第第2章章 CPU-计算机进行运算的核心计算机进行运算的核心本课要点本课要点nCPU概述nCPU系列nCPU的分类nCPU的性能指标nCPU散热 nCPU的选购nCPU故障及维护nMobile CPU2.1 CPU概述概述n中央处理器（中央处理器（Central Processing Unit，CPU）在整个计算机系统中居于核心地位，是整个计算机在整个计算机系统中居于核心地位，是整个计算机系统的指令中枢。系统的指令中枢。在计算机的发展过程中，在计算机的发展过程中，CPU核心技术的发展一直是计算机技术发展的重点。核心技术的发展一直是计算机技术发展的重点。n它负责计算机系统指令的执行、逻辑运算以及数它负责计算机系统指令的执行、逻辑运算以及数据存储、传送和输入据存储、传送和输入/输出操作指令的控制。输出操作指令的控制。CPU由由运算器和控制器运算器和控制器组成，其中运算器主要完成各组成，其中运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算；而控制器读取各种指令，种算术运算和逻辑运算；而控制器读取各种指令，分析指令，并作出相应的控制。分析指令，并作出相应的控制。n CPU内部结构可分为内部结构可分为控制单元、逻辑单元控制单元、逻辑单元和和存储存储单元单元三大部分。各个部分分工不同，合作紧密，三大部分。各个部分分工不同，合作紧密，使使CPUCPU具有强大的运算、处理和协调能力。具有强大的运算、处理和协调能力。n计算机的所有资料、信息都需要计算机的所有资料、信息都需要CPU来处理，因来处理，因此它决定了操作系统和应用软件的速度，也就决此它决定了操作系统和应用软件的速度，也就决定了整台计算机的速度。定了整台计算机的速度。2.1 CPU概述概述2.2 CPU系列系列 n Intel系列系列n AMD系列系列n 中国龙芯系列中国龙芯系列n VIA（威胜威胜,台湾）系列台湾）系列系列系列 IntelIntel，这个字是由“集成集成/ /电子电子(Integrated Electronics)”两个英文单词组合成的，象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达，结果就真的如此结果就真的如此。自19711971年Intel推出了世界上第一款微处理器40044004后，又先后推出了80888088、80868086、8028680286、8038680386和8048680486处理器，其性能不断提高，制作工艺也越来越精细；到19931993年Intel公司推出了划时代的586586，并将其命名为PentiumPentium（奔腾）处理器,随后相继推出了Pentium ProPentium Pro、Pentium MMXPentium MMX、 Pentium II Pentium II和Pentium Pentium IIIIII处理器，期间为占领低端市场，还推出了低成本的CeleronCeleron（赛扬）系列CPUCPU。 Intel早期早期CPUIntelIntel现代现代CPUCPU最初的酷睿2采用Yonah核心，65nm制造工艺， LGA775接口，L2缓存容量提升到4MB，并通过SmartCache技术两个核心共享二级缓存方案，使性能大大提升。前端总线提升至1066Mhz(Conroe)，1333Mhz(Woodcrest)，800Mhz（Merom）。 Intel始终保持了“赛扬”一种型号，其典型的做法是减少二级缓存和前端总线频率。例如：Celeron 420 主频G，二级缓存512kB，前端总线800Mhz。Sandy Bridge-E酷睿i7 Extreme处理器将基于六核十二线程设计，默认主频为3.3GHz，最高睿频主频达到了，L3缓存容量达到桌面创纪录的15MB。普通版的酷睿i7处理器再次分为六核十二线程和四核八线程两个版本，其中六核版的默认主频为，睿频主频为，L3缓存削减到12MB；四核版的默认主频稍高，达到了，睿频主频则跟Sandy Bridge-E酷睿i7 Extreme相同，也为，L3缓存则进一步削减到10MB，三款Sandy Bridge-E酷睿i7处理器的TDP功耗均为130W nSandy Bridge相比上一代有了质的提升，制程方相比上一代有了质的提升，制程方面将面将Core和核芯显卡统一为和核芯显卡统一为32纳米，而两者也由纳米，而两者也由之前的分离状态而改进为一体化设计，无论是发热之前的分离状态而改进为一体化设计，无论是发热量还是性能都有质的改进量还是性能都有质的改进 Sandy Bridge-E处理器比处理器比Sandy Bridge的两点最大变化是内置的两点最大变化是内置DDR3-1333四通四通道道内存内存控制器和由控制器和由CPU提供两条提供两条PCI-E X16通道。其中内置的通道。其中内置的DDR3-1333四通道四通道内存内存控制器可以提供高达的内存带宽，比控制器可以提供高达的内存带宽，比LGA1366的的DDR3-1066三通道内存控制三通道内存控制器的高出器的高出66%，比较巧合的是据，比较巧合的是据Intel的的一张机密幻灯片显示，一张机密幻灯片显示，LGA2011 Sandy Bridge-E处理器将比处理器将比LGA 1155 Sandy Bridge处理器酷睿处理器酷睿i7-2600性能最多也高性能最多也高出出66%。 2.AMD 系列系列 AMDAMD (Advanced Micro Devices，中文有时也将其翻译为“超微半导体超微半导体”) 是美国一家业务遍及全球，专为电子计算机、通信及电子消费类市场供应各种芯片产品的公司，成立于19691969年。 AMDAMD系列CPUCPU的特点的特点是以较低的核心时脉频率产生相对较低的核心时脉频率产生相对较高的运算效率较高的运算效率，其主频通常会比同效能的Intel CPUIntel CPU低1GHz左右。AMD早期的产品策略主要是以较低廉的产品价格为诉求，虽然最高性能不若同期的IntelIntel产品，但却拥有较佳的价格性能比。 20032003年，由于率先于IntelIntel之前优先投入6464位元CPUCPU的市场，使得AMDAMD在6464位元CPUCPU的领域有比较早发展的优势，此阶段的AMDAMD产品仍采取了一贯的低主频高性能策略AMD CPU3. 中国龙芯系列中国龙芯系列n2002年年9月龙芯月龙芯1号处理器面世号处理器面世 n2005年年4月推出龙芯月推出龙芯2号号n2008年底年底4核版龙芯核版龙芯3号号 ，2009年推出年推出8核版核版龙芯笔记本亮相两会龙芯笔记本亮相两会（威胜）系列（威胜）系列 nVIA，台湾完全自主研发的低功耗，台湾完全自主研发的低功耗X86 CPU，比，比龙芯早，主要用在客户端，例如票务管理、工控龙芯早，主要用在客户端，例如票务管理、工控等特殊行业，等特殊行业， VIA的的CPU市场占有率很小。但是市场占有率很小。但是VIA的的CPU以低功耗、少发热量和低价格而著称，以低功耗、少发热量和低价格而著称，即使即使CPU不加风扇冷却不加风扇冷却，也可以工作得很稳定。，也可以工作得很稳定。因此因此VIA的的CPU在笔记本计算机中可以见到不少。在笔记本计算机中可以见到不少。nVIA推出的推出的CPU比较常见的是比较常见的是VIA C3。 2.3 CPU的分类的分类 n按按CPU字长分字长分n按按CPU封装的内核数封装的内核数n按生产商不同按生产商不同n其它其它按按CPUCPU字长分字长分 CPU从从最最初初发发展展至至今今已已经经有有三三十十多多年年的的历历史史了了，这这期期间间，按按照照其其处处理理信信息息的的字字长长，CPU可可以以分分为为：四四位位微微处处理理器器、八八位位微微处处理理器器、十十六六位位微微处处理理器器、三三十十二二位位微微处处理理器器以及以及六十四位六十四位微处理器等等。微处理器等等。按按CPU封装的内核数封装的内核数 分为：分为：单核单核CPU 双核双核CPU 多核多核CPU 双核处理器双核处理器(Dual Core Processor)，是指在一个处理器上集成两个运算核心集成两个运算核心，也就是将两个物理处理器核心整合入一个处理器上，然后采用并行总线将各处理器核心连接起来。 多多核核技技术术就是把多个芯片集成在一个封装内的技术，是对称多处理技术的延伸。性能上，多核心在不同核心间交换数据更快，减小电路延迟，性能会比多CPUCPU更高（幅度不会很大），价格上，芯片制造成本和主板成本、功耗成本更低。现在多核多核CPUCPU主要应用在服务器上主要应用在服务器上。 CPUCPU分类方法很多，除了以上介绍的分类方法分类方法很多，除了以上介绍的分类方法外，还有其他一些分类方式。比如：外，还有其他一些分类方式。比如： 按按CPUCPU接口可分为接口可分为Socket 775Socket 775、Socket 754Socket 754、Socket 939Socket 939、Socket 940Socket 940、Socket AM2Socket AM2等数十种等数十种接口类型的接口类型的CPUCPU； 按按CPUCPU采用的内核亦可分采用的内核亦可分: : Yonah( Yonah(腰那腰那) )内核内核CPU- CPU- IntelCPU的一种内核的一种内核 Conroe( Conroe(kur扣肉扣肉) )内核内核CPU-CPU-是更新的是更新的Intel桌面平桌面平台双核心处理器的核心类型，其名称来源于美国德克萨斯台双核心处理器的核心类型，其名称来源于美国德克萨斯州的小城市州的小城市“Conroe”2.3 CPU的分类的分类 Windsor(Windsor(winsa温莎温莎) )内核内核CPU-CPU-是是2006年年5月底发布的第一种月底发布的第一种Socket AM2接口双核心接口双核心Athlon 64 X2和和Athlon 64 FX的核心类型，的核心类型，其名称来源于英国地名温莎其名称来源于英国地名温莎”Windsor” Brisbane( Brisbane(brisbn布里斯班布里斯班) )内核内核CPU- CPU- Brisbane核心是核心是AMD06年年底推出的最新年年底推出的最新核心核心, Brisbane(澳大利亚第三大城市澳大利亚第三大城市 ) 2.3 CPU的分类的分类2.4 CPU结构结构 CPUCPU经过多年的发展，其物理结构也经过许多变化，现在的CPUCPU物理结构可分为内核内核、基板基板、填充物填充物、封装封装以及接接口口五部分。 内核内核填充物填充物陶瓷基板陶瓷基板针脚针脚2.4.1 CPU 核心核心 内核是CPU最重要的组成部分，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。 CPU中心那块隆起的长方形或正方形芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU核心的另一面，也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面，一般通过针脚或触点与主板电路连接。2.4.2 CPU接口接口 CPU通过接口与主板连接，经过多年的发展，采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。CPU的安装通常采用Socket（Socket在英文里就是插槽、插座的意思）插座安装。而目前主流CPU接口都是针脚式接口，对应到主板上就有相应的插槽类型。CPU接口类型不同，在插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插。 2.5 CPU性能指标性能指标n主频、外频和倍频主频、外频和倍频n前端总线（前端总线（FSB） n高速缓存（高速缓存（Cache） n 2.5 CPU性能指标性能指标1.主频、外频和倍频主频、外频和倍频主频主频是CPU的时钟频率，也就是CPU的工作频率。一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快了。主频包括两部分主频包括两部分：外频与倍频外频与倍频。外频外频是由主板上系统总线的工作频率决定的，是CPU与主板之间同步运行的速度；而倍频倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。三者的关系用公式表示就是：主频=外频倍频。计算机实际运行速度不但由CPU的速度决定，而且还受到主板和内存速度的限制，所以并不能完全用主频来概括CPU的性能。2.5 CPU性能指标性能指标2.前端总线前端总线（FSB）前端总线前端总线是将CPU连接到内存、通向磁盘驱动器、调制解调器以及网卡这类系统部件的外设总线。前端总线的速度指的是数据传输的速度，即CPU与内存等设备之间交换数据的工作频率。FSB频率越快，处理器在单位时间里得到的数据更多，处理器利用率越高。注意：对于AMDAMD的K8K8以后系列CPUCPU来说，由于其CPUCPU内部集成了内存控制器，也就没有了前端总线这个概念，取而代之的是H-TH-T（Hyper TransportHyper Transport）总线频率。2.5 CPU性能指标性能指标 3.高速缓存高速缓存（Cache）高速缓存高速缓存的作用是为CPU和内存在数据交换时提供一个高速的数据缓冲区，从而解决CPU高速运算与内存低速相应之间的矛盾。CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘，由此高速缓存在CPU和主存之间起缓冲作用，减少CPU等待数据传输的时间，提高系统性能。2.5 CPU性能指标性能指标 CPU缓存缓存一般分为L1高速缓存高速缓存和L2高速缓存高速缓存。 L1高速缓存（也称为一级高速缓存一级高速缓存，L1 Cache）用于暂存部分指令和数据，以使CPU能迅速地得到所需要的数据。L1高速缓存与CPU同步运行，其对CPU的性能影响较大，容量越大，性能也会越高。L2高速缓存（也称为二级高速缓存二级高速缓存，L2 Cache）的容量和频率对CPU的性能影响也较大，它的作用就是为了协调CPU的运行速度与内存存取速度之间的差异。L2高速缓存是CPU晶体管总数中占得最多的一个部分。注意：由于L2高速缓存的成本很高，因此L2高速缓存的容量大小一般用来作为高端和低端CPU产品的分界标准。2.6 CPU散热散热 CPU的散热设备根据工作原理不同可以分为风冷风冷式、水水冷冷式、半导体冷却、半导体冷却和液氮制冷液氮制冷四种。但是对于一般消费者来说，最常用的是风冷散热设备散热风扇，其具有制造成本低，安装简单和安全性高等优点。 实际应用过程中，在CPUCPU的外部温度上升到5050度度时，系统就有可能出现不稳定现象不稳定现象，其表现在Windows系统有时会不断的报错不断的报错，有的甚者会死机死机。此时CPUCPU内部的温度一般已内部的温度一般已经达到了经达到了8080度的高温度的高温。这个温度可以说是个警戒温度，温度再升高是很危险的，此时加强散热加强散热是很必要的。同时，过高的温度有损有损CPUCPU寿命寿命，由此CPUCPU散热是至关重要的。2.6 CPU散热散热2.7 CPU选购选购 目前，市场上台式机的CPUCPU主要是IntelIntel和AMDAMD两家公司的产品。AMDAMD的CPUCPU在三维制作、游戏应用等方面略有优势，IntelIntel的CPUCPU则在办公应用、多媒体应用（比如看电影、听音乐）方面更强一些。总体而言，IntelIntel的CPUCPU在总体性能上要强于AMDAMD的CPUCPU，而AMD的CPUCPU性价比更高。 2.7.1 CPU选购原则选购原则n不盲目追求主频不盲目追求主频 n根据用途选择适合自己的处理器根据用途选择适合自己的处理器 n考虑与其他设备的配合考虑与其他设备的配合 注意：随着CPU核心技术的不断提高，普通CPU的性能已经足够满足个人大多数应用的需要，所以人们在买PC的时候，CPU已经不再是唯一的标准。2.8 CPU故障及维护故障及维护2.7.1 引起引起CPU故障的主要原因故障的主要原因n散热类故障散热类故障： CPU散热不良造成的，原因一般为CPU风扇停转、CPU风扇与CPU接触不良以及CPU超频造成发热量过大。n超频类故障超频类故障：由于对CPU进行超频，造成CPU工作不正常甚至不能启动计算机。( (就是通过软件调节就是通过软件调节和改造硬件来人为提高和改造硬件来人为提高CPUCPU的外频或倍频，使之运行频率的外频或倍频，使之运行频率（主频外频（主频外频* *倍频）得到大幅提升，即倍频）得到大幅提升，即CPUCPU超频。超频。 ) )n接触不良类故障接触不良类故障：CPU与CPU插槽接触不良造成计算机无法启动的故障。2.9 Mobile CPU概述概述 笔记本计算机专用的CPU称为移动移动CPU（Mobile CPU），它除了追求性能，也追求低热量和低耗电。 最早的笔记本计算机直接使用台式机的CPU，但是随CPU主频的提高, 笔记本计算机狭窄的空间不能迅速散发CPU产生的热量，还有笔记本计算机的电池也无法负担台式CPU庞大的耗电量， 所以开始出现专门为笔记本设计的移动CPU，它在设计上还必须考虑以下几个要素：l 低耗电：低耗电：降低工作电压，减少电源消耗，以提高更长的工作时间l 高密度脚数封裝：高密度脚数封裝：缩小体积，提供更多功能 l 低耗热：低耗热：减低热耗提高功效，降低热产生，以求高速运算下系统的稳定性2.9 Mobile CPU概述概述Mobile CPU的制造工艺比同时代的台式机CPU更加先进，因为移动CPU中会集成台式机CPU中不具备的电源管理技术，而且会先采用更高的微米精度。电源管理技术能适时的降低CPU工作电压，减少电源消耗，以提高工作时间。 Mobile CPU的特点的特点 采用SpeedStep技术的CPU有两种不同的工作模式：使用交流电源时使用交流电源时的最高性能模式（Maximum Performace Mode）和使用电池时使用电池时的电池优化模式（Battery Optimized Mode），笔记本计算机根据电源情况自动切换工作模式，也就是说，就是当使用交流电源或电池驱动时，自动对CPU的工作电压和工作频率进行切换：使用交流电源时，CPU开足马力全速运行；而在电池模式下，CPU将核心电压和工作主频调低到另一档上，达到降低系统功耗的目的，在小幅度影响性能的条件下维持更长运行时间。 AMD公司采用的PowerNow!技术，全美达的LongRun技术，也都是类似于Intel SpeedStep的电源管理技术。 Mobile CPU的特点的特点 笔记本CPU生产商还采用提高CPU正常工作的极限温度的方法来保障在笔记本计算机中更好的应用。以Intel公司为例，其台式机CPU封装只需承受70摄氏度的温度考验就可以通过质量检验，而笔记本专用CPU封装因自身原因必须做到100摄氏度才可以出厂。此方面AMD公司在这方面则更为突出。 更高精度的微米制造工艺在移动CPU上的应用，使其自身的体积和封装更小，工作电压也更低，CPU耗电量大大减少，而性能则更加突出。Mobile CPU系列系列 目前移动CPU的品牌有Intel（英特尔）、AMD、VIA(威盛)和Crusoe（全美达）等几家，其中Intel Mobile CPU占了绝大部分的市场份额。