第2章 中央处理器CPU

第二章中央处理器CPU

学习目标

通过本章的学习能够识记CPU的结构组成、性能指标和封装方式，了解新一代CPU的接口类型和主流CPU产品，掌握CPU的选购，为CPU的性能测试、CPU常见故障处理建立基础。

知识要点

（1）CPU的基础知识。

（2）CPU的接口类型。

（3）CPU的主流产品介绍。

（4）CPU的选购。

第一节CPU的基础知识

CPU（Central Processing Unit）即中央处理器，它的内部是由几十万（Intel 80386）到几百万个（Intel Pentium）晶体管组成的大规模集成电路，其中包括运算器、寄存器、控制器、总线等。CPU 是整个计算机系统的核心，主要负责整个系统指令的执行、数据的算术与逻辑运算、数据传送以及输入输出的控制。CPU的结构十分复杂，在介绍CPU之前应该先了解一些关于CPU的基本概念和相关知识。

一、CPU的内部结构

CPU其实就是一块超大规模集成电路的硅晶片。它的内部是由几十万甚至上千万个晶体管元件组成的电路，其内部结构主要有控制单元、算术逻辑单元和存储单元三大部分。CPU的工作过程为调入指令，经过控制单元的调度分配，再送入算术逻辑单元进行处理，处理后的数据存入存储器中，最后由应用程序使用。

1．控制单元

控制单元是由指令寄存器、指令译码器和操作控制器3个部件组成，是整个CPU的控制中心。控制单元主要负责向计算机其他设备发送控制信息，以此来指挥计算机各个部分自动、协调地进行各种工作。

4．CPU的缓存

由于CPU的速度发展很快，而内存远远跟不上，为了解决CPU处理速度过快而内存速度过慢的矛盾，现代计算机的CPU都采用了高速缓冲存储器（Cache），简称CPU缓存。缓存CPU与内存之间拥有临时的、高速的数据存储空间，大大减轻了内存对CPU性能的制约。典型的CPU缓存结构都是由一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache）组成，部分高端CPU还具有三级缓存（L3 Cache）。

L1 Cache又分为一级指令缓存和一级数据缓存两部分。一级指令缓存的作用是暂时存储并向CPU的控制器递交操作所需的原始指令，CPU控制器再进行译码分析执行操作。一级数据缓存的作用是暂时存储并向CPU的运算器递交操作所需的原始数据，以供CPU运算器进行运算。一级缓存大小对CPU的性能有着很大的影响。

由于L1 Cache的容量有限，不能为CPU暂时存储所有的原始指令及数据，因此又增加了二级缓存——L2 Cache。L2 Cache的作用是用于暂时存储那些CPU即时操作所需要的，但是L1 Cache 中又没有存储的数据。不过L2 Cache仅仅暂时存储原始数据，而原始指令只由一级指令缓存来存储。

由于L2 Cache是CPU晶体管总数中占得最多的一个部分，高容量的L2 Cache成本相当高。所以Intel和AMD都是以L2 Cache容量的差异作为高端和低端产品的分界标准。

5．指令系统

CPU是靠执行指令来计算和控制系统的，每种CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相匹配的指令系统。指令系统功能的强弱是CPU的重要指标。

（1）MMX指令集：MMX（Multi Media Extension，多媒体扩展）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令扩展技术。MMX指令集中包括57种多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的优势在于当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改，便可以轻松地执行MMX程序。

（2）SSE指令集：SSE（Steaming SIMD Extension，单指令多数据流扩展）指令集是Intel公司在Pentium II处理器中率先推出的。SSE指令集包括70条指令，包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点处理、3D运算、视频处理、音频处理等多媒体应用起到全面强化的作用。

SSE2是Intel公司在P4中所采用的指令集，提供144条多媒体指令，侧重于支持DVD播放、音频、3D图形数据和网络数据流处理方面。而P4（Prescott核心）处理器在SSE2指令集的基础上增加了13条新指令，包含一条专门针对视频解码的指令和两条针对线程处理的指令，其他10条指令则用于支持复杂的运算，如浮点转整数、单指令多数据流的浮点运算等。

（3）3DNow！指令集：3DNow！指令集是由AMD公司在SSE指令集之前开发的，并被AMD 广泛应用于其K6-2，K6-3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow！指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集，主要针对三维建模、坐标变换、效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。

（4）x86-64指令集。x86-64指令集是Athlon 64等64位处理器所采用的64位指令集，这种64位的处理器要求系统、软件都支持64位指令集。x86-64是64位处理器与操作系统、应用软件沟通的神经中枢，正是通过该指令集，64位处理器才能真正发挥作用。

形式也不断发生变化。芯片的封装从DIP ，QFP ，PGA ，BGA ，CSP 到MCM 等经历了不断的改进，使得封装面积与芯片面积越来越小，可靠性越来越高，安装越来越方便。下面对各种不同的封装做简单介绍。

1．DIP 封装

DIP （Dual In-line Package ，双列直插式封装）是20世纪70年代中小规模集成电路主流封装。它们的引脚直立在矩形集成电路的两个长边上，通常为8～40脚。当时主要有多层陶瓷双列直插式DIP ，单层陶瓷双列直插式DIP ，引线框架式DIP 等。由于其封装度很低，占去了很多有效的安装面积，所以它的性能很差。例如Intel 公司当时的4004，8086，80286，如图2.1.1所示为Intel 公司的第一代处理器4004。

2．PQFP 封装

PQFP （Plastic Quad Flat Package ，塑料四方扁平封装）是20世纪80年代大规模集成电路封装技术，引脚由方形集成电路的四边引出扁平封装PQFP 。它有208根I/O 引脚，0.5 mm 的焊区中心距和28 mm ×28 mm 大小的外形，使其封装度大大提高，适应了高频的需要。例如当时的Intel 80286，它

也是当时的最后一款16位的处理器，如图2.1.2所示。

图2.1.1 DIP 封装的Intel 4004处理器 图2.1.2 PQFP 封装的Intel 80286处理器

3．CPGA 封装

20世纪90年代以后，半导体技术越来越成熟，人类对半导体硅的开发达到了前所未有的深度，单位面积中的晶体管集成度进一步提高。为了适应高度发展的要求，人们在原有的封装基础上，又加入了球栅阵列封装，即BGA ，这样减小了I/O 引脚间距，提高了组装成品率，缩短了信号的延迟，有利于频率的进一步提升。

后来，工程师们又对BGA 进行了改良，用针脚代替了焊球，并在外壳上加上小风扇，使CPU 更稳定地工作，也就是现在常见的封装方式——CPGA 封装。

Intel Pentium II 和部分Pentium III 在一个暂短的时间里，采用了一种类似于现在的PCI 板卡的插

拔封装形式，不过那只是一个很短的时期。Pentium II 处理器如图2.1.3所示。

图2.1.3 插拔式Pentium II 处理器