第二章第一节中央处理器CPU

1、第第2课时课时 中央处理器中央处理器CPU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，以便以较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

2、并控制计算机各个部分协调工作。 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)

3、位、字节和字长 CPU可以同时处理的二进制数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

4、理8个字节。 2) 主频、外频和倍频 主频(CPU 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

5、下，倍频越高，CPU的频率也越高。实际上，在相同外频的前提下，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。

6、主频主频是CPU的时钟频率或者说是内部工作频率。 外频外频是系统总线的工作频率。 倍频倍频是指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

7、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

8、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。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/

9、2。 6) 工作电压 工作电压 (Supply Voltage)即CPU正常工作所需的电压。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 eXtensio

10、n，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

11、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!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，

12、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。8088、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

13、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Socket 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

14、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

15、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系列系列 Intel公司的奔腾系列、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

16、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、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

17、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 MMX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、

18、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 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

19、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，这从外表上就可以很明显地看出来。Pentium 处理器使用SEC(单边插接)与主板相连，根据其特有的双独立总线结构(D.I.B.)，Socket 7时代主板上的二级缓存被放进了CPU卡盒中并工作在处理器核心频率的一半以下，这就使得Pentium 的性能与Pentium相比有了比较大的提高。此外，Pentium 系列也包含有MMX指令集。 4) Intel Celeron处理器 虽然Pentium 的性能不错，但是其昂贵的价格使不少人把目光投向了Supe

20、r 7。为了抢回失去的低端市场，Intel推出了Celeron(赛扬)处理器。 到目前为止，赛扬的发展也经历了三个阶段。第一阶段是代号为“Covington的赛扬266和300，采用0.25 m工艺制造，Slot 1架构，没有片内L2缓存。正因为如此，其整数运算能力很差，赛扬266的整数运算能力甚至还不及奔腾MMX 233高，由于L2缓存对浮点运算影响不大，因此赛扬的浮点运算能力与P一样出色。 第二阶段的赛扬代号为“Mendocino，采用0.25 m工艺制造，Slot 1架构，它与Covington最大的不同便是增加了整合在CPU内部的128 KB L2缓存，并以与CPU相同的频率工作。新的

21、赛扬尽管只有128 KB L2缓存(P L2缓存的1/4)，但是由于它以与CPU相同的频率工作，因此其性能大幅提高。第三阶段的赛扬采用了Socket 370架构，由于Mendocino的缓存集成在CPU内部，使得它所带的大块电路板变成了中看不中用的累赘，为了压低成本、降低售价，Intel便推出了与谁也不兼容的Socket 370接口的赛扬333和366。有Intel ZX芯片组与其配合，与赛扬300A相比，这种Socket 370接口的赛扬只是改变了接口方式并提高了主频(但还是运行在66 MHz的外频上)，其他没有任何变化。 5) Intel Pentium 处理器 Pentium 处理器是I

22、ntel的新一代产品，它采用0.25 s制造工艺，使用的是Katmai内核，新的SECC2插口。P 拥有32 KB一级缓存和512 KB二级缓存(运行在芯片核心速度的一半以下)，包含MMX指令和Intel自己的“3D”指令SSE。最初发行的P有450 MHz和500 MHz两种规格，其系统总线频率为100 MHz。 6) Pentium -Coppermine 1999年10月底，Intel正式发布代号为“Coppermine的新一代Pentium 处理器，其系统前端总线为133 MHz，CPU主频最高达到733 MHz。Coppermine采用全新的核心设计，内置256 KB与CPU主频同步

23、运行的二级缓存，并率先采用0.18 m的制造工艺。由于制造工艺的提高，新一代的Coppermine处理器的集成度大为提高，它的核心集成了2800万个晶体管，远远超过原来Katmai处理器的900万个晶体管数量。制造工艺的改进也使得单位面积的晶体管数量更多，CPU硅芯片可以做得更小，从而使芯片面积更小，功耗大为减小，成本也得以降低，这样，更适用于笔记本电脑使用。另外，它先进的缓存转换架构，使其在数据传输的带宽、系统响应周期等方面都比Katmai要快得多，因而整体性能比同频的Katmai有明显的提高。 7) 奔腾4 奔腾4以代号Willamette作为其核心，采用全新的NetBurst架构，在加速

24、指令集方面增加了第二代的SSE2指令集，同时强调在Internet、平面处理、多媒体以及3D运行与处理上，可以发挥更好的效能。 在封装结构上，奔腾4采用新改良的OLGA(Organic Land Gird Array)封装方式，与FC-PGA封装相当类似，同样都是采用Flip-Clip的方式，将芯片以镶嵌的方式固定在OLGA的电路基板上，而基板的底座则是采用423根脚位的PGA(Pin GridA Array)。为了避免FC-PGA的弱点，奔腾4处理器在芯片上盖了一层保护金属，这样可以避免CPU核心部分的芯片由于散热风扇摆动的压力而导致损坏。 奔腾4处理器除了将以前的MMX和SSE加入指令集外

25、，还增加了144个SIMD指令(也就是所谓的资料流SIMD延伸指令集2，即SSE2)。这些指令都支持128位的整数运算以及倍准度浮点运算，可以使CPU在处理相同的数据量时，仅仅需要一半的指令即可完成运算。这样就提高了微处理器处理数据的速度。 2AMD系列系列 AMD成立于1969年，是世界上除了Intel公司之外的第二大CPU生产厂家。AMD的586级CPU代号为K5，产品型号为5k86。K5与Intel的奔腾系列CPU兼容，可以直接安装在一般P54C类主板上。对于586类电脑来说，选择这种CPU经济实惠。K5处理器也是为了同奔腾处理器竞争而推出的产品，虽然K5推出的时间较晚，但在性能上比同档

26、次的奔腾CPU要好。K5处理器具有24 KB的L1缓存，它的L2缓存存放于主板上，与系统的总线频率同步工作。K5的整数运算能力不如Cyrix的6x86，但比奔腾略强；浮点运算能力远不如奔腾，但比Cyrix强。 除了K5之外，AMD公司又相继推出了K6、K6-2、K6- 以及K7处理器。下面我们来介绍这几款AMD公同的主流CPU。 1) AMD K6处理器 AMD K6处理器是与Pentium MMX同档次的产品，其由原来的NexGen公司的686改装而来，包含了全新的MMX指令以及64 KB L1缓存(比奔腾MMX整整大了一倍)，因此K6的整体性能要优于奔腾MMX。据测试，K6比相同速度的奔腾

27、MMX快，基本相当于同主频P的水平。其弱点是需要使用MMX或浮点运算的应用程序时，与Intel相比速度较慢。 K6采用的是双电压供电方式，K6-166、K6-200的内核电压为2.9 V，K6-233的内核电压是3.2 V。 2) AMD K6-2处理器 K6-2是AMD的拳头级产品，为了打败Intel，K6-2在K6的基础上做了大幅度的改进，其中最重要的一条便是支持3DNow!指令。3DNow!指令是对x86体系结构的重大突破，它大大加强了处理3D图形和多媒体所需要的密集浮点运算能力。3DNow!技术优秀的3D表现，更加真实地重现3D图像以及大屏幕的声像效果。K6-2同时支持超标量MMX技术

28、，100 MHz总线频率，这意味着系统与L2缓存和内存的传输速率提高将近50%，从而大大提高了整个系统的性能。此外，K6-2采用最新的0.25 m工艺制造，内含930万个晶体管(比K6多出了50万个)，核心电压为2.2 V；低电压使K6-2的发热量大幅降低。 K6-2有266、300、333、350、380、400、450 MHz等不同频率的产品，与其相应的CPU外部频率也有66、95、100 MHz等几种。 3) AMD K6- 处理器 K6- 是AMD公司在Socket 7领域的最后一款CPU，之后AMD全力转到K7和Slot A架构上去。K6- 原来并不叫这个名字，而是顺延K6-2的名字

29、叫K6-3，后来AMD为了和Intel的Pentium 相抗衡，才把K6-3改名为K6-。K6- 依然基于K6-2的CTX内核，但和K6-2最大的不同就是K6- 内部整合了256 KB的L2缓存，也就是说，K6- 中L2缓存的运行速度与CPU核心速度相同。L2缓存的速度对系统性能影响非常大，Socket 7架构都把L2缓存做在主板上，使用66 MHz或100 MHz的速度运行，这与CPU动辄300、400 MHz的速度相比，实在是瓶颈，Intel正是看到了这一不足，才在P、P 和赛扬内部整合L2缓存的。 400、450和500 MHz三个版本的K6- 依然采用0.25 m工艺制造，外频100

30、MHz，核心电压2.4 V。 4) AMD Athlon K7处理器 AMD公司的Athlon处理器又称K7，它不再使用Scoket 7架构而采用自己的Slot A架构。它包含2180万个晶体管，包含3DNow!和MMX指令集，使用025 m和0.18 m两种制造工艺。它拥有128 KB L1缓存(64 KB用于指令，另外64 KB用于数据，是Pentiun、Pentium 的32 KB Ll缓存的四倍)、512 KB的L2缓存，其速度为处理器时钟频率的一半。K7的最大特点是采用了Digital Alpha CPU的EV6总线技术，总线设计速度达到200 MHz，而且还可能达到400 MHz或

31、者更高。在理论上，它允许主板支持2个处理器。K7处理器的时钟频率为500850 MHz，并且在2000年3月AMD推出了1 GHz的Athlon(速龙)处理器。 从Athlon 700开始，AMD开始采用0.18 m制造工艺(也有部分产品使用0.25 m制造工艺)，仍使用Slot A架构，核心电压是1.6 V或者1.7 V。 3其他公司的其他公司的CPU 1) Cyrix系列 Cyrix过去只是一家处理器研发商，自身并没有生产能力，所以其产品多交付其他公司代为生产，其中最著名的就是蓝色巨人IBM。IBM在为Cyrix生产CPU之余，根据协议，会留下一些产品打上自己的商标出售，这就是IBM CP

32、U的来历。在Cyrix被NS(国家半导体公司)收购之后，它另辟蹊径，在低端市场寻求发展，生产整合性微处理器Meida GX。但是此公司在产品开发和性能上并没有实质性的发展，在1999年6月25日被目前最大的主板兼容芯片组生产商VIA电子公司收购。 Cyrix系列产品主要有：Cyrix6x86、6x86L、6x86MX、Ml、MI以及MeidaGX CPU等。 2) VIA系列 VIA公司是全球最大的兼容芯片组厂商，但只能靠Intel的授权生存。为了拥有自己CPU的核心技术，VIA于1999年6月与NS签订协议，将Cyrix公司收购。一个月后，又收购了IDT公司，这样VIA公司在极短的时间内获得

33、了所需要的技术、人才和知识产权。 VIA公司收购Cyrix后，推出的第一款CPU是2000年2月22日发布的威盛Cyrix ，以及定位于低价位市场的Winchip5。 CPU新技术新技术 1.超线程（Hyperthreading Technology）技术 :一种可以将CPU内部暂时闲置处理资源充分“调动”起来的技术。 2. LGA封装方式 :用金属触点式封装取代了以往的针状插脚 。 .迅驰移动技术 迅驰移动计算技术是英特尔的无线移动计算技术品牌。此品牌是最出色的英特尔笔记本电脑技术。该技术基于新的移动处理器微体系结构和无线功能，旨在获得超长电池寿命、轻薄外形参数和突破性移动性能的功能。 2.3 CPU的选购的选购 前面我们对CPU的基本知识、接口标准和性能指标做了详细介绍，在选购CPU时，还应注意下面的问题。 (1) 首先应明确两点：一是自己买电脑是用来做什么工作的，二是自己的经济实力。 从目前的情况来看，大多数的家庭用户购买电脑主要用来播放多媒体、玩游戏等，这样不防选择Intel的赛扬系列CPU或AMD的K7 CPU。如果用户对CPU性能有着较高要求，可以选择Intel的奔腾4和AMD的Athlon。CPU的时钟频率越高，性能越好，价格也越贵。一般来说，新