微机系统组成3-2

存储器运算器控制器输入输出中央处理器CPU主机第3章微处理器3.1CPU功能和组成3.2CPU工作过程3.3CPU主要性能指标3.4微处理器的发展3.3CPU主要性能指标1.字长、总线带宽和最大寻址内存字长是CPU的主要技术指标之一，指的是CPU一次能并行处理的二进制位数，字长总是8的整数倍，通常PC机的字长为16位，32位，64位。1.字长、总线带宽和最大寻址内存

总线的带宽（数据传输率）指的是这条总线在单位时间内可以传输的数据总量，它等于总线位宽与工作频率的乘积。例如，对于64位、800MHz的前端总线，它的数据传输率就等于

64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s；32位、33MHzPCI总线的数据传输率就是

32bit×33MHz÷8=133MB/s在计算机系统中，所有数据交换的需求都必须通过总线来实现！2.CPU主频、外频、倍频系数和前端总线频率CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPUClockSpeed）。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”。很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然，CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。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。2.CPU主频、外频、倍频系数和前端总线频率

外频也叫CPU外部频率或基频，计量单位为“MHz“。CPU的主频与外频有一定的比例（倍频）关系，由于内存和设置在主板上的L2Cache的工作频率与CPU外频同步，所以使用外频高的CPU组装电脑，其整体性能比使用相同主频但外频低一级的CPU要高。这项参数关系试用于主板的选择。

倍频系数是CPU主频和外频之间的比例关系，一般为：主频=外频×倍频。Intel公司所有CPU（少数测试产品例外）的倍频通常已被锁定（锁频），用户无法用调整倍频的方法来调整CPU的主频，但仍然可以通过调整外频为设置不同的主频。2.CPU主频、外频、倍频系数和前端总线频率CPU的主频随着技术进步和市场需求的提升而不断提高，但外部设备所能承受的频率极限与CPU核心无法相提并论，于是外频的概念产生了。一般说来，我们能见到的标准外频有100MHz、133MHz，166MHz，200MHz。CPU的工作频率（主频）包括两部分：外频与倍频，两者的乘积就是主频。倍频的全称为倍频系数。CPU的主频与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。倍频可以从1.5一直到23以至更高，以0.5为一个间隔单位。外频与倍频相乘就是主频（主频＝外频×倍频），所以其中任何一项提高都可以使CPU的主频上升。3.Cache容量CPU产品中，一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间，二级缓存的容量则分为128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。一级缓存容量各产品之间相差不大，而二级缓存容量则是提高CPU性能的关键。二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的，容量增大必然导致CPU内部晶体管数的增加，要在有限的CPU面积上集成更大的缓存，对制造工艺的要求也就越高。

缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大。缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，以次提高系统性能。由于CPU芯片面积和成本等因素，缓存都很小，KB、MB。4.工作电压与制造工艺是指CPU正常工作所需的电压，提高工作电压，可以加强CPU内部信号，增加CPU的稳定性能。但会导致CPU的发热问题，CPU发热将改变CPU的化学介质，降低CPU的寿命。早期CPU工作电压为5V，随着制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有着很大的变化，PIIICPU的电压为1.7V，解决了CPU发热过高的问题。

工作电压是指CPU正常工作所需的电压。

低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。4.工作电压与制造工艺

制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。趋势是向密集度高的方向发展。

1.8μS、0.13μS

、0.90μS

、0.65μSIntelCore2DuoE6300，65纳米

协处理器的功能是配合CPU完成浮点运算。

协处理器型号为X87系列，

486CPU之前外置；

486之后CPU内置5.协处理器或者叫数学协处理器5.协处理器或者叫数学协处理器在486以前的CPU里面，是没有内置协处理器的。

由于协处理器主要的功能就是负责浮点运算，因此386、286、8088等等微机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。现在CPU的浮点单元（协处理器）往往对多媒体指令进行了优化。比如Intel的MMX技术，MMX是“多媒体扩展指令集”的缩写。MMX是Intel公司在1996年为增强PentiumCPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术。为CPU新增加57条MMX指令，把处理多媒体的能力提高了60％左右。6.指令集指令（机器指令）是一种采用二进制表示的命令语言，它用来规定计算机执行的操作及操作对象所在的位置。每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。

指令功能指令解释MOV传送R1→R0LAD取数从地址为6的内存单元中读出数据写入R1中ADD加法R1+R2→R2STO存数将R2中的数写入内存单元（其地址为R3的内容）中JMP转移无条件转移，101→PCAND与运算R1^R3→R3说明：RO~R3：寄存器0~寄存器3；（R3）：寄存器R3中存储的数据；101：数值101指令功能指令解释MOV传送R1→R0LAD取数从地址为6的内存单元中读出数据写入R1中ADD加法R1+R2→R2STO存数将R2中的数写入内存单元（其地址为R3的内容）中JMP转移无条件转移，101→PCAND与运算R1^R3→R3说明：RO~R3：寄存器0~寄存器3；（R3）：寄存器R3中存储的数据；101：数值101指令执行前各寄存器内容R015R132R268R340MOV指令执行后各寄存器内容32326840内存单元地址单元内容（内存单元中存储的信息）679LAD指令执行后各寄存器内容32796840ADD指令执行后各寄存器内容327914740内存单元地址单元内容（内存单元中存储的信息）40…STO指令执行后内存单元的内容147AND指令执行后各寄存器内容6.指令集指令（机器指令）是一种采用二进制表示的命令语言，它用来规定计算机执行的操作及操作对象所在的位置。每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。

程序是指令的有序集合。6.指令集指令（机器指令）是一种采用二进制表示的命令语言，它用来规定计算机执行的操作及操作对象所在的位置。指令系统是指一个CPU能够执行的全部指令。即一台计算机中所有机器指令的集合，也称为指令集。 一个计算机能执行什么样的操作，能做多少种操作，是由该计算机的指令系统决定的。

指令系统是计算机硬件的语言系统，它表征了计算机的基本功能。它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。6.指令集指令（机器指令）是一种采用二进制表示的命令语言，它用来规定计算机执行的操作及操作对象所在的位置。指令系统是指一个CPU能够执行的全部指令。即一台计算机中所有机器指令的集合，也称为指令集。每种计算机都有自己固有的指令系统，互不兼容。但同一系列的计算机其指令系统是向上兼容的。系列机：基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列不同型号的计算机。

如IBM370系列机； X86系列机计算机的基本指令集可分为复杂指令集和精简指令集。

相应的计算机称为复杂指令集计算机和精简指令集计算机。6.指令集复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer：CISC） 指令系统十分庞大，指令类型、寻址方式较多，机器语言和高级语言之间的语义差距正在缩小。(1)指令系统复杂。具体表现在指令数多、寻址方式多、指令格式多；

(2)绝大多数指令需要多个时钟周期才能执行完成；

(3)各种指令都可访问存储器；

(4)采用微程序控制；

(5)有专用寄存器；

(6)难以用优化编译生成高效的目标代码程序。CISC指令系统的特点1）20％—80％规律在CISC中，大约20％的指令占据了80％的处理机执行时间。

例如：8088处理机的指令种类大约100种前11种(11％)指令的使用频度已经超过80％前8种(8％)指令的运行时间已经超过80％前20种(20％)指令：使用频度达到91.1％运行时间达到97.72％其余80％的指令：使用频度只有8.9％

2.28％的处理机运行时间2）RISC指令系统的特点RISC体系结构的基本思路是： 针对CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高VLSI器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。（1）一个有限的简单指令集：

选用使用频率最高（80%-90%）的一些简单指令；

指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；

只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；（2）CPU配备大量的通用寄存器，以寄存器－寄存器方式工作，减少访存操作；（3）加强了处理器并行能力。强调指令流水线的优化，使大多指令可在一个时钟周期内执行完毕；（4）采用由阵列逻辑实现的组合电路控制器，不用或少用微程序，就能够快速地直接执行指令；（5）采用优化编译技术，对寄存器分配进行优化，保证流水线畅通。说明：在某些指令系统中，可以使用指令集中的其他指令代替未入选指令集的指令。如上表中所示，其中R0的内容恒为0。从表中可以体验到“精简指令”的含义。6.指令集

MMX技术：多媒体扩展指令集。

增加的57条MMX多媒体指令，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。

SIMD（单指令多数据）：利用一条多媒体指令可以同时处理多对数据。

SISD（单指令单数据）：一条指令只能执行一次运算，即处理一对数据。→传统计算机技术

计算机的基本指令集可分为复杂指令集和精简指令集。

增加了片内16KB数据缓存和16KB指令缓存，4路写缓存。MMXCPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力提高了60％左右。

问题：

MMX指令集与x87浮点运算指令不能够同时执行，必须做切换才可以正常执行，从MMX切换到浮点模式会造成系统性能的瞬时剧降。

SSE技术StreamingSIMDExtensions，单指令多数据流扩展6.指令集

MMX技术：多媒体扩展指令集。

计算机的基本指令集可分为复杂指令集和精简指令集。Intel为传统x86指令集增加了一系列新指令。

Pentuim和PentuimII里叫MMX；

PentuimIII里叫SSEMMX和SSE都能以SIMD方式处理数据

MMX对整数执行SIMD；

SSE能对浮点数SIMD利用MMX和SSE，一条指令可对2个以上的数据流执行计算。

SSE技术StreamingSIMDExtensions，单指令多数据流扩展MMX没有带来游戏性能的显著提升，SSE在这方面表现卓越。由于MMX不能对浮点进行操作，游戏中完成的运算（模拟、3D变形、照明等）会耗去约90%的处理器时间。SSE除保持原有的MMX指令外，又新增了70条指令，在加快浮点运算的同时，也改善了内存的使用效率，使内存速度显得更快一些。对游戏性能的改善十分显著。

SSE技术StreamingSIMDExtensions，单指令多数据流扩展7.流水线和超标量“超线程”技术原理8.超线程技术“超线程”技术就是通过采用特殊的硬件指令，可以把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，在单处理器中实现线程级的并行计算，同时在相应的软硬件的支持下大幅度的提高运行效能，从而实现在单处理器上模拟双处理器的效能。

从实质上说，超线程是一种可以将CPU内部暂时闲置处理资源充分“调动”起来的技术。“超线程”的实现条件CPU的支持

主板芯片组和主板BIOS的支持

操作系统和应用软件的支持

CPU接口标准CPU需要通过某个接口与主板连接才能进行工作。

CPU经过这么多年的发展，采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等，对应到主板上就有相应的插槽类型。而目前CPU的接口方式基本上都是采用针脚式和触点式两类。不同CPU的接口类型，在插孔数、体积、形状等都有变化，所以不能互相接插。CPU接口经历了从Socket插座到Slot插槽再到Socket插座的发展过程

CPU接口标准1．ZIFSocketCPU插座

ZIF（ZeroInsertionForce，零插拔力）Socket是一种始于Intel80486微处理器、从主板到数据的物理链路，它包含“毫不费力”地拆装CPU芯片的一个打开层和关闭层，以确保CPU芯片及其散热器能够正确地固定在主板插座上。

CPU接口标准顶盖扳柄插座散热器固定孔触点扳柄卡齿ZIFSocketCPU插座基本结构Socket478Socket7Socket370SocketA（462）Socket479Socket603Socket604Socket754Socket771Socket775Socket939Socket940SocketS1SocketAM2SocketFSocket1366Slot1：Intel为取代Socket7并与其他厂商竞争而为PentiumⅡ设计的专利CPU插槽，242个引脚（金手指），主要用于PII、PIII和Celeron系列，还可通过Socket8转接卡来安装PPro。

SlotA：AMD针对Intel专利Slot1而开发的拥有独立知识产权的CPU插槽，242个引脚，主要用于AMDK7Athlon系列，与Slot1不兼容。

Slot2：Slot1的改进型，插槽更长，330个引脚，专用于高端服务器及图形工作站Xeon系列。2．SlotCPU插槽

CPU接口标准Slot1CPU插槽Slot2CPU插槽SlotACPU插槽3.4微处理器的发展

微处理器的发展Intel4004、8008

世界上第一款可用于微型计算机的4位处理器，是英特尔公司于1971年推出的包含了2300个晶体管的4004。

随后又研制出了8080处理器、8085处理器，加上当时Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器，一起组成了8位微处理器的家族。

微处理器的发展Intel4004、8008

微处理器的发展Intel8086、8088

英特尔公司1978年推出的8086处理器，是第一块16位微处理器，最高主频为8MHz，内存寻址能力为1MB。

英特尔还生产出与之相配合的协处理器8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集（x86指令集）。以后英特尔陆续生产出的新型CPU，都兼容原来的x86指令。从这点上来说，8086处理器的诞生奠定了以后CPU发展的基础。

微处理器的发展Intel8086、80881979年，8088微处理器8088集成了约29000个晶体管，采用40针的DIP封装，最高频率为8MHz。1981年IBM公司将8088芯片首先用于其研制的PC机中，标志着PC真正走进了人们的工作生活之中。

微处理器的发展Intel802861982年，80286微处理器80286集成了大约130000个晶体管，最大主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位，使用24位内存储器的寻址，内存寻址能力为16MB，可使用的工作方式包括实模式和保护模式两种。

微处理器的发展Intel80386、804861985年10月，386微处理器集成了27万5千只晶体管，超过了4004芯片的一百倍。是英特尔第一种32位处理器，同时也是第一种具有“多任务”功能的处理器。

微处理器的发展Intel80386、80486最高频率为40MHz，内部和外部数据总线是32位，地址总线为32位，可以寻址4GB内存，管理64TB的虚拟存储空间；设计了高速缓存（Cache）方案。同时代产品：Motorola68000、AMDAm386SX/DXIBM386SLC。

微处理器的发展Intel80386、804861989年，486微处理器芯片集成了120万个晶体管，使用1微米的制造工艺，频率从25MHz逐步提高到50MHz。是英特尔第一个内部包含数字协处理器的CPU，并在x86系列中首次使用了RISC技术，从而提升了每时钟周期执行指令的速度。性能比80386DX提高了近4倍。

486分为有协处理器的486DX和无协处理器的486SX两种，486SX的价格要便宜一些。

微处理器的发展Intel80386、80486同性能CPU：TI486DXCyrix486DLCAMD5x86IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展1993年，Pentium微处理器集成了310万个晶体管，早期奔腾75MHz～120MHz使用0.5微米制造工艺，后期120MHz以上的奔腾则改用0.35微米工艺。IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展PentiumMMX是英特尔在Pentium内核基础上改进而成的，增加了57条MMX指令，专门用来处理音视频相关的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率。IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展1995年，首个专门为32位服务器、工作站设计的处理器，可以应用在高速辅助设计、机械引擎、科学计算等领域。IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展1997年，PentiumII微处理器内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术，可以更快更流畅的播放影音Video，Audio以及图像等多媒体数据。PentiumII首次将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展1998年，PentiumIIXeon(至强)微处理器面向中高端企业级服务器、工作站市场。Xeon主要设计来运行商业软件、因特网服务、公司数据储存、数据归类、数据库、电子，机械的自动化设计等。IntelPentium/Pentium2/Celeron、AMDK5/K6

微处理器的发展1999年，Celeron(赛扬)处理器Celeron与PentiumII没有本质上的不同，它们的内核是一样的，最大的区别在于高速缓存上。最初的Celeron没有二级缓存，目的是降低成本来夺取低端市场的份额，但完全没有二级缓存的Celeron处理器效能极差，于是将Celeron处理器的二级缓存设定为PentiumII的一半(也就是128KB)，这样既有合理的效能，又有相对低廉的售价。IntelPentium/Pentium