计算机的核心CPUPPT课件(PPT 67页)

1、第2课 CPU江苏建筑学院 韩.第1页，共67页。本课要点CPU的发展CPU的性能指标主流CPU产品CPU的选购.第2页，共67页。具体要求了解CPU的发展掌握CPU的性能指标了解Intel公司的CPU产品掌握CPU的选购方法掌握识别CPU的方法 .第3页，共67页。2.1 CPU概述 CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的缩写。CPU是计算机的控制和运算核心，其主要功能是执行指令、处理软件中的数据信息，它是计算机的核心部件，任何一台计算机的运行都离不开CPU。.第4页，共67页。1 CPU的作用 CPU是数据处理和程序执行的核心。其主要作用有：执行指令算术运算

2、和逻辑运算数据存储、传送控制I/O（输入/输出）操作.第5页，共67页。2 CPU的物理结构CPU的内部结构控制单元 运算单元存储单元.第6页，共67页。3 CPU的工作原理CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。.第7页，共67页。CPU的工作原理 CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。.第8页，共67页。2.2 CPU

3、的性能指标 CPU的性能高低影响整台计算机系统处理数据的速度，下面将介绍一些和CPU相关的性能指标。影响Cpu性能参数主要有 CPU的主频核心数缓存容量制造工艺等.第9页，共67页。1 CPU的频率 主频：是指计算机运行时的工作频率，也叫做CPU的时钟频率或核心频率，CPU的频率表示CPU内部数字脉冲信号振荡的速度，代表了CPU的实际运算速度，单位是GHz。CPU的频率越高，CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多，CPU的运算速度也就越快。CPU 主频外频倍频。.第10页，共67页。2在CPU不断快速的取指令，执行指令和处理数据时，由于数据转移和cpu处理的时差，可能会出现混乱的情况，

4、因此需要一个时钟来控制cpu的每一个动作。时钟就像一个节拍器不停地发出时钟脉冲来控制cpu的步调，这种时钟脉冲振荡的频率就是cpu的主频。时钟频率，类似人类的心跳1Hz 一秒钟跳动一个周期 一个人的心跳每分钟60次，那么心跳的频率就是1Hz.第11页，共67页。外频 外频即CPU的基准频率，单位是MHz。是CPU与主板之间同步运行的速度。外频速度高，CPU就可以同时接收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。 CPU的外频决定着整块主板的运行速度。在台式机中，所说的超频，都是超CPU的外频.第12页，共67页。倍频 倍频是CPU运行频率与系统外频之间差距的参数，也称为倍频系数

5、，通常简称为倍频。在相同的外频下，倍频越高，CPU的频率就越高。 CPU 主频外频倍频。.第13页，共67页。2 CPU的位和字长 在计算机中是以二进制进行数据的处理和运算的，数据的组成代码是“0”和“1”。在计算机中把这样的一个代码叫1位（bit），如十进制数8换算成二进制数就是1000，其在计算机中被认为是4位。但是由于位的单位太小，于是把每8位称为一个字节（Byte），即1字节8位（1Byte8bit）。在计算机技术中，对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。所以能处理字长为32位数据的CPU通常就叫32位的CPU，同理，64位的CPU就能在单位时间内处理字长为

6、64位的二进制数据。.第14页，共67页。4 CPU的缓存Cache 缓存（Cache）的作用是为CPU和内存在数据交换时提供一个高速的数据缓冲区。当CPU要读取数据时，首先会在缓存中寻找，如果找到了则直接从缓存中读取，如果在缓存中未能找到，CPU才会从主内存中读取数据。CPU缓存一般分为L1 Cache 、L2 Cache和 L3 Cache 。 CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运行，工作效率远远大于系统内存和硬盘。.第15页，共67页。L1高速缓存L1高速缓存（也称为一级高速缓存、L1 Cache）L1Cache(一级缓存）是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。用于

7、暂存部分指令和数据，以使CPU能迅速地得到所需要的数据。L1高速缓存与CPU同步运行，其对CPU的性能影响较大，容量越大，性能也会越高。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。.第16页，共67页。L2高速缓存 L2高速缓存（也称为二级高速缓存、L2 Cache）的容量和频率对CPU的性能影响也较大，它的作用就是为了协调CPU的运行速度与内存存取速度之间的差异。目前CPU的L2高速缓存有低至512KB，也有高达8MB的。.第17页，共67页。L3CacheL3Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进

8、一步降低内存延迟，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。.第18页，共67页。2.3 CPU的架构封装等1 CPU的核心核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等。为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。例如，Intel酷睿处理器的核心代号有二代酷睿Sandy Bridge、四代Hasw

9、ell、六代Skylake 。Skylake核心架构.第19页，共67页。CPU的架构是指CPU采用的生产工艺, 就是CPU内部结构，换句话说就是内部晶体管的排列方式，不同的微架构有不同的排列方式。 ，.第20页，共67页。2 CPU的接口CPU的接口（针脚）是指CPU与主板之间的连接方式，CPU的接口根据CPU的核心的不同而不同，CPU诞生初期是直接焊接在主板上的，后来逐渐独立出来，也就有了各式各样的接口（针脚）。目前Intel CPU常见的接口有：LGA1156、LGA1155、LGA1151。高端市场：LGA1366和LGA2011.第21页，共67页。 LGA全称是Land Grid

10、Array，直译过来就是栅格阵列封装，与英特尔处理器之前的封装技术Socket 478相对应，它也被称为Socket T。主要在于它用金属触点式封装取代了以往的针状插脚。而LGA1151，顾名思义，就是有1151个触点。Socket 478LGA1150 和LGA1151所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例，我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌，而是CPU内核等元件经过封装后的产品。.第22页，共67页。3 CPU的制造工艺（制程技术）制造工艺CPU制造工艺是指IC内电路与电路之间的距离。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面

11、积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。CPU的制造工艺直接关系到CPU的电气性能。线路宽度越小，CPU的功耗和发热量就越低，并可以工作在更高的频率下。目前Intel的主流产品的制造工艺技术已经达到14nm微米级别。.第23页，共67页。4 热功耗TDPTDP的英文全称是“Thermal Design Power”，中文直译是“散热设计功耗”。主要是提供给计算机系统厂商，散热片/风扇厂商，以及机箱厂商等等进行系统设计时使用的。一般TDP主要应用于CPU，CPUTDP值对应系列CPU 的最终版本在满负荷(CPU 利用率为100%的理论上)可能会达到的最高散热热量，散热器必须保证在处理

12、器TDP最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围之内。注意：由于CPU的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中，这样CPU的实际功耗（其值：功率P=电流I电压U）也会不断变化，因此TDP值并不等同于CPU的实际功耗，更没有算术关系。举例来说，Pentium E2160 TDP为65W，而实际运行中的平均功耗仅19W。.第24页，共67页。2.4 处理技术1 超线程超线程（Hyper-Threading，简写为HT）是Intel为Pentium 4专门设计的一项技术。超线程是一种同步多线程执行技术，一款应用超线程技术的Intel CPU可在逻辑上被模拟成两个CPU，这样CPU可以充分利用空闲资源同时

13、处理两个任务集，从而在相同时间内完成更多任务。双核心可以理解为两个“物理”处理器；而超线程只是两个“逻辑”的处理器.第25页，共67页。2 流水线流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成56步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果.第26页，共67页。3 超标量超标量（superscalar）在一个时钟周期内，CPU可以执行一个以

14、上的指令。超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理，其实质是以空间换取时间。.第27页，共67页。4 APUAPU(Accelerated Processing Unit)中文名字叫加速处理器，是AMD融聚理念的产品，它第一次将处理器和独显核心做在一个晶片上，它同时具有高性能处理器和最新独立显卡的处理性能，支持DX11游戏和最新应用的“加速运算”，大幅提升电脑运行效率，实现了CPU与GPU真正的融合。.第28页，共67页。8 CPU的指令集 指令集是CPU用来计算和控制系统的命令，是与硬件电路相配合的一系列的指令。指令集对提高CPU的效率具有重要的作用，是CPU性能的重要指标之一，目前指令

15、集有Intel公司的MMX，SSE，SSE2，SSE3、sse4 EM64T和AMD主要是x86，x86-64，3D-Now!指令集判断CPU是否是64位：Intel EM64T AMD x86-64双核及以上CPU都是支持64位.第29页，共67页。MMX 是MultiMedia eXtensions（多媒体扩展）的缩写。MMX技术是在CPU中加入了特地为视频信号(Video Signal)，音频信号(Audio Signal)以及图像处理(Graphical Manipulation)而设计的57条指令，因此，MMX CPU极大地提高了电脑的多媒体（如立体声、视频、三维动画等）处理功能。.

16、第30页，共67页。2.5 CPU的发展 CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史，按照其处理信息的字长，可以将CPU分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器，可以说个人计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。下面将介绍CPU从诞生到现今的发展历程。.第31页，共67页。1. CPU的诞生 1971年Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的4位微处理器，它集成了2300个晶体管。功能不全，实用价值不大4004微处理器.第32页，共67页。2、第1代 CPU第1阶段（19711973年）是4位和8位低档微处理器时代，

17、通常称为第1代典型产品：Intel4004、Intel8008微处理器基本特点：采用PMOS工艺，集成度低系统结构和指令系统简单，采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少 ，用于简单的控制场合。.第33页，共67页。3 . 第二代 8位微处理器时代第2阶段（19741977年）是8位微处理器时代，通常称为第2代。其典型产品是Intel8080/8085。它们的特点：采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约1015倍。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

18、出现了操作系统。.第34页，共67页。4. 第三代 16位微处理器时代 1978年Intel公司生产出了第一款16位微处理器8086，它是第三代微处理器的起点。8086的最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时Intel还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集。这些指令集统一称为x86指令集。Intel公司以后生产的CPU都兼容原来的x86指令。1979年Intel公司开发出了8088微处理器。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器。8088的工作频率有6.66MHz，7.16MHz和8MHz几

19、种，集成了大约29 000个晶体管。.第35页，共67页。16位微处理器时代1982年Intel公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器。80286集成了大约13万个晶体管。该微处理器的最大主频为20MHz。80286支持更大的内存，它能够模拟内存空间，也能同时运行多个任务，从而提高了处理速度。 808680286这个时代是个人计算机起步的时代，当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少，直到20世纪90年代初，国内才开始普及计算机。.第36页，共67页。微处理器.第37页，共67页。5. 第4代 32位微处理器时代 1985年10月17日Intel正式发布了划时代的产品80386，内部

20、集成27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后来逐步提高到33MHz。 80386C的内部和外部数据总线是32位的，这标志着CPU进入了32位微处理器时代。80386最经典的产品为80386DX-33MHz。由于32位微处理器的强大运算能力，PC的应用扩展到很多领域，如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐等领域。80386使32位CPU成为了PC工业的标准。.第38页，共67页。32位微处理器时代1989年，80486芯片由Intel推出。集成了120万个晶体管，使用1m的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz50MHz。80486的性能比80386 DX提高了4倍。.

21、第39页，共67页。微处理器和处理器.第40页，共67页。3. 32位微处理器时代1997年Intel公司在Pentium CPU内部集成了多媒体扩展指令，即MMX（ MultiMedia eXtensions）指令集，该指令集有57条多媒体指令，增强了图像、视频和音频等方面的效果，给用户带来了多媒体的享受。.第41页，共67页。第5代 奔腾微处理器时代第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。1993年Intel公司推出了划时代的586，并将其命名为Pentium（奔腾）处理器，集成了310万个晶体管。Pentium首次采用了RISC中的双流水

22、线及超标量设计，可以让CPU并行处理两条机器语言指令。.第42页，共67页。1999年，Intel公司推出了Pentium III处理器。Pentium III处理器中新增了70条SSE扩展指令集，该指令集主要用于提高CPU的3D处理能力和影像效果。.第43页，共67页。处理器.第44页，共67页。2000年Intel公司推出了新一代的CPUPentium 4处理器，Pentium 4处理器采用Willamette核心制造，制造工艺为0.18m，采用了Socket 478接口。.第45页，共67页。处理器.第46页，共67页。64位微处理器时代 从CPU诞生到发展到32位都是由Intel公司独

23、领风骚，不断发布具有里程碑意义的CPU产品，其他公司如AMD和VIA公司虽然也在不断努力，但是在和Intel的对抗中几乎每次都处于下风。但是在个人计算机领域率先发布64位微处理器的却是潜心研究的AMD公司。AMD公司在2003年发布了第一款应用于个人计算机的64位处理器Athlon64(速龙)。Athlon64在支持64位代码的基础上提供了对32位和16位代码的良好兼容，有超过4GB的内存寻址能力。.第47页，共67页。4. 64位微处理器时代AMD公司随后又推出了针对低端市场的Socket 754接口的Sempron64（闪龙）处理器。而Intel公司直到2005年才推出了面向中端的6系列的

24、64位CPU，这才开始将CPU的产品线在整个市场进行普及。Intel 64位CPU都采用LGA775接口、Prescott核心、0.09m的制造工艺和拥有31级的流水线。.第48页，共67页。处理器.第49页，共67页。第6代 酷睿时代CPU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。2006年英特尔推出酷睿2（Core 2 Duo），内含2.91亿个晶体管。2008年Intel发布一代酷睿Clarkdale核心2011年Intel发布二代酷睿Sandy Bridge 2012年Intel发布三代酷睿lvy 2013年intel 发布四代酷睿Haswell20

25、15年1月6日发布了第五代酷睿Broadwell处理器.第50页，共67页。英特尔2015年1月6日宣布了第五代酷睿Broadwell架构处理器系列.第51页，共67页。酷睿6代Intel Skylake是英特尔第六代微处理器架构，采用14纳米制程，是Intel Haswell微架构及其制程改进版Intel Broadwell微架构的继任者。Intel Skylake已经在2015年8月5日20:00发布，第六代酷睿Skylake处理器同样采用14纳米工艺，接口为LGA1151，搭配全新Intel 100系列芯片组（最高端是Z170主板），支持DDR4内存和DDR3L内存.第52页，共67页。

26、2016年8月英特尔正式发布第七代酷睿处理器Kaby Lake，这是14nm工艺的Skylake微架构处理器，在功率和效率上都有提升。英特尔表示，第七代酷睿处理器的每瓦性能，是第六代的8倍；网络性能比之前高出19%；生产力应用程序性能则要高出12%。英特尔称，使用新处理器后，会出现机身厚度不到1cm的笔记本。英特尔还强调了处理器在4K视频，全景视频，AR(增强现实)技术 、VR虚拟现实)应用方面的体 验。.第53页，共67页。2.6 主流CPU产品介绍 CPU的产品数量很多，如果想购买到合适的CPU产品，首先要对市场上的CPU产品有所了解。台式机CPU品牌：英特尔Intel 、超微AMDInt

27、el 高中低端 ：酷睿 core奔腾pentium赛扬 celeron服务器、工作站CPU: 至强xeon处理器AMD高中低端：羿龙phenome速龙athlon闪龙sempron.第54页，共67页。2016年CPU性能天梯图.第55页，共67页。常见CPU产品介绍.第56页，共67页。Skylake的旗舰i7-6700K，4核8线程，4.0GHz主频，最大睿频4.2GHz，14nm工艺，91W的TDP，发热量控制优秀，同时支持4代内存，相当受消费者喜欢。6代酷睿的i5-6500，销量也是相当不错的。4核4线程，默认主频3.2GHz，最大睿频可到3.6GHz，也是14nm工艺，TD为65W。

28、.第57页，共67页。.第58页，共67页。A10-7870K是去年发布的一颗APU。3.9GHz主频，动态超频可达4.1GHz，28nm工艺，TDP 95W。融合了AMD RADEON R7独显核心，拥有512个流出器，性能和GT 740差不多了。速龙II X4860K，400不到的售价，原生4核物理核心，3.7GHz主频，动态超频可达4.0GHz，并且不锁倍频，日常办公使用完全绰绰有余，物美价廉。.第59页，共67页。2.7 CPU选购指南 早期的CPU系列型号并没有明显的高低端之分,随着CPU技术和IT市场的发展，Intel和AMD两大CPU生产厂商出于细分市场的目的，都不约而同的将自己旗下的CPU产品细分为高低端，从而以性能高低来细分市场。而高低端CPU系列型号之间的区别无非就是二级缓存容量(一般都只具有高端产品的四分之一)、外频、前端总线频率、支持的指令集以及支持的特殊技术等几个重要方面，基本上可以认为低端CPU产品就是高端CPU产品的缩水版 但在购买CPU产品时需要注意的是，以系列型号来区分CPU性能的高低也只对同时期的产品才有效，任何事物都是相对的，今天的高端就是明天的中端、后天的低端， CPU的频率提高幅度已经远远大于其他设备运行速度的提高。因此现在选购CPU已经不