《中央處理器》PPT課件.ppt

許德剛,計(jì)算機(jī)組裝與系統(tǒng)維護(hù)技術(shù),清華大學(xué)出版社,第三章,中央處理器,第三章中央處理器,本章重點(diǎn)內(nèi)容,了解CPU發(fā)展史,掌握CPU的主要技術(shù)指標(biāo),熟練掌握CPU的結(jié)構(gòu)及工作原理,第三章中央處理器,本章難點(diǎn)內(nèi)容,CPU主要技術(shù)指標(biāo),CPU的工作原理,第三章中央處理器,3.1CPU簡(jiǎn)介,CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成。,指令控制：也稱程序的順序控制，控制程序嚴(yán)格按照規(guī)定的順序執(zhí)行。操作控制：將取出的指令產(chǎn)生的一系列控制信號(hào)（微指令），分別送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行工作。時(shí)間控制：有些控制信號(hào)在時(shí)間上有嚴(yán)格的先后順序，如讀取存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，只有當(dāng)?shù)刂肪€信號(hào)穩(wěn)定以后，才能通過(guò)數(shù)據(jù)線將所需的數(shù)據(jù)讀出，這樣計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)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Yonah(90)，但酷睿雙核是Memorm(60)核心，而奔騰雙核二級(jí)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(jí)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(gè)人計(jì)算機(jī)微處理器產(chǎn)品至K6階段。初期的產(chǎn)品策略主要是以較低廉的產(chǎn)品價(jià)格為主，雖然最高性能不比同期的Intel產(chǎn)品弱，但卻擁有較佳的性價(jià)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(diǎn)運(yùn)算能力方面，受到不少DIY（自行組裝計(jì)算機(jī)）用戶的歡迎。由于相對(duì)于Intel，AMD對(duì)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(guò)熱保護(hù)，超頻過(guò)度的K7系列CPU有較高的燒毀風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致部分消費(fèi)者對(duì)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(tái)與64位的AMD64平臺(tái)的過(guò)渡的時(shí)代。由于先于Intel進(jìn)入64位CPU的市場(chǎng)，使得AMD在64位CPU的領(lǐng)域有比較早發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，此階段的AMD產(chǎn)品仍采取了一貫的低主頻高性能策略，重點(diǎn)解決因?yàn)殡姎庑阅苡邢匏鶎?dǎo)致CPU不穩(wěn)定和發(fā)熱量、耗電功率過(guò)大的問(wèn)題。AMD第8代處理器系列主要有Athlon64X2、Athlon64FX、Athlon64、Sempron(K8)（有一部分型號(hào)為K7系列）Opteron(K8)Turion64(K8)等。,第三章中央處理器,我國(guó)自己的CPU,從左到右分別是：龍芯1號(hào)、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(jié)構(gòu),第三章中央處理器,3.3.2CPU的結(jié)構(gòu),從外部物理構(gòu)造的角度上看，目前的CPU主要由基板、內(nèi)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(nèi)核（Die）又稱為內(nèi)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(chǎn)工藝制造出來(lái)的，CPU所有的計(jì)算、接受/存儲(chǔ)命令、處理數(shù)據(jù)都由內(nèi)核執(zhí)行。,1CPU內(nèi)核,2基板,CPU基板是承載CPU內(nèi)核用的電路板，是核心和針腳的載體。它負(fù)責(zé)內(nèi)核芯片和外界的一切通訊，并決定這一顆芯片的時(shí)鐘頻率。,3填充物,CPU內(nèi)核和CPU基板之間往往還有填充物，填充物的作用是用來(lái)緩解來(lái)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(duì)于芯片來(lái)說(shuō)是必須的，也是至關(guān)重要的。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)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(yùn)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(lèi)型主要有：引腳式、卡式、觸點(diǎn)式、針腳式等，對(duì)應(yīng)到主板上就有相應(yīng)的插槽（slot）或插座（socket）。,5接口類(lèi)型,第三章中央處理器,1主頻,3.4CPU的主要技術(shù)指標(biāo),2外頻,3前端總線(FSB)頻率,4倍頻系數(shù),5CPU的位和字長(zhǎng),第三章中央處理器,3.4CPU的主要技術(shù)指標(biāo),6緩存（CACHE）,緩存的工作原理：當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先從緩存中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒(méi)有找到，就從速度相對(duì)慢的內(nèi)存中讀取，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，以便以后能夠快速地從緩存中讀取該數(shù)據(jù)，而不必再去讀內(nèi)存。,第三章中央處理器,CPU依靠指令來(lái)計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)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(qū)動(dòng)CPU核心芯片的電壓，I/O電壓則指驅(qū)動(dòng)I/O電路的電壓。低工作電壓主要三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：采用低電壓的CPU的芯片總功耗降低了。功耗降低，系統(tǒng)的運(yùn)行成本就相應(yīng)降低，這對(duì)于便攜式和移動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要，使其現(xiàn)有的電池可以工作更長(zhǎng)時(shí)間，從而使電池的使用壽命大大延長(zhǎng)。功耗降低，致使發(fā)熱量減少，運(yùn)行溫度不過(guò)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(nèi)核和I/O工作電壓,第三章中央處理器,衡量集成度的標(biāo)準(zhǔn)是制造工藝，制造工藝是指集成電路內(nèi)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(biāo)。,10制造工藝,11超流水線與超標(biāo)量,超標(biāo)量是通過(guò)內(nèi)置多條流水線來(lái)同時(shí)執(zhí)行多條處理指令，其實(shí)質(zhì)是以空間換取時(shí)間。超流水線是通過(guò)細(xì)化流水、從而提高主頻，使得在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一個(gè)甚至多個(gè)操作，其實(shí)質(zhì)是以時(shí)間換取空間。,第三章中央處理器,每個(gè)正在系統(tǒng)上運(yùn)行的程序都是一個(gè)進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程包含一到多個(gè)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(dú)立執(zhí)行。在單個(gè)程序中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程完成不同的工作,稱為多線程.SMT可通過(guò)復(fù)制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個(gè)處理器上的多個(gè)線程同步執(zhí)行，共享處理器的資源，提高運(yùn)算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關(guān)或Cache未命中帶來(lái)的訪問(wèn)內(nèi)存延時(shí)。,12多線程（SMT）,13SMP,SMP（SymmetricMulti-Processing），對(duì)稱多處理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱，是指在一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。,14多核心,將大規(guī)模并行處理器中的SMP（對(duì)稱多處理器）集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。從體系結(jié)構(gòu)的角度看，SMT比CMP對(duì)處理器資源利用率要高，在克服延遲影響方面更具優(yōu)勢(shì)。CMP相對(duì)SMT的最大優(yōu)勢(shì)還在于其模塊化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性。,第三章中央處理器,15CPU核心類(lèi)型,為了便于CPU設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的管理，CPU制造商會(huì)對(duì)各種CPU核心給出相應(yīng)的代號(hào)，這也就是所謂的CPU核心類(lèi)型。,16NUMA技術(shù),非一致訪問(wèn)分布共享存儲(chǔ)技術(shù)，它是由若干通過(guò)高速專用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是單個(gè)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(shù),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(kāi)發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。采用亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使CPU內(nèi)部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了CPU的運(yùn)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(lèi),CPU散熱裝置主要分兩類(lèi)，一類(lèi)是液體散熱，一類(lèi)是風(fēng)冷散熱。液體散熱包括水冷、油冷等，其中水冷比較常見(jiàn)。而風(fēng)冷散熱就是常見(jiàn)的在散熱片上面鑲嵌一個(gè)風(fēng)扇的散熱方式。,水冷散熱器,第三章中央處理器,風(fēng)冷散熱器的散熱效果不如水冷散熱器，但因?yàn)槠涫褂冒踩惭b簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，所以一直是計(jì)算機(jī)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(fēng)扇,3扣具,第三章中央處理器,習(xí)題31、2,本章教學(xué)要求,第三章中央處理器,