计算机组装与维护技能实训教程——CPU.ppt

2019年12月24日星期二6时27分20秒
计算机组装与维护技能实训教程(第3版)
3.3 CPU的主要性能指标
Cyrix公司的CPU对主频这项指标是采用PR性能等级 参数（Performance Rating）来标称的，表示此时的 CPU性能相当于Intel公司某主频CPU的性能。用PR参数 标称的CPU实际运行时钟频率与标称主频并不一致。例如， MII300的实际运行频率为233 MHz（66×3.5），但PR 参数主频标为300 MHz，即MII300相当于Intel的PII300。 不过，事实上也仅是MII300的Business Winston指标 （整数性能）与PII300相当而已。
4. 倍频: 倍频就是CPU的运行频率与整个系统外频运行 频率之间的倍数，在相同的外频下，倍频越高CPU的频率 也越高。CPU的外频在5～8倍的时候，其性能能够得到比 较充分的发挥。如果超出这个数值的话，都不是很完善。
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3.3 CPU的主要性能指标
5. 前端总线频率（FSB）
前端总线也就是以前所说的CPU总线，就是CPU用来 接收和发送数据的一组针脚，有多少根这样的针脚就有多 少位数据总线。前端总线频率（即外频）是指CPU与内存 数据总线直接交换数据的速度。例如，Pentium 4的FSB 有400MHz、533MHz和800MHz几种。Athlon XP的 FSB有266MHz、333MHz、400MHz几种（等效频率是 标称频率的两倍）。
第3章 中央处理器
中央处理器简称为CPU（Central Processing Unit）， 又称为微处理器（Micro-processor），是计算机系统的 核心，主要由运算器和控制器组成。中央处理器的内部结 构分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，它们相 互协作，进行分析、判断、运算，并控制计算机各部分的 协调工作。计算机的一切工作都受CPU的控制，其中，运 算器主要完成基本算术运算和逻辑运算；而控制器不具有 运算功能，它只是按顺序从RAM中取出指令，并将它们放 到特殊的寄存器中。控制器翻译指令后，根据翻译结果给 数据总线发送信号用以从RAM中读取数据，再发送信号到 运算器进行处理。
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3.1 CPU的发展历程
（5）Intel Pentium III （6）Celeron芯片
①“Coppermine”核心Celeron ②“Tualatin”核心Celeron （7）Intel Pentium 4处理器 第一代基于“Willamette”核心Pentium 4处理器 第二代基于“Northwood”核心Pentium 4处理器 5. 64位处理器——AMD Athlon 64 2003年4月，AMD公司发布了面向服务器与工作站的AMD Opteron 64位处理器。2003年9月，AMD公司发布了面向台 式机的64位处理器：Athlon 64和Athlon 64 FX。
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3.2 CPU的逻辑结构
CPU的内部逻辑结构中必不可少的两部分被分为执行单元 （EU）和总线接口单元（BIU。
1．控制单元:控制单元是整个CPU的指挥控制中心，它要管 理读取指令、对指令进行解码、管理安排执行操作和储存最终 的执行结果等一系列工作，因此又把它分为三大部分，分别是 指令寄存器（IR，Instruction Register）、指令译码器（ID， Instruction Decoder ） 和 操 作 控 制 器 （ OC ， Operation Controller）,它们对协调整个计算机的有序工作起着不可替代 的作用。具体地，CPU会根据用户预先编好的程序，依次从存 储 器 中 取 出 各 条 指 令 ， 放 在 指 令 寄 存 器 IR 中 ， 通 过 指 令 译 码 （分析）确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器（OC）， 按照确定的时序向相应的部件发出微操作控制信号。
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3.1 CPU的发展历程
1．4位处理器：Intel 4004 1971年，Intel公司把算术运算器和逻辑控制电路集成 在一起，发明了世界上第一片微处理器Intel 4004。 2．8位处理器——Intel 8008/8080/8085 1972年，Intel公司研制出了8008处理器，字长为8位。 3．16位处理器：Intel 8086/8088/80286 （1）Intel 8086/8088处理器 （2）Intel 80286
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3.3 CPU的主要性能指标
CPU作为整个计算机系统的核心，往往是各种档次计算 机的代名词，如Pentium 4、Athlon XP等。由于CPU的性 能大致上也反映出了所配置计算机的性能，因此，它的性能 指标十分重要。下面简单介绍一些CPU主要的性能指标。
第二阶段的Pentium II代号为“Deschutes”，采用 0.25m制造工艺，核心电压为2.0V，工作外频是66MHz， 主要频率有300MHz、333MHz等。
第三阶段的Pentium II代号仍为“Deschutes”，采 用0.25m制造工艺，核心电压为2.0V，工作在100MHz 外频下，主要频率有350MHz、400MHz和450MHz等。
CPU的Cache通常是分级构造的，一般由L1和L2两级构 成，通常L1 Cache 的速度最快，与CPU核心的距离也最近， 但容量较小，而L2 Cache 的速度稍慢，但容量较大。
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3.2 CPU的逻辑结构
4．执行流程——各部门之间的协同与配合 首先，BIU里的指令指针寄存器（Instruction Pointer） 会根据内存中的不同存储位置通知CPU即将执行的指令在 什么地方，并会把数据取出，通过总线送到控制单元中； 指令解码器（Instruction Decoder）则从指令寄存器 （Instruction Register）中取出指令，翻译成CPU可以 执行的形式，然后决定完成该指令究竟需要哪些必要的操 作，它将告诉ALU和FPU什么时候计算，再通知什么时候 获取下一条指令。
1．字长:从4bit的Intel 4004到8bit的8080、8086，再 到16bit的8086/8088、80286，然后是32bit的80386、 80486、Pentium、Pentium II、Pentium III、 Pentium4，最后到现在最新的64bit Itanium和AMD Athlon 64，CPU的字长是在不断增长的。随着CPU字长的 增加，I/O接口带宽相应增加，处理的数据随之增多，提升了 CPU的处理能力。
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3.2 CPU的逻辑结构
2．执行单元: 执行单元（EU）由算术逻辑运算器（ALU） 和寄存器组构成。
3．高速缓存（Cache）: CPU通常会根据特定的算法把 经常都会用到的一些数据读取到Cache中，当需要某一特定 数据时，CPU会首先到Cache中去寻找它，如果Cache中没 有（或Cache已满，无法再写入）则再对系统内存进行读写； 读取的时候，尝试命中Cache，如果命中失败，将数据读入 Cache，再传入CPU，如果Cache已满，Cache中原有的一 部分数据将被替换掉。
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3.3 CPU的主要性能指标
6．一级缓存（L1）和二级缓存（L2 Cache）的容量 和速率
一级缓存（L1）和二级缓存（L2 Cache）的容量和 工作速率对提高计算机速度起关键作用。一级缓存（内部 缓存）指封装在CPU芯片内部的高速缓存。它用来暂时存 储CPU运算时的部分指令和数据。内部缓存的存取速度与 CPU主频相同，容量单位一般为KB。一级缓存越大， CPU工作时与存取速度较慢的二级缓存和内存间交换数据 的次数越少，相对来说，计算机的运算速度就越高。
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3.2 CPU的逻辑结构
然后指令就被送到EU中，CPU会执行指令中规定的 算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，再次回到 寄存器中，通过不同的指令将决定数据是继续运算还是通 过总线保存输出。
基本上，CPU就是这样一个不断地重复读出数据、处 理数据和往内存写数据三项基本工作的一个工厂，它总是 有条不紊地执行着由应用程序源源不断地送来的无数指令， 事实上，即使是一个简单的程序，也需要大量的运算工作。
数据传输最大带宽取决于所同时传输的数据位数和传 输频率，内存带宽必须要满足CPU的带宽需求：
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3.3 CPU的主要性能指标
CPU需求带宽=（CPU前端总线频率×CPU前端总线 位宽（主流CPU均为64bit））/8。各种FSB的Pentium 4带宽需求见表3.1所示。
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3．外频:外频是CPU与主板之间同步进行的速度，也 可以理解为CPU的外频直接与内存相连通，实现两者间的 同步运行状态。外频速度越高，CPU就可以同时接受更多 的来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提 高。
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第3章 中央处理器
3.1 CPU的发展历程 3.2 CPU的逻辑结构 3.3 CPU的主要性能指标 3.4 CPU的扩展指令集 3.5 CPU的封装技术 3.6 CPU的接口 3.7 主流CPU产品介绍 3.9 CPU散热器 习题
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3.1 CPU的发展历程
4．32位处理器——Intel 80386/80486 （1）Intel 80386 （2）Intel 80486图3.2 80486 CPU （3）Intel Pentium ① 第一代Pentium产品被称为P5。 ② 1995年11月，Intel公司推出了新一代32位微处理器 Pentium Pro，即P6。 ③ 1997年初，构成了多功能Pentium MMX（P55C）。
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3.1 CPU的发展历程
（4）Intel Pentium II 第一阶段的Pentium II代号为“Klamath”，使用
0.35m制造工艺，CPU核心电压为2.0V，工作在66MHz 外频下，主要频率有233MHz、266MHz、300MHz三种。
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3.3 CPU的主要性能指标
主频是CPU运行时的时钟频率，即CPU的时钟频率 （CPU Clock Speed），有时也叫时钟速度，其基本单位 是Hz（赫兹）。时钟频率是衡量CPU运行快慢的一个标志， 表示它在一定时间内工作了多少个时钟周期，主频的高低直 接影响CPU的运算速度。一个时钟周期是处理器中的最小时 间元素，完成每个动作（执行一条指令）至少需要一个时钟 周期，并且大多数指令需要多个时钟周期才能完成。一般来 说，主频越高，计算机运行的速度越快。由于内部结构不同， 所以，并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。