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计算机的核心CPU.ppt
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1、第2课 CPU江苏建筑学院 韩.本课要点CPU的发展CPU的性能指标主流CPU产品CPU的选购.具体要求了解CPU的发展掌握CPU的性能指标了解Intel公司的CPU产品掌握CPU的选购方法掌握识别CPU的方法.2.1 CPU概述 CPU是中央处理器(Central Processing Unit)的缩写。CPU是计算机的控制和运算核心,其主要功能是执行指令、处理软件中的数据信息,它是计算机的核心部件,任何一台计算机的运行都离不开CPU。.1 CPU的作用 CPU是数据处理和程序执行的核心。其主要作用有:执行指令算术运算和逻辑运算数据存储、传送控制I/O(输入/输出)操作.2 CPU的物理结构
2、CPU的内部结构控制单元 运算单元存储单元.3 CPU的工作原理CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据,按指令操作码的规定,对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。.CPU的工作原理 CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令),经过物资分配部门(控制单元)的调度分配,被送往生产线(逻辑运算单元),生产出成品(处理后的数据)后,再存储在仓库(存储单元)中,最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。.2.2 CPU的性能指标 CPU的性能高低影响整台计算机系统处理数据的速度,下面将介绍一些和CPU相关的性能指标。影响Cpu性能参数主要有 CPU的主频核心数缓
3、存容量制造工艺等.1 CPU的频率 主频:是指计算机运行时的工作频率,也叫做CPU的时钟频率或核心频率,CPU的频率表示CPU内部数字脉冲信号振荡的速度,代表了CPU的实际运算速度,单位是GHz。CPU的频率越高,CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多,CPU的运算速度也就越快。CPU 主频外频倍频。.2在CPU不断快速的取指令,执行指令和处理数据时,由于数据转移和cpu处理的时差,可能会出现混乱的情况,因此需要一个时钟来控制cpu的每一个动作。时钟就像一个节拍器不停地发出时钟脉冲来控制cpu的步调,这种时钟脉冲振荡的频率就是cpu的主频。时钟频率,类似人类的心跳1Hz 一秒钟跳动一个
4、周期 一个人的心跳每分钟60次,那么心跳的频率就是1Hz.外频 外频即CPU的基准频率,单位是MHz。是CPU与主板之间同步运行的速度。外频速度高,CPU就可以同时接收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。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。在台式机中,所说的超频,都是超CPU的外频.倍频 倍频是CPU运行频率与系统外频之间差距的参数,也称为倍频系数,通常简称为倍频。在相同的外频下,倍频越高,CPU的频率就越高。CPU 主频外频倍频。.2 CPU的位和字长 在计算机中是以二进制进行数据的处理和运算的,数据的组成代码是“0”和“1”。在计算机中把这样的一个代码叫1位(bit
5、),如十进制数8换算成二进制数就是1000,其在计算机中被认为是4位。但是由于位的单位太小,于是把每8位称为一个字节(Byte),即1字节8位(1Byte8bit)。在计算机技术中,对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为32位数据的CPU通常就叫32位的CPU,同理,64位的CPU就能在单位时间内处理字长为64位的二进制数据。.4 CPU的缓存Cache 缓存(Cache)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。当CPU要读取数据时,首先会在缓存中寻找,如果找到了则直接从缓存中读取,如果在缓存中未能找到,CPU才会从主内存中读取数
6、据。CPU缓存一般分为L1 Cache、L2 Cache和 L3 Cache。CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运行,工作效率远远大于系统内存和硬盘。.L1高速缓存L1高速缓存(也称为一级高速缓存、L1 Cache)L1Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存,分为数据缓存和指令缓存。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。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。.L2高速缓存 L2高速缓存(也称为二级高速缓存、L2 Cache)的容量和频率对CPU
7、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。目前CPU的L2高速缓存有低至512KB,也有高达8MB的。.L3CacheL3Cache(三级缓存),分为两种,早期的是外置,现在的都是内置的。而它的实际作用即是,L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟,同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。.2.3 CPU的架构封装等1 CPU的核心核心(Die)又称为内核,是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心,CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构,一级缓
8、存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等。为了便于CPU设计、生产、销售的管理,CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号,这也就是所谓的CPU核心类型。例如,Intel酷睿处理器的核心代号有二代酷睿Sandy Bridge、四代Haswell、六代Skylake。Skylake核心架构.CPU的架构是指CPU采用的生产工艺,就是CPU内部结构,换句话说就是内部晶体管的排列方式,不同的微架构有不同的排列方式。,.2 CPU的接口CPU的接口(针脚)是指CPU与主板之间的连接方式,CPU的接口根据CPU的核心的不同而不同,CPU诞生初期是直接焊接在主板上的,后来逐渐独立出来,也就有了各式
9、各样的接口(针脚)。目前Intel CPU常见的接口有:LGA1156、LGA1155、LGA1151。高端市场:LGA1366和LGA2011.LGA全称是Land Grid Array,直译过来就是栅格阵列封装,与英特尔处理器之前的封装技术Socket 478相对应,它也被称为Socket T。主要在于它用金属触点式封装取代了以往的针状插脚。而LGA1151,顾名思义,就是有1151个触点。Socket 478LGA1150 和LGA1151所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例,我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌,而是CPU
10、内核等元件经过封装后的产品。.3 CPU的制造工艺(制程技术)制造工艺CPU制造工艺是指IC内电路与电路之间的距离。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。CPU的制造工艺直接关系到CPU的电气性能。线路宽度越小,CPU的功耗和发热量就越低,并可以工作在更高的频率下。目前Intel的主流产品的制造工艺技术已经达到14nm微米级别。.4 热功耗TDPTDP的英文全称是“Thermal Design Power”,中文直译是“散热设计功耗”。主要是提供给计算机系统厂商,散热片/风扇厂商,以及机箱厂商等等进行系统设计时使用的。一般TDP主要应用于
11、CPU,CPUTDP值对应系列CPU 的最终版本在满负荷(CPU 利用率为100%的理论上)可能会达到的最高散热热量,散热器必须保证在处理器TDP最大的时候,处理器的温度仍然在设计范围之内。注意:由于CPU的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中,这样CPU的实际功耗(其值:功率P=电流I电压U)也会不断变化,因此TDP值并不等同于CPU的实际功耗,更没有算术关系。举例来说,Pentium E2160 TDP为65W,而实际运行中的平均功耗仅19W。.2.4 处理技术1 超线程超线程(Hyper-Threading,简写为HT)是Intel为Pentium 4专门设计的一项技术。超线程是一种同步
12、多线程执行技术,一款应用超线程技术的Intel CPU可在逻辑上被模拟成两个CPU,这样CPU可以充分利用空闲资源同时处理两个任务集,从而在相同时间内完成更多任务。双核心可以理解为两个“物理”处理器;而超线程只是两个“逻辑”的处理器.2 流水线流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成56步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水,即指令预取、译码、执行、写回结果.3
13、 超标量超标量超标量(superscalar)在一个时钟周期内,CPU可以执行一个以上的指令。超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理,其实质是以空间换取时间。.4 APUAPU(Accelerated Processing Unit)中文名字叫加速处理器,是AMD融聚理念的产品,它第一次将处理器和独显核心做在一个晶片上,它同时具有高性能处理器和最新独立显卡的处理性能,支持DX11游戏和最新应用的“加速运算”,大幅提升电脑运行效率,实现了CPU与GPU真正的融合。.8 CPU的指令集 指令集是CPU用来计算和控制系统的命令,是与硬件电路相配合的一系列的指令。指令集对提高CPU的效率具有重要
14、的作用,是CPU性能的重要指标之一,目前指令集有Intel公司的MMX,SSE,SSE2,SSE3、sse4 EM64T和AMD主要是x86,x86-64,3D-Now!指令集判断CPU是否是64位:Intel EM64T AMD x86-64双核及以上CPU都是支持64位.MMX 是MultiMedia eXtensions(多媒体扩展)的缩写。MMX技术是在CPU中加入了特地为视频信号(Video Signal),音频信号(Audio Signal)以及图像处理(Graphical Manipulation)而设计的57条指令,因此,MMX CPU极大地提高了电脑的多媒体(如立体声、视频、
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