第02章中央处理器.ppt
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1、第二章 中央处理器,从本章开始,会接触到信息单位。(各种常用信息单位之间的关系),信息单位:,(1)位bit:1bit就是1位二进制数0或1(最小单位),(2)字节Byte:1Byte=8bit(基本单位,最小存取单位),(3)千字节KB:1KB=1024Byte,(4)百万字节MB:1MB=1024KB,(5)十亿字节GB:1GB=1024MB,(6)万亿字节TB:1TB=1024GB,(7)千万亿字节PB:1PB=1024TB,(8)亿万亿字节EB:1EB=1024PB,还有ZB、YB等,这些目前基本上碰不到。 注意:某些场合为了计算方便,会把1024近似用1000来计算。,第二章 中央处
2、理器,2.1 CPU简介,疑问一:什么是CPU?,全称:Central Proessing Unit;中文名:中央处理器。是一块超大规模集成电路芯片,是整个微机系统的核心;负责处理计算机内部的所有数据,驱动整个系统。,CPU主要由运算器和控制器两大部分组成,它的主要责任就是处理数据。计算机中所有的信息(包括图像、声音、文本等)都以二进制形式存储,而CPU的任务就是对这些数据进行数学和逻辑运算。,第二章 中央处理器,2.2 CPU发展历程,Intel x86 架构从1978年到现在已经经历了30多个年头,x86架构的CPU处处影响着如今的微机用户,下面就以Intel公司为主线,介绍CPU的发展历
3、史。(微米=m,纳米=nm),4004,8008,8080,8085,第二章 中央处理器,尽管Intel系列微处理器的开山鼻祖是4004,但严格地讲,Intel x86系列是从8086开始,它同时也是世界上第一块用于计算机的微处理器。,推出8086的同时,生产出与之相配的数学协处理器8087,两芯片相互使用兼容的指令集,而8087又追加对数、指数、三角函数等数学计算指令,应用于8086和8087的这些指令集,统称为x86指令集。,8086,8087,第二章 中央处理器,由于如此高速的工作频率已经可以运行较复杂的软件,所以在1981年,IBM公司将8088处理器用于其研制IBM PC中,从而开创
4、了全新的微机时代。,Intel 在后续CPU命名上沿用了原先的x86序号,由于此款16位处理器的价格因素阻止了其在微机中的应用,于是Intel公司考虑到降低主板的制造成本,就将原来16位外部数据总线从16条减少到8条,但内部数据总线保持16条,这就出现了所谓的准16位CPU8088,8088,第二章 中央处理器,1981年发布80186和80188,位数、工作处理能力完全采用了8086和8088。是一颗性能介于8088-80286之间的CPU。但事实上80186从来都没有在PC中应用,它仅仅存在于一个小范围的圈子中,作为一个小型的控制器出现。,80188,80186,第二章 中央处理器,802
5、86,80286地址总线达到了24位,即可寻址16M内存,从80286开始CPU的工作方式:实模式和保护模式。(这对编程地址寻址起到很大作用),第二章 中央处理器,80386DX,同年,又开发了80387,80387并不是一块真正意义上的CPU,而是配合80386DX的协处理芯片,协助80386完成浮点运算方面的功能。,为了扩大市场份额,Intel把386的外部数据总线改为16条,而内部总线还是32条,形成了准32位CPU386SX,而将原来的386改称为386DX。,第二章 中央处理器,80486 SX,80486就是80386和80387及一个8K的高速缓存整合的芯片,并采用新架构Sock
6、et1;首次采用RISC技术(精简指令集)并内置协处理器;后来为了降低成本,制造了无协处理器486,如此又按有无协处理器划分出DX和SX。,80486 DX,第二章 中央处理器,80486 DX2,80486把电脑从命令行时代转向了点选式的图形化操作环境(Windows 3.X)。,80486 DX4,第二章 中央处理器,随着处理器的频率越来越快,PC外部设备受工艺限制,出现了瓶颈的尴尬状态,于是80486出现了倍频技术,该技术使处理器内部工作频率为处理器外部总线运行频率的2倍或4倍,486DX2和486DX4变是由此而来。从此频率的计算方式也开始发生改变。,Socket处理器架构,就是通过主
7、板上处理器接口插座与处理器的插针接触,由于还没统一规定,各种Socket构架的名称陆续出现Socket1,Socket2,Socket3等。从此CPU和主板不再是一体了,是完全分开独立的,计算机的配件升级时代由此开始,也就是DIY时代的开始。,从486开始,各大非主流品牌逐步的加入CPU制作的行列,目前能与Intel抗衡只有AMD。,为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰,Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。,第二章 中央处理器,1996年,Intel发布Pentium MMX(多能奔腾),即“带MMX技术的奔腾”,MMX指令专门处理音
8、频、视频等数据。采用Socket 7架构。,注:1)MMX系列已经带有多媒体指令集,标志着多媒体时代的来临。 2)位宽64的称为超32位,还是属于32位。,第二章 中央处理器,Pentium (奔腾),Pentium PRO,Pentium MMX,第二章 中央处理器,Intel发布PII,整合了MMX的指令集,架构转向为Slot1。非阵脚式 (Slot1插座看上去和扩展槽相似,CPU焊死在电路插槽上),Pentium II,第二章 中央处理器,1998年,Intel发布了PII Xeon (至强)处理器,取代Pentium Pro,发展于中高端市场。,Pentium II Xeon,Pent
9、ium II性能良好,但其价格昂贵,很多人转而投向Socket 7阵营。,第二章 中央处理器,同年,Intel为了抢占失去的低端市场,发布Celeron(赛扬)处理器,有Slot 1和Socket 370架构,它的内核完全和PII,唯一区别就是前期赛扬没有L2高速缓存,后期L2 128K。,Celeron的两种接口,所谓370架构,就是有370个引脚,第二章 中央处理器,最初PIII采用SLOT1架构,后来为了降低成本,改成了Socket 370,并新增音频、视频和3D图形效果指令集,三维时代由此蔓延。,Pentium III 两种接口,第二章 中央处理器,PIII Xeon 的SLOT2接口
10、类型,第二章 中央处理器,2000年,Intel推出PIII的简化版Celeron,为了区别之前PII的赛扬,把它取名为Celeron II,同样,CII的L2比PIII少一半,只有128K,但主要性能和PIII差别不大。,Celeron III,Celeron II,第二章 中央处理器,2000年,Intel发布P4,采用Socket 423架构,Willamette核心,FSB 400MHz,外频100MHz,到后期改用为Socket 478架构,Northwood核心,制造工艺0.13微米,L1 32K和 L2 256K整合在CPU内。,P4 Socket423类型,第二章 中央处理器,
11、2004年,Intel发布了Pentium 4E,核心采用了Prescott,采用了Socket 478架构,前端总线达到了800M,二级缓存也达到了1M,制造工艺达到了90纳米。后期的P4开始支持64位运算。,P4 Socket478类型,第二章 中央处理器,2004年6月,Intel推出了Socket LGA 775架构的P4,PD及P4EE,这个架构一直沿用到2010年。,CPU发展的速度极其惊人,Intel公司奠基人之一摩尔预测集成晶体管18个月翻番,人们就把这个定义称为信息产业中的“摩尔定律”,CPU的发展也决定了其他配件的发展,所以计算机基本上符合18个月性能翻番。,2004年底
12、Intel也放弃了原来按照主频的命名方式,以此来吸引大家对新CPU频率的兴趣。就出现了新的命名方式例如赛扬341、347、421等。 到此32位处理器也走到了尽头。,之后就进入了64位、双核、四核时代,2010年1月,Intel发布了智能酷睿处理器Core i3/i5/i7,凭借智能的表现与出色的性能,很快便成为用户的首选,在与AMD的竞争中一直处于领先水平。1年之后,Intel发布革命性的处理器第二代Core i3/i5/i7。,第二章 中央处理器,Intel新一代处理器,第二章 中央处理器,Intel第二代Core i3/i5/i7处理器,第二代Core i3/i5/i7隶属于第二代智能酷
13、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、AES指令集,加强浮点运算与加密解密运算。,第二章 中央处理器,第一代i3、i5、i7区别,第二代i3、i5、i7区别,第二章 中央处理器,2.3 CPU分类,AMD:原来是Intel公司的OEM厂,(所谓OEM就是代加工。),从486开始自己单独生产自己的品牌
14、。,1)按CPU生产厂家分类,Intel:它不仅是微处理器的鼻祖,而且至今仍占邻着CPU市场的主要份额。,还有Cyrix、IDT、Rise(瑞思科技)、NexGen、Ti(德州仪器) 等,目前市场占主导地位的就只有Intel和AMD。,2)按CPU接口分类,Intel系列分为Socket 370、Socket 423、Socket 478、Socket LGA 775、LGA 1156、LGA 1366 、 LGA 1155等,AMD系列分为Socket A(462)、Socket 939、Socket AM2、Socket AM3等,第二章 中央处理器,1)CPU的基板,就是承载CPU核心用
15、的电路板,它负责核心芯片和外界的数据传输。以前的基板上用的是针脚(主板上的CPU插槽有相应多的插孔),现在的775 CPU都是触点式的(主板上的CPU插槽有相应多的针脚)。,CPU的编码,注明CPU的名称、时钟频率(主频)、二级缓存、前端总线、核心电压、封装方式、产地、生产日期等信息。,第二章 中央处理器,3)按CPU型号或标称频率分类,4)按CPU核心代号分类,Intel系列有E1XXX、E2XXX、E4XXX等,AMD系列有Phenom 9500、Athlon 64X2 64000+等,Intel 酷睿2有Conroe、Wolfadle等核心,AMD双核Athlon64 X2、Athlon
16、64 FX有Windsor核心等,4位、8位、16位、32位、64位等,6)按CPU核心数量分类,5)按CPU位数分类,单核心和多核心等,第二章 中央处理器,7)按适合安装的主板分类,8)按应用场合(适用类型)分类,CPU型号、档次不同、配套的主板也不相同,即使是相同的CPU接口,也未必通用。,针对不同用户的需求、不同的场合,CPU被设计成各不相同的类型;又分为桌面版、服务器版、移动版等,第二章 中央处理器,2.4 CPU的外部结构,CPU的核心,从外部看CPU的结构,主要由两大部分组成:核心与基板。,因为CPU核心工作强度大、发热量大、非常脆弱,故核心外围增加了一个用于散热的金属盖,(早期的
17、CPU散热很小,所以不需要这个金属盖),用于导通散热的硅胶也正涂于此处。,第二章 中央处理器,2)CPU的接口,CPU需要通过某个接口与主板连接。CPU采用的接口方式有引脚式、插卡式、触点式、针脚式等,所以买CPU必须配对相应接口的主板,目前CPU的接口主要就是触点式。,2.5 CPU的基本工作原理,CPU由运算器和控制器组成,CPU内部结构分为控制单元(控制器)、逻辑单元(运算器)和存储单元(寄存器)。,第二章 中央处理器,2.6 CPU的性能指标,1)主频,频率是CPU的重要性能指标,它基本上决定了CPU运算处理速度的快慢。,疑问二:什么叫频率?,指周期性的循环信号在单位时间内(如1s)所
18、产生的脉冲的个数。频率的单位有Hz(赫兹)、kHz(千赫兹)、MHz(兆赫兹)、GHz(吉赫兹)。,主频,CPU频率(主频、内频)指CPU内部时钟频率,也称工作频率。,CPU的实际运算能力不仅仅靠频率来体现,还要依托其他各项性能指标(缓存、指令集、位数等) 。,所以不要意味着追求高频,高频也会有低运算力的情况(俗称高频低能),这也正是为什么CPU的发展一直在更换新的构架,而不是仅仅一路提高频率。,只能说:在相同的架构前提下,CPU主频越高,速度越快。,第二章 中央处理器,2)外频,即为系统总线的工作频率(系统时钟频率),单位是MHz(兆赫兹),是由主板提供的系统总线的基准工作频率,是CPU与主
19、板之间同步运行的时钟频率。,但实际运行中这个频率不仅仅由CPU的频率决定,还要受到主板和内存频率的限制。,因为主板和内存的频率远远的低于CPU的主频,为了能保持与主板、内存的频率一致,那就只能降低CPU频率,数据一旦离开CPU,都将降到与主板系统总线、内存数据总线相同的频率。,由此从486开始引进了倍频技术,以不提高外频的前提下,提升主频。,倍频,就是通过主板的北桥芯片将CPU主频降低,使系统总线工作在相对较低的频率上(满足其他部件的需求),而CPU速度可以通过倍频来提升,理论上倍频从1.5到无限,提升间隔为0.5。,第二章 中央处理器,3)CPU主频的计算公式,主频=外频*倍频,由此看出,要
20、提高主频可以从外频和倍频方面下手。所谓超频也正是提高外频或倍频进行提高主频。,4)超频,疑问三:什么叫CPU的超频?,定义:通过人为方式让CPU在其本身默认的工作频率之上进行工作。,CPU超频后的几种情况,第二章 中央处理器,如果超频失败,应当将主频还原到CPU的默认频率,实际上,超频失败除了跟CPU的超频能力有关外,还与内存、显卡等因素有关。,正确认识CPU的超频使用,首先,对CPU进行超频率试验一般不会损坏CPU本身,即使是超频失败。但如果以加压方式,那肯定要影响CPU的电性能,进而损坏CPU。,其次,长期对CPU进行超频使用,会对CPU的使用寿命有一定影响,但一块CPU的使用周期不会维持
21、很长,所以这个影响也就被忽略了。,第三,超频使用CPU并不能使整体系统效率有成比例的提高,只是适当提高一点点,除非全系列部件都超频,当然这也就是在挑战配件极限。,超频只是满足一些用户的心理,感觉在低价格买到高频率的CPU,建议不要超频使用,除非确信是当试验来使用。,第二章 中央处理器,5)前端总线(FSB),也称CPU总线,是CPU与主板北桥芯片之间连接的通道,进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据,也是CPU跟外界沟通的唯一通道,CPU必须通过它才能传送数据,因此FSB越快,数据传输越快。,疑问四:前端总线和外频的区别?,前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度,更实质性的表示了CPU
22、和外界数据传输的速度。,外频是CPU与主板之间同步运行的速度,主要是对PCI及其他总线的影响。,之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆,主要是在Pentium 4出现之前和刚出现Pentium 4时,前端总线频率与外频是相同的,因此往往直接称前端总线为外频,最终造成这样的误会。,第二章 中央处理器,随着计算机技术的发展,人们发现前端总线频率需要高于外频,因此采用了QDR(Quad Date Rate,四倍并发)技术,或者其他类似的技术实现这个目的。从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。,QDR技术:可以使系统总线在一个时钟周期内传送4次数据,也就是传输效率是原来的4倍,相当于用了4
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