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1、許德剛,計算機組裝與系統(tǒng)維護技術,清華大學出版社,第三章,中央處理器,第三章中央處理器,本章重點內容,了解CPU發(fā)展史,掌握CPU的主要技術指標,熟練掌握CPU的結構及工作原理,第三章中央處理器,本章難點內容,CPU主要技術指標,CPU的工作原理,第三章中央處理器,3.1CPU簡介,CPU主要由運算器、控制器、寄存器組和內部總線等構成。,指令控制：也稱程序的順序控制，控制程序嚴格按照規(guī)定的順序執(zhí)行。操作控制：將取出的指令產生的一系列控制信號（微指令），分別送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行工作。時間控制：有些控制信號在時間上有嚴格的先后順序，如讀取存儲器的數(shù)據，只有當?shù)刂肪€信號穩(wěn)
2、定以后，才能通過數(shù)據線將所需的數(shù)據讀出，這樣計算機才能有條不紊地工作。數(shù)據加工：對數(shù)據進行算術運算和邏輯運算處理。,CPU的基本功能：,第三章中央處理器,3.2CPU的發(fā)展歷史,3.2.1Intel系列CPU,18088，8086,280286,第三章中央處理器,380386,480486,5Pentium,第三章中央處理器,6PentiumII,PentiumIICPU,CeleronCPU,7PentiumIII,8Pentium4,第三章中央處理器,9PentiumD,10PentiumE,11Core,12Core2,第三章中央處理器,奔騰雙核，酷睿雙核，酷睿2雙核,酷睿的核心是Yon
3、ah(90)，但酷睿雙核是Memorm(60)核心，而奔騰雙核二級緩存是1M，酷睿雙核是2M酷睿雙核T2500T2400T2450T2300T2300ET2250T2350T2050奔騰雙核T2130T2080T2060，T2310酷睿2低端版:e6550，e6750Duo系列酷睿2高端版如：e4500，e4600,第三章中央處理器,舉例,奔騰雙核T2060的主頻和FSB與T2050相同，是1.6GHz和533MHz。只有二級緩存差別較大，T2060是T2050的一半，僅為1MB,3.2.2AMD系列CPU,1第一階段從涉足個人計算機微處理器產品至K6階段。初期的產品策略主要是以較低廉的產品價
4、格為主，雖然最高性能不比同期的Intel產品弱，但卻擁有較佳的性價比。,第三章中央處理器,3.2.2AMD系列CPU,2第二階段K7階段。K7的性能尤其是在浮點運算能力方面，受到不少DIY（自行組裝計算機）用戶的歡迎。由于相對于Intel，AMD對于CPU的倍頻鎖定限制較松，因此廣受許多超頻用戶的歡迎。但由于缺乏過熱保護，超頻過度的K7系列CPU有較高的燒毀風險，導致部分消費者對其穩(wěn)定度的信心偏低。,第三章中央處理器,3.2.2AMD系列CPU,3第三階段K8階段，是AMD第8代處理器系列的通稱，也是從32位的x86平臺與64位的AMD64平臺的過渡的時代。由于先于Intel進入64位CPU的
5、市場，使得AMD在64位CPU的領域有比較早發(fā)展的優(yōu)勢，此階段的AMD產品仍采取了一貫的低主頻高性能策略，重點解決因為電氣性能有限所導致CPU不穩(wěn)定和發(fā)熱量、耗電功率過大的問題。AMD第8代處理器系列主要有Athlon64X2、Athlon64FX、Athlon64、Sempron(K8)（有一部分型號為K7系列）Opteron(K8)Turion64(K8)等。,第三章中央處理器,我國自己的CPU,從左到右分別是：龍芯1號、龍芯2B和龍芯2E處理器,第三章中央處理器,3.3.1CPU的組成,3.3CPU的組成與結構,第三章中央處理器,3.3.2CPU的結構,從外部物理構造的角度上看，目前的C
6、PU主要由基板、內核、針腳、基板之間的填充物以及散熱器裝置支撐墊等組成。,第三章中央處理器,CPU內核（Die）又稱為內核，是CPU最重要的組成部分。CPU中心那塊隆起的芯片就是核心，是由單晶硅以一定的生產工藝制造出來的，CPU所有的計算、接受/存儲命令、處理數(shù)據都由內核執(zhí)行。,1CPU內核,2基板,CPU基板是承載CPU內核用的電路板，是核心和針腳的載體。它負責內核芯片和外界的一切通訊，并決定這一顆芯片的時鐘頻率。,3填充物,CPU內核和CPU基板之間往往還有填充物，填充物的作用是用來緩解來自散熱器的壓力以及固定芯片和電路基板。,第三章中央處理器,封裝對于芯片來說是必須的，也是至關重要的。因
7、為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。,4CPU封裝,INTELCore2Duo處理器封裝前后的芯片,第三章中央處理器,CPU和主板連接的接口，目前，接口類型主要有：引腳式、卡式、觸點式、針腳式等，對應到主板上就有相應的插槽（slot）或插座（socket）。,5接口類型,第三章中央處理器,1主頻,3.4CPU的主要技術指標,2外頻,3前端總線(FSB)頻率,4倍頻系數(shù),5CPU的位和字長,第三章中央處理器,3.4CPU的主要技術指標,6緩存（CACHE）,緩存的工作原理：當CPU要讀取一個數(shù)據時，首先從緩存中查找
8、，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒有找到，就從速度相對慢的內存中讀取，同時把這個數(shù)據所在的數(shù)據塊調入緩存中，以便以后能夠快速地從緩存中讀取該數(shù)據，而不必再去讀內存。,第三章中央處理器,CPU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。、1）CISC指令集2）RISC指令集3）MMX指令集4）SSE指令集5）SSE2指令集6）SSE3指令集7）SSE4指令集8）3DNow!指令集,7指令集,第三章中央處理器,核心電壓即驅動CPU核心芯片的電壓，I/O電壓則指驅動I/O電路的電壓。低工作電壓主要三個優(yōu)點：采用低電壓的CPU的芯片總功耗降低了。功
9、耗降低，系統(tǒng)的運行成本就相應降低，這對于便攜式和移動系統(tǒng)來說非常重要，使其現(xiàn)有的電池可以工作更長時間，從而使電池的使用壽命大大延長。功耗降低，致使發(fā)熱量減少，運行溫度不過高的CPU可以與系統(tǒng)更好的配合。降低電壓是提高CPU主頻的重要因素之一。,9CPU內核和I/O工作電壓,第三章中央處理器,衡量集成度的標準是制造工藝，制造工藝是指集成電路內電路與電路之間的距離。芯片制造工藝在1995年以后，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90納米、65納米、45納米，一直發(fā)展到目前最新的32納米，15納米制造工藝將是下一代CPU的發(fā)展目標。,10制造工藝,1
10、1超流水線與超標量,超標量是通過內置多條流水線來同時執(zhí)行多條處理指令，其實質是以空間換取時間。超流水線是通過細化流水、從而提高主頻，使得在一個機器周期內完成一個甚至多個操作，其實質是以時間換取空間。,第三章中央處理器,每個正在系統(tǒng)上運行的程序都是一個進程。每個進程包含一到多個線程。線程是一組指令的集合，或者是程序的特殊段，可以在程序里獨立執(zhí)行。在單個程序中同時運行多個線程完成不同的工作,稱為多線程.SMT可通過復制處理器上的結構狀態(tài)，讓同一個處理器上的多個線程同步執(zhí)行，共享處理器的資源，提高運算部件的利用率，緩和由于數(shù)據相關或Cache未命中帶來的訪問內存延時。,12多線程（SMT）,13SM
11、P,SMP（SymmetricMulti-Processing），對稱多處理結構的簡稱，是指在一個計算機上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享內存子系統(tǒng)以及總線結構。,14多核心,將大規(guī)模并行處理器中的SMP（對稱多處理器）集成到同一芯片內，各個處理器并行執(zhí)行不同的進程。從體系結構的角度看，SMT比CMP對處理器資源利用率要高，在克服延遲影響方面更具優(yōu)勢。CMP相對SMT的最大優(yōu)勢還在于其模塊化設計的簡潔性。,第三章中央處理器,15CPU核心類型,為了便于CPU設計、生產、銷售的管理，CPU制造商會對各種CPU核心給出相應的代號，這也就是所謂的CPU核心類型。,16NUMA技術,非一
12、致訪問分布共享存儲技術，它是由若干通過高速專用網絡連接起來的獨立節(jié)點構成的系統(tǒng)，各個節(jié)點可以是單個的CPU或是SMP系統(tǒng)。在NUMA中，Cache的一致性有多種解決方案，需要操作系統(tǒng)和特殊軟件的支持。,17亂序執(zhí)行技術,亂序執(zhí)行（out-of-orderexecution），是指CPU允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應電路單元處理的技術。采用亂序執(zhí)行技術的目的是為了使CPU內部電路滿負荷運轉并相應提高了CPU的運行程序的速度。,第三章中央處理器,3.5CPU散熱裝置,3.5.1散熱器的分類,CPU散熱裝置主要分兩類，一類是液體散熱，一類是風冷散熱。液體散熱包括水冷、油冷等，其中水冷比較常見。而風冷散熱就是常見的在散熱片上面鑲嵌一個風扇的散熱方式。,水冷散熱器,第三章中央處理器,風冷散熱器的散熱效果不如水冷散熱器，但因為其使用安全，安裝簡便的特點，所以一直是計算機CPU的首選散熱器。,第三章中央處理器,3.5.2散熱器的組成,1底座與散熱片,2風扇,3扣具,第三章中央處理器,習題31、2,本章教學要求,第三章中央處理器,
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