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第2章cpu
本章重点:
1、CPU的工作原理
2、CPU的外观与构造
3、CPU的性能指标
4、CPU产品简介及CPU核心
5、CPU的超频
6、CPU的选购
7、CPU散热器的选购
8、CPU和内存的搭配
9、CPU故障与维修
2.1CPU的工作原理
中央处理器简称CPU(CentralProcessingUnit),它是计算机系统的核心,它不但决定着电脑系统整体性能的高低,而且是必不可少的元件,没有它电脑就不可能开展任何工作主要包括运算器和控制器两个部件,CPU的内部结构归纳起来可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元3大部分,这3个部分相互协调,便可以进行分析、判断、运算并控制电脑各部分协调工作。
CPU的工作就像一个工厂对产品的加工过程:
进入工厂的原料(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)后存储在仓库(存储器)中,最后等着拿到市场上出售(交由应用程序使用)。
如果把计算机比作一个人,那么CPU就是心脏,其重要作用由此可见一斑。
CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,三个部分相互协调,便可以进行分析,判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
计算机发生的所有动作都是受CPU控制的。
其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除)和逻辑运算(如逻辑加、逻辑乘和非运算);而控制器不具有运算功能,它只是读取各种指令,并对指令进行分析,作出相应的控制。
通常,在CPU中还有若干个寄存器,它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。
我们常说的CPU都是X86系列及兼容CPU,所谓X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU—i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令,同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X87指令,以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。
虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的PentiumⅢ系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。
另外除Intel公司之外,AMD和Cyrix等厂家也相继生产出能使用X86指令集的CPU,由于这些CPU能运行所有的为IntelCPU所开发的各种软件,所以电脑业内人士就将这些CPU列为Intel的CPU兼容产品。
由于IntelX86系列及其兼容CPU都使用X86指令集,就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。
2.2CPU的外观与构造
一、CPU的外观
图2.1几种不同的CPU
图2.2CPU的基本构造
二、CPU的构造
经过之前介绍CPU的原理,相信大家对于CPU有了一个比较基本的了解。
本文将向大家介绍CPU的物理构造。
CPU经过多年的发展,其物理结构也经过许多变化,现在的CPU物理结构可分为内核、基板、填充物、封装以及接口五部分。
基板上还有控制逻辑、贴片电容等。
1、内核
1.CPU内核的物理结构:
CPU中间的长方形或者正方形部分就是CPU内核的地方,由单晶硅做成的芯片,所有的计算、接受/存储命令、处理数据都在这里进行。
CPU核心的另一面,也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面要和外界的电路相连接。
现在的CPU都有数以千万计的晶体管,它们都要连到外面的电路上,而连接的方法则是将每若干个晶体管焊上一根导线连到外电路上。
例如Duron核心上面需要焊上3000条导线,而奔腾4的数量为5000条,用于服务器的64位处理器Itanium(安腾)则达到了7500条。
这么小的芯片要安放那么多的焊点,焊点就必须非常小,设计起来也要非常小心。
由于所有的计算都要在很小的芯片上进行,所以CPU内核会散发出大量的热,核心内部温度可以达到上XX,而表面温度也会有数十度,一旦温度过高,就会造成CPU运行不正常甚至烧毁的情况,因此很多电脑书籍或者杂志都会常常强调对CPU散热的重要性。
图2.3CPU内核的物理结构
CPU内核的内部结构就更为复杂了,CPU的基本运算操作有三种:
读取数据、对数据进行处理、然后把数据写回到存储器上。
对于由最简单的信息构成的数据,CPU只需要四个部分来实现它对数据的操作:
指令、指令指示器、寄存器、算术逻辑单元,此外,CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元等。
2.CPU内核的发展:
随着CPU技术的不断发展,IC设计技术也越来越先进。
目前的CPU晶体管数目都有几千万,AthlonXP达到了5000万之多。
晶体管的增多需要IC技术的进步,因为只有更高集成度的工艺,才能降低晶体管增加带来的功耗,而且更高的集成度意味着制作成本的降低。
目前主流CPU制作工艺是0.13微米,未来的CPU将达到0.09微米。
2、基板
CPU基板就是承载CPU内核用的电路板,它负责内核芯片和外界的一切通讯,并决定这一颗芯片的时钟频率,在它上面,有我们经常在电脑主板上见到的电容、电阻,还有决定了CPU时钟频率的电路桥(俗称金手指),在基板的背面或者下沿,还有用于和主板连接的针脚或者卡式接口。
比较早期的CPU基板都是采用陶瓷制成的,目前AMD的Duron仍然采用这种材料,而新型的CPU,例如P3、Celeron2,Palomino内核的AthlonXP,都转用了有机物制造,它能提供更好的电气和散热性能。
3、填充物
CPU内核和CPU基板之间往往还有填充物,填充物的作用是用来缓解来自散热器的压力以及固定芯片和电路基板,由于它连接着温度有较大差异的两个方面,所以必须保证十分的稳定,它的质量的优劣有时就直接影响着整个CPU的质量。
4、封装
1.封装过程
设计制作好的CPU硅片将通过几次严格的测试,若合格就会送至封装厂切割成用于单个CPU的硅模并置入到封装中。
"封装"不但是给CPU穿上外衣,更是它的保护神,否则CPU的核心就不能与空气隔离、避免尘埃的侵害。
此外,良好的封装设计还能有助于CPU芯片散热,并很好地让CPU与主板连接,因此封装技术本身就是高科技产品的组成部分。
2.封装的发展
随着CPU集成度及发热量的提高,CPU封装技术也在不断进步。
目前最常见的是PGA(Pin-GridArray,针栅阵列)封装,通常这种封装呈正方形或长方形,在CPU的边缘周围均匀的分布着三、四排甚至更多排的引脚,引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔,从而实现与主板的连接。
绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式,也就是说平时我们所看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部,它是翻转后封装在陶瓷电路基板上的,这样的好处是能够使CPU内核直接与散热装置接触。
随着CPU总线带度的增加、功能的增强,CPU的引脚数目也在不断地增多,同时对散热和各种电气特性的要求也更高,这就演化出了SPGA(StaggeredPin-GridArray,交错针栅阵列),PPGA(PlasticPin-GridArray,塑料针栅阵列)等封装方式。
5、接口
1.接口类型
PC的各个配件都是通过某个接口与主板连接的,例如AGP显示卡是通过AGP接口与主板连接,声卡通过PCI接口连接。
CPU也不例外,CPU的接口有针脚式、引脚式、卡式、触点式等。
现在CPU的接口都是针脚式接口,有Socket478和Socket462等。
2.接口的发展
接口的发展也随着CPU的发展而发展。
未来有SocketT以及Socket754、940等接口。
其中SocketT接口是Intel下一代处理器的接口,用触点连接方式代替现在的针脚式接口。
而Socket754、940是AMD的64位处理器的接口方式,和现在的Socket462针脚式接口一样,不过集成度十分高,布局紧密。
3.3CPU的性能指标
第一、主频,倍频,外频。
经常听别人说:
“这个CPU的频率是多少多少。
。
。
。
”其实这个泛指的频率是指CPU的主频,主频也就是CPU的时钟频率,英文全称:
CPU Clock Speed,简单地说也就是CPU运算时的工作频率。
一般说来,主频越高,一个时钟周期里面完成的指令数也越多,当然CPU的速度也就越快了。
不过由于各种各样的CPU它们的内部结构也不尽相同,所以并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。
至于外频就是系统总线的工作频率;而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。
三者是有十分密切的关系的:
主频=外频x倍频。
第二:
内存总线速度,英文全称是Memory-Bus Speed。
CPU处理的数据是从哪里来的呢?
学过一点计算机基本原理的朋友们都会清楚,是从主存储器那里来的,而主存储器指的就是我们平常所说的内存了。
一般我们放在外存(磁盘或者各种存储介质)上面的资料都要通过内存,再进入CPU进行处理的。
所以与内存之间的通道枣内存总线的速度对整个系统性能就显得很重要了,由于内存和CPU之间的运行速度或多或少会有差异,因此便出现了二级缓存,来协调两者之间的差异,而内存总线速度就是指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间的通信速度。
第三、扩展总线速度,英文全称是Expansion-Bus Speed。
扩展总线指的就是指安装在微机系统上的局部总线如VESA或PCI总线,我们打开电脑的时候会看见一些插槽般的东西,这些就是扩展槽,而扩展总线就是CPU联系这些外部设备的桥梁。
第四:
工作电压,英文全称是:
Supply Voltage。
任何电器在工作的时候都需要电,自然也会有额定的电压,CPU当然也不例外了,工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压。
早期CPU(286枣486时代)的工作电压一般为5V,那是因为当时的制造工艺相对落后,以致于CPU的发热量太大,弄得寿命减短。
随着CPU的制造工艺与主频的提高,近年来各种CPU的工作电压有逐步下降的趋势,以解决发热过高的问题。
第五:
地址总线宽度。
地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间,简单地说就是CPU到底能够使用多大容量的内存。
16位的微机我们就不用说了,但是对于386以上的微机系统,地址线的宽度为32位,最多可以直接访问4096 MB(4GB)的物理空间。
而今天能够用上1GB内存的人还没有多少个呢(服务器除外)。
第六:
数据总线宽度。
数据总线负责整个系统的数据流量的大小,而数据总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。
第七:
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,相信接触过386的朋友都知道主板上可以另外加一个外置协处理器,其目的就是为了增强浮点运算的功能。
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,含有内置协处理器的CPU,可以加快特定类型的数值计算,某些需要进行复杂计算的软件系统,如高版本的AUTO CAD就需要协处理器支持。
第八:
超标量。
超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。
这在486或者以前的CPU上是很难想象的,只有Pentium级以上CPU才具有这种超标量结构;486以下的CPU属于低标量结构,即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。
第九:
L1高速缓存,也就是我们经常说的一级高速缓存。
在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU的运行效率,这也正是486DLC比386DX-40快的原因。
内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大,容量越大,性能也相对会提高不少,所以这也正是一些公司力争加大L1级高速缓冲存储器容量的原因。
不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,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。
第十:
采用回写(Write Back)结构的高速缓存。
它对读和写操作均有效,速度较快。
而采用写通(Write-through)结构的高速缓存,仅对读操作有效.
第十一:
动态处理。
动态处理是应用在高能奔腾处理器中的新技术,创造性地把三项专为提高处理器对数据的操作效率而设计的技术融合在一起。
这三项技术是多路分流预测、数据流量分析和猜测执行。
动态处理并不是简单执行一串指令,而是通过操作数据来提高处理器的工作效率。
动态处理包括了1、多路分支预测:
通过几个分支对程序流向进行预测,采用多路分流预测算法后,处理器便可参与指令流向的跳转。
它预测下一条指令在内存中位置的精确度可以达到惊人的90%以上。
这是因为处理器在取指令时,还会在程序中寻找未来要执行的指令。
这个技术可加速向处理器传送任务。
2、数据流量分析:
抛开原程序的顺序,分析并重排指令,优化执行顺序:
处理器读取经过解码的软件指令,判断该指令能否处理或是否需与其它指令一道处理。
然后,处理器再决定如何优化执行顺序以便高效地处理和执行指令。
3、猜测执行:
通过提前判读并执行有可能需要的程序指令的方式提高执行速度:
当处理器执行指令时(每次五条),采用的是“猜测执行”的方法。
这样可使奔腾II处理器超级处理能力得到充分的发挥,从而提升软件性能。
被处理的软件指令是建立在猜测分支基础之上,因此结果也就作为“预测结果”保留起来。
一旦其最终状态能被确定,指令便可返回到其正常顺序并保持永久的机器状态。
4.4CPU产品简介及CPU核心
一、Intel公司的CPU
1、Intel核心
Tualatin核心
Willamette核心
Northwood核心
Prescott核心
71年,4004,4位数据总线,包含2300个晶体管,功能很弱,计算速度很慢,只能用在计算器上。
79年,8088,内16位数据总线,外8位,20位地址总线。
82年,80286,数据总线内外均为16位,地址总线24位。
85年,80386DX,数据总线内外均为32位,地址总线32位。
89年,又出了80386SX,内32位,外16位。
89年,486DX,数据总线内外均为32位,地址总线32位。
带80387协处理器和一个8kB的高速缓存,并出现倍频技术,486SX无协处理器。
图2.4Intel公司的CPU
(一)
93年,586(Pentium、P54C),主频最大200MHz,总线频率66MHz,刻线工艺0.8~0.35µm,310万个晶体管,16kBL1Cache,Socket7架构。
95年,PentiumPro,主频最大200MHz,总线频率66MHz,刻线工艺0.5~0.35µm,550万个晶体管。
16kBL1Cache,256kBL2Cache,Socket8架构。
97年,586MMX(P55C),主频最大233MHz,总线频率66MHz,刻线工艺0.35µm,450万个晶体管。
Socket7架构,内增57条MMX指令。
97年,PⅡ(Klamath),主频最大333MHz,总线频率66MHz,刻线工艺0.35µm,750万个晶体管。
32kBL1Cache,CPU电路板上有512kBL2Cache,Slot1架构。
图2.5Intel公司的PIICPU
98年,PⅡ(Deschutes),总线频率100MHz,刻线工艺0.25μm。
98年,4月,Celeron,主频最大300MHz,总线频率66MHz,刻线工艺0.25μm,32kBL1Cache,无L2Cache,Slot1架构。
98年,8月,新Celeron,主频最大533MHz,总线频率66MHz,工艺0.25μm,32kBL1Cache,128kBL2Cache,Slot1和Socket370架构。
99年,PⅢ(Katmai),主频最大450MHz,总线频率100~133MHz,刻线工艺0.25μm,FC-PGA封装,32kBL1Cache,512kBL2Cache,Slot1和Socket370架构。
图2.6Intel公司的PIIICPU
2000年,3月,CeleronⅡ(Coppermine内核),主频最大800MHz,总线频率66MHz,后新推出100MHz外频版本,刻线工艺0.18μm,FC-PGA封装,32kBL1Cache,128kBL2Cache,Socket370架构。
2000年,11月,PⅣ(NetBurst架构),主频1GHz以上,前端主频400MHz,外频100MHz,刻线工艺0.13μm,FC-PGA2封装,8kBL1Cache和256kBL2全速ATC均在CPU内,先期为Socket423架构。
后被淘汰而改为Socket478架构。
图2.7Intel公司的P4CPU
2001年,PⅢTualatin(图拉丁),采用新的总线结构,0.13μm工艺,集成512kBL2Cache,FC-PGA2封装,Socket370架构。
2001年,P4Northwoode(北木)核心,0.13μm工艺,Socket478架构。
2002年,赛扬Ⅲ,Tualatin核心,FC-PGA2封装,0.13μm刻线工艺,主频为1~1.3GHz,100MHz外频,256kBL2Cache,Socket370架构。
2002年,6月,(Willamette核心),主频1.7GHz,刻线工艺0.18μm,同P4比较,只是二级缓存减少为256k,其他均一样。
2003年,新赛扬4(Northwood核心),主频从2.2GHz提升到2.4GHz。
2004年,新奔腾4Prescott,90nm制造工艺。
继承了超线程技术,增强型NetBurst微架构、1MB二级高速缓存以及13条新增指令。
800MHz前端主频,Socket478插座,1.25亿个晶体管,可同时支持32及64位的操作系统。
图2.8Intel公司的TualatinCPU
Socket775又称为SocketT,能支持LGA775封装的Pentium4、Pentium4EE、CeleronD等CPU。
Socket775插槽非常复杂,没有Socket478插槽那样的CPU针脚插孔,取而代之的是775根有弹性的触须状针脚(其实是非常纤细的弯曲的弹性金属丝),通过与CPU底部对应的触点相接触而获得信号。
因为触点有775个,比以前的Socket478的478pin增加不少,封装的尺寸也有所增大,为37.5mm×37.5mm。
Socket775插槽为全金属制造,原因在于这种新的CPU的固定方式对插槽的强度有较高的要求。
图2.9Intel公司的LGA775P4
Socket775插槽由于其内部的触针非常柔软和纤薄,如果在安装的时候用力不当就非常容易造成触针的损坏;其针脚实在是太容易变形了,相邻的针脚很容易搭在一起,而短路有时候会引起烧毁设备的可怕后果;此外,过多地拆卸CPU也将导致触针失去弹性进而造成硬件方面的彻底损坏,这是其目前的最大缺点。
图2.10Intel公司的CPU插槽
目前,采用Socket775插槽的主板数量并不太多,主要是Intel915/925系列芯片组主板,也有采用比较成熟的老芯片组例如Intel865/875/848系列以及VIAPT800/PT880等芯片组的主板。
不过随着Intel加大LGA775平台的推广力度,Socket775插槽最终将会取代Socket478插槽,成为Intel平台的主流CPU插槽。
2004年,Itanium、Itanium2,64位处理器,主频最低800MHz,128kBL1Cache,256kB~1024kBL2Cache、4MB全速片外L3Cache、EPIC技术和128位浮点寄存器,可同时执行多达20个操作。
Itanium、Itanium2是Intel的64位处理器(图1-18),主频最低800MHz,128kBL1Cache,256kB~1024kBL2Cache、4MB全速片外L3Cache、EPIC技术和128位浮点寄存器,可同时执行多达20个操作,世界级的浮点性能(每秒最高可执行64亿次操作),能够直接寻址16TB,每秒可处理2.1GB。
Intel正在研发集成4个Itanium2CPU内核的超级巨无霸CPU,预计将集成10亿晶体管。
这种处理器将采用0.065µm制程,在2007年面世。
图2.11Intel公司的ITANIUMCPU
2002年9月28日,中科院正式发布国内首枚高性能通用CPU龙芯(Godson-1)。
采用0.18微米工艺,主频可达266MHz,包含近400万个晶体管。
2005年4月18日发布了性能相当于Intel“奔3”芯片、主频达到500MHz的“龙芯2号”通用芯片。
龙芯2E(2006年9月13日)作为通用64位处理器,成为目前世界上除美日之外性能最高的通用处理器,也是我国内地第一个采用90纳米设计技术的处理器,在这样一个指甲盖大小的范围内,集成了4700万个晶体管,功耗在3瓦至8瓦。
性能超过了1.5GHz奔腾Ⅳ处理器的水平。
该处理器最高主频达到1GHz,峰值运算速度达到每秒40亿次双精度浮点运算。
龙芯二号增强型芯片电脑将在今年下半年上市,价格约千元。
图2.12国产“龙芯”CPU
2、具体例子
Pentium4处理器(Socket478)
PentiumD处理器(Socket775)
CeleronD处理器(Socket478)
图2.13Pentium4处理器
Intel酷睿2双核E4300(盒):
接口类型:
Socket775
核心类型:
Conroe
处理器频率:
1.8GHz
二级缓存容量:
2048KB
多核心:
支持
制程工艺:
65纳米
前端总线:
800MHz
处理器倍频:
9
图2.14酷睿2双核E4300
Intel酷睿2四核Q6600(盒):
接口类型:
LGA775
核心类型:
Kentsfield
处理器频率:
2.4GHz
二级缓存容量:
2×4096KB
多核心:
支持
制程工艺:
65纳米
前端总线:
266MHz
处理器倍频:
10
图2.15Intel酷睿2四核Q6600
二、AMD公司的CPU
1、AMD的核心
Palomino核心
Thoroughbred核心
Thorton核心
Barton核心
Clawhammer核心
96年到99年,AMD生产了K5、K6、K6-2/3Dnow、K6-3,均为Socket7架构。
99年,Athlon(K7),主频550MHz以上,总线频率200MHz,0.18µm工艺,,128kBL1Cache,512kBL2Cache,SlotA架构。
2000年,Duron(毒龙),主频最大800MHz,总线频率100MHz,0.18µm工艺,128kBL1Cache,内置64kBL2Cache,SocketA(Socket462)架构。
2000年,Thunderbird(雷鸟),相当于PⅢ。
750MHz~1GHz,SocketA架构。
2001年,10月,AthlonXP,266MHz前端总线(133×2),0.18µm铜连线工艺,128kBL1Cache和256kBL2Cache,3750万个晶体管,SocketA。
AthlonXP系列处理器后缀的型号有1500+~3000+,与实际运行频率有以
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