第03讲 计算机系统维护_第3章中央处理器CPU

–一般被称作“二级缓存”或“外置Cache”，比内置Cache容 量大些
• Pentium二代CPU内部
–集成了一级缓存和二级缓存 –那时主板上的Cache就只能叫作"三级缓存"了。
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L1高速缓存
• CPU数据
– – – – 马上要用的放在L1 次要的放在L2 再次要的放在内存里 暂时不用的存在硬盘等其他存储器了
– 双核处理器是指在一个处理器上集成两个运 算核心，从而提高计算能力。
• 为什么使用Cache
–由于CPU的信息处理速度常常超过其它部件的信息 传递速度， –所以使用一般的DRAM来作为信息存储器常常使CPU 处于等待状态，造成资源的浪费。 12
高速缓存Cache
• 在操作系统启动以后
–CPU就把DRAM中经常被调用的一些系统信息暂时储存在Cache –以后当CPU需要调用这些信息时
• 其L2高速缓存都是和CPU同速运行的
• 除了速度以外
–L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好
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指令特殊扩展技术
• 最简单的计算机
–指令序列能取得运算对象，并对它们执行计算 –对大多数计算机而言，
• 这些指令同时只能执行一次计算 • 如需完成一些并行操作，就要连续执行多次计算。 • 此类计算机采用的是“单指令单数据”（SISD）处理器
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高速缓存Cache
• Cache
–英文原意是“储藏” –一般使用SRAM，它与CPU之间交换数据的速度高于 DRAM，所以被称作“高速缓冲存储器”，简称为 “高速缓存”。
• SRAM：Static Random Access Memory • DRAM ：Dynamic random access memory
–Pentium4 CPU
• 总线位数
–内部数据线为32位 –外部地址线是32位 –外部数据线为64位
• 字长
6 –32位，所以Pentium4还是32位处理器，而不能称为64位处理器。
CPU主频、外频、FSB频率
• CPU主频
–CPU的工作频率或CPU内部总线频率 –CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运 行频率，也就是CPU自身工作频率。
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超线程技术注意点
• 含有超线程技术的CPU需要
–芯片组 –软件支持
• 操作系统如
–Microsoft Windows XP –Microsoft Windows 2003 –Linux kernel 2.4.x以后的版本也支持超线程技术
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双核处理器
• 双核处理器(Dual Core Processor)
–先进的制造工艺会在CPU内部集成更多的晶体管，使处理器 实现更多的功能和更高的性能 –先进的制造工艺会使处理器的核心面积进一步减小，也就是 说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的CPU产品，直接降 低了CPU的产品成本，从而最终会降低CPU的销售价格使广大 消费者得利 –先进的制造工艺还会减少处理器的功耗，从而减少其发热量， 解决处理器性能提升的障碍 –处理器自身的发展历史也充分的说明了这一点
• 超线程技术
–在CPU中加入两个逻辑处理单元 –利用特殊的硬件指令 –把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片 –让单个处理器都能使用线程级并行计算 –进而兼容多线程操作系统和软件 –减少了CPU的闲置时间 –提高CPU的运行效率
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超线程技术图示
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不支持超线程技术的单核心处理器
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支持超线程的单核心CPU
• 很多人认为主频就决定着CPU的运行速度，这不仅是 个片面的，而且对于服务器来讲，这个认识也出现 了偏差。 • 至今，没有一条确定的公式能够实现主频和实际的 运算速度两者之间的数值关系，即使是两大处理器 厂家Intel和AMD，在这点上也存在着很大的争议， 我们从Intel的产品的发展趋势，可以看出Intel很 注重加强自身主频的发展。像其他的处理器厂家， 有人曾经拿过一快1G的全美达来做比较，它的运行 效率相当于2G的Intel处理器。
• CPU外频
–CPU从主板上获得的工作频率 –它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的基准 时钟频率，也就是主板的工作频率。
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CPU主频
• CPU主频
–也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。 –CPU的主频＝外频×倍频系数。
• 3.5GHz的P4倍频系数= 3.5GHz/133MHz=26.1
前端总线(FSB)频率
• 前端总线(FSB)频率(即总线频率)
–直接影响CPU与内存直接数据交换速度
• 公式
–数据带宽＝(总线频率×数据带宽)/8， –数据传输最大带宽取决于所有同时
• 传输的数据的宽度 • 传输频率
–比方
• 现在的支持64位的至强Nocona
–前端总线是800MHz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4GB/ 秒。 10
• 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纳米一直发展到目前最新的65纳米。
–下一代CPU的发展目标
• 而45纳米和30纳米的制造工艺将是下一代CPU的发展目标
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CPU的生产工艺
• 提高处理器的制造工艺具有重大的意义
• L1高速缓存
– 一级高速缓存
• 在CPU里面内置高速缓存
– 可以提高CPU的运行效率
• 内置的L1高速缓存的容量和结构
– 对CPU的性能影响较大
• 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
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L2高速缓存
• L2高速缓存
–指CPU第二层的高速缓存
• 第一个采用L2高速缓存
–奔腾Pro处理器
• 它的L2高速缓存和CPU运行在相同频率下
–但成本昂贵，市场生命很短
–其后奔腾 II的L2高速缓存运行在相当于CPU频率一半
• 接下来采用L2高速缓存
–Celeron处理器又使用了和CPU同速运行的L2高速缓存 –现在流行的CPU，无论是AthlonXP和奔腾4
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笔记本电源设定例
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笔记本电源设定例
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笔记本电源设定例
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CPU的生产工艺
• CPU的“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。
• 生产的精度
–单位
• 微米μ m（长度单位，1微米等于千分之一毫米） • 纳米nm（长度单位， 1纳米等于千分之一微米）
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几种不同频率的移动型PⅢ在标准状 态和电池供电状态下的参数对比
标准模式 电池模式 600mhz
650mhz 700mhz 750mhz 800mhz 850mhz 电压/ 标准 电压/ 电池
最大功耗/标准 20.0
21.5 23.0 24.6 25.9 27.5
最大功耗/电池 12.2
12.2 13.2 14.4 15.1 16.1
• 首先到Cache里去找，如果找到了，就直接从Cache里读取，这样利用 Cache的高速性能就可以节省很多时间。
• 大多数CPU在自身中集成了一定量的Cache
–一般被称作“一级缓存”或“内置Cache” –这部分存储器与CPU的信息交换速度是最快的，但容量较小。
• 大多数主板上也集成了Cache
外频与前端总线(FSB)频率的区别
• 外频与前端总线(FSB)频率的区别
–前端总线的速度指的是数据传输的速度 –外频是CPU与主板之间同步运行的速度
• 具体说明
–100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次 –100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是 100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。
• 先进的制造工艺使CPU的性能和功能一直增强 • 而价格则一直下滑，也使得电脑从以前大多数人可望而不可及的奢侈 品变成了现在所有人的日常消费品和生活必需品。
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超线程技术
• 超线程 ：Hyper-Threading，简称“HT” • 超线程技术起因
–CPU生产商为了提高CPU的性能，通常做法是提高CPU的时 钟频率和增加缓存容量。 –不过目前CPU的频率越来越快，如果再通过提升CPU频率和 增加缓存的方法来提高性能，往往会受到制造工艺上的限 制以及成本过高的制约。
计算机系统维护
白乐强
第三章 中央处理器CPU
• 中央处理器
– 电子计算机的主要设备之一 – 功能主要是
• 解释计算机指令 • 处理计算机软件中的数据
• 本章内容
–3.1 –3.2 –3.3 –3.4 –3.5
• 作业
CPU主要技术 处理器发展历程（自学） CPU选购与辩别 关于超频问题 CPU故障分析与排除
–寄储器
• 暂时存放运算的中间结果和数据
• CPU工作原理： CPU→大脑
–三部分协调工作进行分析，判断，运算和控制
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3.1 CPU主要技术
• CPU主要技术与选购计算机关系
–CPU主要技术→CPU性能
• CPU性能→计算机系统性能
–根据CPU主要技术→选购计算机
• 本节内容
–字长或位数 –CPU主频、外频、FSB频率 –高速缓存Cache –指令特殊扩展技术 –移动型CPU节能技术 –CPU的生产工艺 –超线程技术 –其他技术（自学）
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500mhz
500mhz 550mhz 600mhz 650mhz 700mhz
1.60
1.60 1.60 1.60 1.60 1.60
1.35
1.35 1.35 1.35 1.35 1.35
笔记本电源设定例
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笔记本电源设定例
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笔记本电源设定例
23
笔记本电源设定例
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笔记本电源设定例
– P61 1 – 思考题：什么是CPU多线程技术？ – CPU高速缓存有什么作用？
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第三章 中央处理器CPU
• CPU
–英文：Central Processing Unit –中文：中央处理器
• CPU构成：三部分
–运算器
• 算数和逻辑运算
–控制器
• 指挥中心
–控制运算器及其他部件工作，指令分析和控制
• QuickStart技术
–和SpeedStep有所不同 –和现在流行于台式机系统的CPU降温软件如 WaterFall、SoftCooler等有一些相似 –主要是通过检测CPU的工作负荷
• 当CPU处于空闲状态时
–就把CPU置于休眠状态，到需要时再迅速恢复工作状态。
• 处于休眠状态的CPU功耗
–甚至能低到0.5W。
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CPU外频
• 外频
–CPU的基准ห้องสมุดไป่ตู้率，单位也是MHz。 –CPU的外频决定着整块主板的运行速度
• 台式机中
–超频，都是超CPU的外频 （一般情况下，CPU的倍频都是被锁住的）
• 对于服务器CPU来讲
–超频是绝对不允许的 –CPU决定着主板的运行速度，两者是同步运行的。 –如果把服务器CPU超频了，改变了外频，会产生异步运行， （台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务 器系统的不稳定。 9
–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，CPU的功耗也越小。 29
CPU的生产工艺
• 制造工艺的趋势
–向密集度高的方向发展
• 密度高的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， 使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗 降低，器件性能得到提高。
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Intel的SpeedStep
• 通过识别CPU的供电状态
–对CPU的运行频率和电压进行适当调整
• 当笔记本计算机是使用外接电源适配器供电时
–CPU就工作在标准的电压和频率之下
• 而当计算机使用内置的电池供电时
–CPU的主频和电压就会自动地降低。
Intel的Mobile PⅢCPU
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Intel的QuickStart技术
• 扩展指令
–指CPU是否具有对X86指令集进行指令扩展而言。
• 扩展指令中最早出现的是Intel公司自己的“MMX” • 其次是AMD公司的“3D Now!” • Pentium III中的“SSE”及PⅣ中的“SSE2”
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移动型CPU节能技术
• Intel的SpeedStep • Intel的QuickStart技术
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字长或位数
• 字长
–通常是指CPU内部数据总线宽度或位数
• CPU数据总线分类
–内部数据线
• CPU内部
–外部数据线
• CPU与内存间
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字长或位数
•例
–8088的CPU
• 总线位数
–内部数据线为16位 –外部数据线为8位
• 字长
–16位，仍是16位处理器 –只不过是CPU与内存交换数据时是按8位方式传送数据的。