第二章 中央处理器(CPU)

酷睿i5处理器建基于Intel Nehalem微架构，与Core i7支持三通道存储器不同，Core i5只会集成双通道 DDR3存储器控制器。另外，Core i5会集成一些北 桥的功能，将集成PCI-Express控制器。接口亦与 Core i7的LGA 1366不同，Core i5采用全新的LGA 1156。处理器核心方面，代号Lynnfiled，采用45纳 米制程的Core i5会有四个核心，不支持超线程技术， 总共仅提供4个线程。L2缓冲存储器方面，每一个核 心拥有各自独立的256KB，并且共享一个达8MB的 L3缓冲存储器。
第二章 中央处理器（CPU）
2013.3
概述
中央处理器（Central Processing Unit），简称 CPU，是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU 由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数 据、控制及状态的总线构成。其功能主要是解释计算 机指令以及处理计算机软件中的数据。 CPU工作方式为：从存储器或高速缓冲存储器中取 出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指 令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编 程。
2.2 主流CPU
目前，IT市场主流的CPU被Intel公司和AMD公司所 占据。以中关村在线为参考，2013年3月市场在售 CPUIntel公司共170款产品，价格从80元到7599元， AMD公司共有126款，价格从170元到1699元。两 公司产品各具特点，但从两者所占市场份额来看，近 几年来Intel公司始终维持在80%左右，是CPU市场 真正的龙头企业。下面我们以 Intel公司主流产品为 例，介绍主流CPU。 Intel公司的主流产品主要包括Celeron系列、 Pentium系列、Core 2系列和Core i系列。
1. 主频


CPU的主频是CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多 少兆赫就是“CPU的主频”。CPU的主频表示在CPU内 数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没 有直接关系。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一 定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度 较低的现象。 说到处理器主频，就要提到与之密切相关的两个概念：倍 频与外频，外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。外 频是CPU与主板之间同步运行的速度，而且目前的绝大 部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速 度，在这种方式下，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；倍频即主频与外频 之比的倍数。主频、外频、倍频，其关系式：主频=外频 ×倍频。

1. CELERON系列处理器
Celeron中文名称为赛扬处理器，是Intel公司为满足 低端市场需求而推出的低端处理器产品。 赛扬系列处理器与同期的Pentium和Core 2处理器使 用相同的核心。赛扬处理器是将有缺陷的其它处理器 （如奔腾、酷睿、迅驰）屏蔽缺陷部分而来，或者直 接削减二级缓存，仅是Intel 为了进攻低端市场而设 计的入门级CPU，凭借其良好的超频性能和便宜的 价格，赢得了许多用户及超频玩家的喜爱。
2. 前端总线频率FSB（FRONT SIDE BUS）

FSB是指CPU与北桥芯片之间的数据传输总线，又 称前端总线。“前端总线”这个名称是由AMD在推 出K7 CPU时提出的概念，但是一直以来都被大家误 认为这个名词不过是外频的另一个名称。我们所说 的外频指的是CPU与主板连接的速度，这个概念是 建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，而前端 总线的速度指的是数据传输的速度，由于数据传输 最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输 频率，即数据带宽=（总线频率×数据位宽）÷8。 目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、 333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、 1066MHz、 1333MHz几种，前端总线频率越大， 代表着CPU与内存之间的数据传输量越大 CPU的功 能。

4. 指令集
所谓指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系 统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计 时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。 而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥， 它也是CPU性能体现的一个重要标志。 目前主要包含以下指令集，MMX、SSE、SSE2、 SSE3、SSE4、EM64T、RISC、3DNow!+等。

3. CORE 2系列处理器

Core 2（酷睿2）是英特尔2006年7月27日推出的新 一代X86架构处理器，它采用全新的Intel Core架构， 取代由2000年起各英特尔处理器采用的Netbrust架 构。Core 2也同时标志着奔腾(Pentium，由1993年 沿用至今)品牌的终结，也代表着英特尔移动处理器 及桌面处理器两个品牌的重新整合。 和其它基于 Netburst的处理器不同，Core 2不会仅注重处理器 时钟频率的提升，它同时就其它处理器的特色，例如 高速缓存数量、核心数量等进行优化。英特尔声称它 的功耗会比以往的奔腾处理器低很多。Core2有7、8、 9三个系列，具体分为Solo（单核，只限笔记本电 脑）、Duo（双核）、Quad（四核）及Extreme （至尊）四种型号。

2.1 CPU发展简史

根据CPU的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶 段。


百度文库
第1阶段（1971——1973年）是4位和8位低档微处理器时代， 通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器。 第2阶段（1971——1977年）是8位中高档微处理器时代，通 常称为第2代，其典型产品是Intel8080/8085。 第3阶段（1978——1984年）是16位微处理器时代，通常称为 第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088、80286。 第4阶段（1985——1992年）是32位微处理器时代，又称为第 4代。其典型产品是Intel公司的80386/80486。 第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时 代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及 与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。 第6阶段（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代， 通常称为第6代。

2. PENTIUM系列处理器
Pentium是英特尔的第五代x86架构之微处理器，于 1993年3月22日开始出货，是486产品线的后代。 Pentium本应命名为80586或 i586，后来命名为 “Pentium”（通常认为“pentium”是希腊文“五 （penta）”加拉丁文中代表名词的接尾语“ium”的 造词），是因为阿拉伯数字无法被用作注册商标。 i586被使用在英特尔竞争对手所制造的类80586的微 处理器。 Pentium D和Pentium Extreme Edition是Intel公 司早期双核处理器，采用90nm工艺制造，采用 LGA775接口。目前市场Pentium系列处理器以双核 系列处理器为主，插槽类型以LGA1155、LGA775 为主，主频从2.5G到3.0G为主，制作工艺以45nm为 主。
型号
Core 2 Duo Core 2 Quad Core 2 Extreme
制作工艺
45nm 45nm 45nm
核心频率
2.6~3.5GHz 2.5~3.16GHz 2.6~3.2GHz
接口
LGA775 LGA775 LGA775
前端总线
1066MHz 1333MHz 1333MHz
二级缓存
6M 8M 12M

5. 制作工艺


CPU“制作工艺”指得是在生产CPU过程中，要进行加 工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。通常 其生产的精度以纳米（以前用微米）来表示，精度越高， 生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元 件，连接线也越细，提高CPU的集成度。 制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造 工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展，密度愈高的IC 电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密 度更高、功能更复杂的电路设计。微电子技术的发展与进 步，主要是靠工艺技术的不断改进。芯片制造工艺在 1995年以后，从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纳米、80纳米、65纳米， 45纳米,32纳米,一直发展到目前最新的22纳米，而15纳米 将是下一代CPU的发展目标。
4. CORE I系列处理器

2009年6月，Intel公司公布了新的CPU命名规则， 为简化命名方式，将处理器重新命名为Core i 3、 Core i 5、Core i 7，分别代表低端产品、中端产品 和高端产品。目前Core i 系列CPU已经发展到第三 代，各方面都发生了很大变化。

Core i3可看作是Core i5的进一步精简版，最早采用 32nm工艺版本。Core i3最大的特点是整合GPU （图形处理器），也就是说Core i3将由CPU+GPU 两个核心封装而成。由于整合的GPU性能有限，用 户想获得更好的3D性能，可以外加显卡。值得注意 的是，即使核心工艺是Clarkdale，显示核心部分的 制作工艺仍会是45nm。整合CPU与GPU，这样的 计划无论是Intel还是AMD均很早便提出了，他们都 认为整合平台是未来的一种趋势。而Intel无疑是走 在前面的，集成GPU的CPU已在2010年推出，俗称 “酷睿i系”，仍为酷睿系列。

Intel官方正式确认，基于全新Nehalem架构的新一 代桌面处理器将沿用“Core”（酷睿），命名为 “Intel Core i7”系列，至尊版的名称是“Intel Core i7 Extreme”系列。Core i7（中文：酷睿 i7， 核心代号：Bloomfield）处理器是英特尔于2008年 推出的64位四核心CPU，沿用x86-64指令集，并以 Intel Nehalem微架构为基础，取代Intel Core 2系 列处理器。Nehalem曾经是Pentium 4 10 GHz版本 的代号。Core i7的名称并没有特别的含义，Intel表 示取i7此名的原因只是听起来悦耳，“i”的意思是 智能（intelligence的首字母），而7则没有特别的意 思，更不是指第7代产品。
2.3 英特尔CPU主要技术指标

CPU主要技术指标是衡量CPU性能的主要内容，主 要包括主频、前端总线频率FSB、缓存、指令集、 制作工艺、核心数量、插槽类型、其他技术等。
INTEL 酷睿I7 920（盒）详细参数
酷睿i7是面向高端发烧用户的CPU家族标识， 包含Bloomfield(2008年)、Lynnfield(2009 年)、Clarksfield(2009年)、Arrandale(2010 年)、Gulftown(2010年)、Sandy Bridge(2011年)、Ivy Bridge(2012年)等多款 子系列，并取代酷睿2系列处理器。

Intel 以前制造过的赛扬处理器版本有Celeron2、 Celeron3、Celeron4、Celeron J，现在活跃在市场 上的有CeleronM、CeleronD、及采用新一代酷睿架 构的赛扬双核处理器：Celeron E，这将使更多用户 以更实惠的价格体验到INTEL的双核处理器。 目前市场Celeron系列处理器以双核系列处理器为主， 插槽类型以LGA1155、LGA775为主，主频从2.4G 到2.8G为主，制作工艺以45nm为主。

最初Core 2采用65nm制造工艺，核心时钟频率从 1.8GHz到3.0GHz，采用LGA775接口，支持 1066MHz到1333MHz前端总线，二级缓存为2M或 4M，支持硬件防病毒技术、节能省电技术和EM64T 等。2008年1月20日起，Core 2采用45nm制造工艺， 核心时钟频率从2.6GHz到3.33GHz，采用LGA775 接口，支持1333MHz前端总线，二级缓存为6M。
3. 缓存
在计算机存储系统的层次结构中，介于中央处理器和 主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一 起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之 间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。目前技术 发展到二级三级缓存，每级缓存比前一级缓存速度慢 且容量大。 缓存容量大小直接影响CPU与外界的数据通讯，因 此缓存越大，可以表明CPU数据传输能力越强，同 时价格也越高。