浅谈计算机硬件CPU

1、XXXX大学课程论文学 院：XX 学院 班 级：XX级XXXXXXX班姓 名：XX 学 号：XXXXX课程论文题目：浅谈计算机硬件CPU课程名称：计算机组装与维护评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：日期： 年 月 日浅谈计算机硬件CPU学生：XX（XX学院XX级XXXXXX班，学号XXXXXX）摘 要： 中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。主要包括运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据

2、（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机五大核心部件。关键字：物理结构、主要功能、工作过程随着计算机技术的普及以及大众对计算机进行商务、学习、工作等需求的增长，计算机已经成为人们工作和学习不可缺少的高科技产品之一。现在，计算机已经进入实用阶段，越来越多的人拥有了自己的计算机，同时希望掌握计算机组装和维修技术。一、物理结构CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。1.逻辑部件 英文Logiccomponents；2.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。3.寄存器

3、包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。控制寄存器（CR0CR3）用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。CR0中含有控制处理器操作模式和状态的系统控制标志；CR1保留不用；CR2含有导致页错误的线性地址；CR3中含有页目录表物理内存基地址.4.控制部件 英文Control

4、unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。简单指令是由（35）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。二、主要功能1.处理指令英文Processing instructio

5、ns；这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。2. 执行操作英文Perform an action；一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，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. 控制时间英文Control time；时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能有条不紊地工作。4. 处理数据即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处

6、理。其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， 并执行指令。在微型计算机中又称微处理器，计算机的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指标直接决定了微机系统的性能指标。CPU具有以下4个方面的基本功能：数据通信，资源共享，分布式处理，提供系统可靠性。运作原理可基本分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。三、工作过程CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基

7、本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。1. 提取第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令（为数值或一系列数值）。由程序计数器（Program Counter）指定存储器的位置。(程序计数器保存供识别程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在程序里的踪迹。)2. 解码CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片段。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行

8、哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。3. 执行在提取和解码阶段之后，紧接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。例如，要求一个加法运算，算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。ALU内含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算（比如加法和位元运算）。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里可能会设置运算溢出（Arithmetic Overflow）标志。4. 写回最终阶段，写回，

9、以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体中。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果。这些一般称作“跳转”（Jumps），并在程式中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函式。许多指令会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可藉由随后跳转指令来决定程式动向。在执行指令并写回结果之后，程序计数器值会递增，反覆整个过程，下一个指

10、令周期正常的提取下一个顺序指令。四、发展历史计算机的发展主要表现在其核心部件微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动计算机系统的其他部件的相应发展，如计算机体系结构的进一步优化，存储器存取容量的不断增大、存取速度的不断提高，外围设备的不断改进以及新设备的不断出现等。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。第1阶段第1阶段（19711973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机。基本特点是采用PMOS工艺，集成度低（4000个晶体管/片），系统结构和指

11、令系统都比较简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少（20多条指令），基本指令周期为2050s，用于简单的控制场合。Intel在1969年为日本计算机制造商Busicom的一项专案，着手开发第一款微处理器，为一系列可程式化计算机研发多款晶片。最终，英特尔在1971年11月15日向全球市场推出4004微处理器，当年Intel 4004处理器每颗售价为200美元。4004 是英特尔第一款微处理器，为日后开发系统智能功能以及个人电脑奠定发展基础，其晶体管数目约为2300颗。第2阶段第2阶段（19741977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代，其典型产品是Intel8080/80

12、85、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。它们的特点是采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约1015倍（基本指令执行时间12s）。指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA等控制功能。软件方面除了汇编语言外，还有BASIC、FORTRAN等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作系统。1974年，Intel推出8080处理器，并作为Altair个人电脑的运算核心，Altair在星舰奇航电视影集中是企业号太空船的目的地。电脑迷当时可用395美元买到一组Altair的套件。它在数个月内卖出数万套，成为史上第一款下订单后制造的机种。Intel 80

13、80晶体管数目约为6千颗。第3阶段第3阶段（19781984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。其特点是采用HMOS工艺，集成度（2000070000晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是0.5s）都比第2代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期著名微机产品有IBM公司的个人计算机。1981年IBM公司推出的个人计算机采用8088CPU。紧接着1982年又推出了扩展型的个人计算机

14、IBM PC/XT，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。80286（也被称为286）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器，这种软件相容性之后成为英特尔全系列微处理器的注册商标，在6年的销售期中，估计全球各地共安装了1500万部286个人电脑。Intel 80286处理器晶体管数目为13万4千颗。1984年，IBM公司推出了以80286处理器为核心组成的16位增强型个人计算机IBM PC/AT。由于IBM公司在发展个人计算机时采用 了技术开放的策略，使个人计算机风靡世界。第4阶段第4阶段（19851992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。其典型产品是Intel公司的8

15、0386/80486，Motorola公司的M69030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万个晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线。每秒钟可完成600万条指令（Million Instructions Per Second，MIPS）。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、TEXAS等）也推出了80386/80486系列的芯片。80386DX的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4G 英特尔早期经典CPU英特尔早期经典CPU(16张)B内存，并可

16、以管理64TB的虚拟存储空间。它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种“虚拟86”的工作方式，可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。80386SX是Intel为了扩大市场份额而推出的一种较便宜的普及型CPU，它的内部数据总线为32位，外部数据总线为16位，它可以接受为80286开发的16位输入/输出接口芯片，降低整机成本。80386SX推出后，受到市场的广泛的欢迎，因为80386SX的性能大大优于80286，而价格只是80386的三分之一。Intel 80386 微处理器内含275,000 个晶体管比当初的4004多了100倍以上，这款32位元处理器首次支持多工任

17、务设计，能同时执行多个程序。Intel 80386晶体管数目约为27万5千颗。1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，使用1微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。80486是将80386和数学协微处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。80486中集成的80487的数字运算速度是以前80387的两倍，内部缓存缩短了微处理器与慢速DRAM的等待时间。并且，在80x86系列中首次采用了RISC（

18、精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协微处理器的80386 DX性能提高了4倍。第5阶段第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（Multi Media eXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。处理器芯片处理

19、器芯片1997年推出的Pentium II处理器结合了Intel MMX技术，能以极高的效率处理影片、音效、以及绘图资料，首次采用Single Edge Contact (S.E.C) 匣型封装，内建了高速快取记忆体。这款晶片让电脑使用者撷取、编辑、以及透过网络和亲友分享数位相片、编辑与新增文字、音乐或制作家庭电影的转场效果、使用可视电话以及透过标准电话线与网际网络传送影片，Intel Pentium II处理器晶体管数目为750万颗。1999年推出的Pentium III处理器加入70个新指令，加入网际网络串流SIMD延伸集称为MMX，能大幅提升先进影像、3D、串流音乐、影片、语音辨识等应用

20、的性能，它能大幅提升网际网络的使用经验，让使用者能浏览逼真的线上博物馆与商店，以及下载高品质影片，Intel首次导入0.25微米技术，Intel Pentium III晶体管数目约为950万颗。与此同年，英特尔还发布了Pentium III Xeon处理器。作为Pentium II Xeon的后继者，除了在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了Pentium III处理器新增的70条指令集，以更好执行多媒体、流媒体应用软件。除了面对企业级的市场以外，Pentium III Xeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。在缓存速度与系统总线结构上，也有很多进步，很大程度提升了性能，并为更好的多处

21、理器协同工作进行了设计。2000年英特尔发布了Pentium 4处理器。用户使用基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。Pentium 4处理器集成了4200万个晶体管，到了改进版的Pentium 4(Northwood)更是集成了5千5百万个晶体管；并且开始采用0.18微米进行制造，初始速度就达到了1.5GHz。Pentium 4还提供的SSE2指令集，这套指令集增加144个全新的指令，在128bit压缩的数据，在SSE时，仅能以4个单精度

22、浮点值的形式来处理，而在SSE2指令集，该资料能采用多种数据结构来处理：4个单精度浮点数(SSE)对应2个双精度浮点数(SSE2)；对应16字节数(SSE2)；对应8个字数(word)；对应4个双字数(SSE2)；对应2个四字数(SSE2)；对应1个128位长的整数(SSE2) 。2003年英特尔发布了Pentium M(mobile)处理器。以往虽然有移动版本的Pentium II、III，甚至是Pentium 4-M产品，但是这些产品仍然是基于台式电脑处理器的设计，再增加一些节能，管理的新特性而已。即便如此，Pentium III-M和Pentium 4-M的能耗远高于专门为移动运算设计的

23、CPU，例如全美达的处理器。英特尔Pentium M处理器结合了855芯片组家族与Intel PRO/Wireless2100网络联机技术，成为英特尔Centrino(迅驰)移动运算技术的最重要组成部分。Pentium M处理器可提供高达1.60GHz的主频速度，并包含各种效能增强功能，如：最佳化电源的400MHz系统总线、微处理作业的融合(Micro-OpsFusion)和专门的堆栈管理器(Dedicated Stack Manager)，这些工具可以快速执行指令集并节省电力。2005年Intel推出的双核心处理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition，同时推出

24、945/955/965/975芯片组来支持新推出的双核心处理器，采用90nm工艺生产的这两款新推出的双核心处理器使用是没有针脚的LGA 775接口，但处理器底部的贴片电容数目有所增加，排列方式也有所不同。桌面平台的核心代号Smithfield的处理器，正式命名为Pentium D处理器，除了摆脱阿拉伯数字改用英文字母来表示这次双核心处理器的世代交替外，D的字母也更容易让人联想起Dual-Core双核心的涵义。Intel的双核心构架更像是一个双CPU平台，Pentium D处理器继续沿用Prescott架构及90nm生产技术生产。Pentium D内核实际上由于两个独立的Prescott核心组成

25、，每个核心拥有独立的1MB L2缓存及执行单元，两个核心加起来一共拥有2MB，但由于处理器中的两个核心都拥有独立的缓存，因此必须保证每个二级缓存当中的信息完全一致，否则就会出现运算错误。为了解决这一问题，Intel将两个核心之间的协调工作交给了外部的MCH（北桥）芯片，虽然缓存之间的数据传输与存储并不巨大，但由于需要通过外部的MCH芯片进行协调处理，毫无疑问的会对整个的处理速度带来一定的延迟，从而影响到处理器整体性能的发挥。由于采用Prescott内核，因此Pentium D也支持EM64T技术、XD bit安全技术。值得一提的是，Pentium D处理器将不支持Hyper-Threading

26、技术。原因很明显：在多个物理处理器及多个逻辑处理器之间正确分配数据流、平衡运算任务并非易事。比如，如果应用程序需要两个运算线程，很明显每个线程对应一个物理内核，但如果有3个运算线程呢？因此为了减少双核心Pentium D架构复杂性，英特尔决定在针对主流市场的Pentium D中取消对Hyper-Threading技术的支持。同出自Intel之手，而且Pentium D和Pentium Extreme Edition两款双核心处理器名字上的差别也预示着这两款处理器在规格上也不尽相同。其中它们之间最大的不同就是对于超线程（Hyper-Threading）技术的支持。Pentium D不支持超线程技

27、术，而Pentium Extreme Edition则没有这方面的限制。在打开超线程技术的情况下，双核心Pentium Extreme Edition处理器能够模拟出另外两个逻辑处理器，可以被系统认成四核心系统。Pentium EE系列都采用三位数字的方式来标注，形式是Pentium EE8xx或9xx，例如Pentium EE840等等，数字越大就表示规格越高或支持的特性越多。Pentium EE 8x0：表示这是Smithfield核心、每核心1MB二级缓存、800MHzFSB的产品，其与Pentium D 8x0系列的唯一区别仅仅只是增加了对超线程技术的支持，除此之外其它的技术特性和参数

28、都完全相同。Pentium EE 9x5：表示这是Presler核心、每核心2MB二级缓存、1066MHzFSB的产品，其与Pentium D 9x0系列的区别只是增加了对超线程技术的支持以及将前端总线提高到1066MHzFSB，除此之外其它的技术特性和参数都完全相同。单核心的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D以及双核心的Pentium D和Pentium EE等CPU采用LGA775封装。与以前的Socket 478接口CPU不同，LGA 775接口CPU的底部没有传统的针脚，而代之以775个触点，即并非针脚式而是触点式，通过与对应的LGA 775插槽内的775

29、根触针接触来传输信号。LGA 775接口不仅能够有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率、降低生产成本。第6阶段第6阶段（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代，通常称为第6代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。 酷睿2：英文名称为Core 2 Duo，是英特尔在2006年推出的新一代基于Core微架构的产品体系统称。于2006年7月27日发布。酷睿2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。其中，服务器版的开发代号为W

30、oodcrest，桌面版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。酷睿2处理器的Core微架构是Intel的以色列设计团队在Yonah微架构基础之上改进而来的新一代英特尔架构。最显著的变化在于在各个关键部分进行强化。为了提高两个核心的内部数据交换效率采取共享式二级缓存设计，2个核心共享高达4MB的二级缓存。继LGA775接口之后，Intel首先推出了LGA1366平台，定位高端旗舰系列。首颗采用LGA 1366接口的处理器代号为Bloomfield，采用经改良的Nehalem核心，基于45纳米制程及原生四核心设计，内建8-12MB三级缓存。LGA1366平台再次引入了Intel超

31、线程技术，同时QPI总线技术取代了由Pentium 4时代沿用至今的前端总线设计。最重要的是LGA1366平台是支持三通道内存设计的平台，在实际的效能方面有了更大的提升，这也是LGA1366旗舰平台与其他平台定位上的一个主要区别。作为高端旗舰的代表，早期LGA1366接口的处理器主要包括45nm Bloomfield核心酷睿i7四核处理器。随着Intel在2010年迈入32nm工艺制程，高端旗舰的代表被酷睿i7-980X处理器取代，全新的32nm工艺解决六核心技术，拥有最强大的性能表现。对于准备组建高端平台的用户而言，LGA1366依然占据着高端市场，酷睿i7-980X以及酷睿i7-950依旧

32、是不错的选择。Core i5是一款基于Nehalem架构的四核处理器，采用整合内存控制器，三级缓存模式，L3达到8MB，支持Turbo Boost等技术的新处理器电脑配置。它和Core i7（Bloomfield）的主要区别在于总线不采用QPI，采用的是成熟的DMI（Direct Media Interface），并且只支持双通道的DDR3内存。结构上它用的是LGA1156 接口，i5有睿频技术，可以在一定情况下超频。LGA1156接口的处理器涵盖了从入门到高端的不同用户，32nm工艺制程带来了更低的功耗和更出色的性能。主流级别的代表有酷睿i5-650/760，中高端的代表有酷睿i7-870/

33、870K等。我们可以明显的看出Intel在产品命名上的定位区分。但是整体来看中高端LGA1156处理器比低端入门更值得选购，面对AMD的低价策略，Intel酷睿i3系列处理器完全无法在性价比上与之匹敌。而LGA1156中高端产品在性能上表现更加抢眼。Core i3可看作是Core i5的进一步精简版（或阉割版），将有32nm工艺版本（研发代号为Clarkdale，基于Westmere架构）这种版本。Core i3最大的特点是整合GPU（图形处理器），也就是说Core i3将由CPU+GPU两个核心封装而成。由于整合的GPU性能有限，用户想获得更好的3D性能，可以外加显卡。值得注意的是，即使是C

34、larkdale，显示核心部分的制作工艺仍会是45nm。i3 i5 区别最大之处是 i3没有睿频技术。代表有酷睿i3-530/540。2010年6月，Intel再次发布革命性的处理器第二代Core i3/i5/i7。第二代Core i3/i5/i7隶属于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的Sandy Bridge微架构，相比第一代产品主要带来五点重要革新：1、采用全新32nm的Sandy Bridge微架构，更低功耗、更强性能。2、内置高性能GPU（核芯显卡），视频编码、图形性能更强。 3、睿频加速技术2.0，更智能、更高效能。4、引入全新环形架构，带来更高带宽与更低延迟。5、全新的AVX、AE

35、S指令集，加强浮点运算与加密解密运算。SNB(Sandy Bridge）是英特尔在2011年初发布的新一代处理器微架构，这一构架的最大意义莫过于重新定义了“整合平台”的概念，与处理器“无缝融合”的“核芯显卡”终结了“集成显卡”的时代。这一创举得益于全新的32nm制造工艺。由于Sandy Bridge 构架下的处理器采用了比之前的45nm工艺更加先进的32nm制造工艺，理论上实现了CPU功耗的进一步降低，及其电路尺寸和性能的显著优化，这就为将整合图形核心（核芯显卡）与CPU封装在同一块基板上创造了有利条件。此外， 新老酷睿大作战 CPU五年性能提升多少新老酷睿大作战 CPU五年性能提升多少(19张)第二代酷睿还加入了全新的高清视频处理单