺，是让大家循序渐进，而且实 行钟摆策略也是带着整个行业按着这个钟摆形成一种共同的结构往前 走。 英特尔

10、睿频加速技术是英特尔酷睿 i7/i5 处理器的独有特性，也是 英特尔新宣布的一项技术。这项技术可以理解为自动超频。当开启睿 频加速之后，CPU会根据当前的任务量自动调整CPU主频，从而重任务 时发挥最大的性能，轻任务时发挥最大节能优势。 当操作系统遇到计算密集型任务（例如处理复杂的游戏物理引擎或实 时预览多媒体编辑内容）时，它需要CPU提供更强的性能。这时CPU会 确定其当前工作功率、电流和温度是否已达到最高极限。如仍有多余 空间，则CPU会逐渐提高活动内核的频率，以进一步提高当前任务的 处理速度。 英特尔酷睿 i7/i5 处理器以相同的方式配置，为每个内核提供整体 的额定功率。然而，如果一个

11、或多个内核未使用满其额定功率，则处 理器可自动智能地把未使用的功率转移至工作的内核。由此，工作的 内核即可以高于额定频率的主率运行，从而更快速地完成任务。 Intel 80286 Intel 80386 Intel 80486 Intel Celeron赛扬代表型号：N2830(2.14G)、N2930(1.83G)、 N3050(1.6G)、N3150(1.04G)、G1620(2.7G)、G1820(2.7G)、 G1830(2.8G)、G1840(2.8G) Intel Pentium奔腾代表型号：G2030(3.0G)、G3220(3.0G)、 G3240(3.1G)、G3258(3.

12、2G) Intel Core酷睿代表型号：i3-3210(3.2G)、i3-3240(3.4G)、i3- 4130(3.4G)、i3-4150(3.5G)、i5-4460(3.2G)、i5-4590(3.3G)、i7- 4770(3.4G)、i7-4770K(3.5G) Intel 1019Y Intel Xeon至强代表型号：E3-1231/V3(3.4G)、E3-1230/V5(3.4G) Ivy BridgeIvy Bridge为英特尔公司于2012年4月24日年发布的第三代Core i系 列处理器，简称IVB。IVB的制作工艺为22nm，在应用程序上性能提高 20%，在3D性能方面则提

13、高了一倍，并且支持三屏独立显示、USB 3.0 等技术，并且使用LGA1155插座。 Haswell第四代处理器即第四代酷睿处理器已于2013年6月2日召开发 布会，正式推出。据悉，Haswell的相关PC产品也将在6月4日-8日的 Computex上进行展示，包括主板、系统、笔记本电脑甚至平板电脑等。 Haswell制作工艺依然为22nm，但热设计功耗已经降低，支持Turbo Boost Technology，支持双通道DDR3 1600内存，支持DX11.1、 OpenCL1.2，优化3D性能，支持HDMI、DP、DVI、VGA接口标准。 Broadwell，是Intel公司14nm工艺芯

14、片，已经在2015年初在CES上发 布，此款产品将首先用于笔记本和移动领域。Intel已经将配备 Broadwell芯的笔记本测试机拿到了旧金山的会场上。它表示，新一 代芯片将比Haswell带来30%的功耗改进，后期完善将可能达到更多。 Broadwell将会革新制造工艺，生产14nm处理器。 Atom：凌动（戏称阿童木） Centrion：迅驰 Centrion vPro：迅驰博锐 Celeron：赛扬 Pentium：奔腾 Celeron Dual-Core：赛扬双核 Pentium Dual-Core：奔腾双核 Core Duo：酷睿双核 Core Quad：酷睿四核 Core Qua

15、d Extreme：酷睿四核黑盒 Core i3：酷睿i3 Core i5：酷睿i5 Core i7：酷睿i7 Core i7 Extreme：酷睿i7黑盒 Xeon：至强 ES：Engineer Sample（工程样品） QS：Qualification Sample（品质确认样品） Q：Quad（四核） M：Mobile（移动版）笔记本专用 E：Embedded（嵌入式）工程专用 U：Ultra Processors（超级处理器）超极本专用 T：45W低功耗桌面版 K：不锁倍频版 S：65W低功耗桌面版 XM：至尊移动版 QM：45W低功耗四核移动版 浮点运算能力强，拥有最高三级缓存 独有

16、超线程技术，可提高处理器的性能，但需要硬件及软件支持 睿频加速技术，可智能调节处理器核心利用率 综合功耗较稳定，部分低端处理器为了稳定牺牲了许多性能 部分处理器因采用超线程技术，生产流水线加长，成本较高 AMD公司全称超微半导体公司(Advanced Micro DevicesAdvanced Micro Devices)，是专门为 计算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处理器（CPU 、GPU、APU、主板芯片组、电视卡芯片等)、闪存和低功率处理器解 决方案，AMD致力为技术用户从企业、政府机构到个人消费者 提供基于标准的、以客户为中心的解决方案。AMD是目前业内唯一 一个可以提供

17、CPU、GPU、主板芯片组三大组件的半导体公司，AMD提 出3A平台的新标志，在笔记本领域有“AMD VISION”标志的就表示该电 脑采用3A构建方案。 1969年5月1日，公司成立。 1976年，与Intel公司签署专利相互授权协议。 1981年，AMD制造的芯片被用于建造航天飞机，同年决定与Intel公司 扩大合作。 1987年，索尼公司合作生产CMOS芯片，4月向INTEL提起诉讼，这场官 司持续5年，以AMD胜诉告终。 1991年3月，生产AM386 CPU。 1992年2月，AMD对Intel法律诉讼结束，AMD胜诉，获得生产386处理 器的资格。 1993年4月，开始生产闪存，同

18、月，推出AM486 1999年，Athlon（速龙）处理器问世。 2003年，AMD推出面向服务器Opteron（皓龙）处理器，同年9月，推 出第一款桌面级的64位微处理器。 2006年7月24日，AMD收购ATI 2010年，AMD（ATI）独立显示核心出货量取代NVIDIA成为世界第一。 2011年1月，AMD推出Fusion系列Bobcat APU芯片,是一颗芯片包含CPU （中央处理器）及GPU（图像处理器）的组合，第一轮会有共4颗型号 的芯片，GPU部份也能真正支持1080p高清播放（硬件解码）。 2011年9月30日，Bulldozer（推土机）产品以全新架构问世，并采用 全新插槽

19、AM3+。该架构其实自2003年就已经有研发计划，唯因为经费 不足，搁置到2011年发布。 2012年，Plidiver（打桩机）架构自改良推土机架构而生。 2013年，AMD再次更换产品标识。 2013年6月, Richland APU正式推出。 2014年1月，Kaveri APU正式推出。 AMD Zatcate E系列代表型号：E1-2100(1.0G) AMD Ontario C系列代表型号：C-60(1.0G) AMD VISION A4系列代表型号：A4-4000(3.0G) AMD VISION A8系列代表型号：A8-5500(3.2G)、A8-6600K(3.9G)、 A8-7600(3.1G)、A8-7670K(3.6G)、A8-7670(3.6G) AMD VISION A10系列代表型号：A10-6800(4.1G)、A10-7800(3.5G) AMD FX系列代表型号：FX-4170(4.2G)、FX-6300(3.5G)、FX- 8350(4.0G) 3A平台是半导体厂商AMD提供的整合计算机平台，将集合了AMD处理器、 AMD芯片组和AMD显卡（ATI显卡）的整合平台称为AMD 3A平台。由于 CPU、GPU、chipset这三大核心组件都是AMD研发的结晶，因此“3A平台” 拥有更加出色的稳定性和兼容性，另外在性价比、