cpu综述

CPU综述

在看本文以前，请各位先熟悉一下有关术语，这对于深入理解文 章含义有极大帮助 CPU BGA(Ball Grid Array，球状矩阵排列) CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体 CISC(Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算机) COB(Cache on board，板上集成缓存) COD(Cache on Die，芯片内集成缓存) CPGA(Ceramic Pin Grid Array，陶瓷针型栅格阵列) CPU：Center Processing Unit，中央处理器 EC(Embedded Controller，微型控制器) FEMMS：Fast Entry/Exit Multimedia State，快速进入/退出多媒体状态 FIFO：First Input First Output，先入先出队列 FPU：Float Point Unit，浮点运算单元 HL-PBGA: 表面黏著,高耐热、轻薄型塑胶球状矩阵封装 IA：Intel Architecture，英特尔架构 ID：identify，鉴别号码 IMM: Intel Mobile Module, 英特尔移动模块 KNI(Katmai New Instructions，Katmai新指令集，即MMX2) MMX：MultiMedia Extensions，多媒体扩展指令集 NI：Non－Intel，非英特尔 PGA: Pin-Grid Array(引脚网格阵列),耗电大 PSN(Processor Serial numbers，处理器序列号) PIB: Processor In a Box(盒装处理器) PPGA(Plastic Pin Grid Array，塑胶针状矩阵封装) PQFP(Plastic Quad Flat Package) RISC(Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机) SEC: Single Edge Connector，单边连接器 SIMD：Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流 SiO2F(Fluorided Silicon Oxide，二氧氟化硅) SOI: Silicon-on-insulator，绝缘体硅片 SSE(Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩充) TCP: Tape Carrier Package(薄膜封装),发热小 TLBs(Translate Look side Buffers，翻译旁视缓冲器) VLIW(Very Long Instruction Word，超长指令字) WHQL: Microsoft Windows Hardware Quality Lab(微软公司视窗硬件质量实验室) 经常会碰见一些刚刚接触到电脑的朋友，他们也常常问我：一部电脑里面最重要的 部件是什么呢？当我遇到这些问题的时候，只能够有一个答案：那就是电脑的“芯”棗 CPU。相信懂得电脑的朋友都不会反对我这个答案吧。为什么？就因为电脑几乎所有的处 理工作，都是通过CPU来完成的，没有CPU，一部“曾经”完整的电脑比起一个空空的铁 箱子来说也强不到哪里去。CPU的概念其实是非常广泛的，不过我们今天经常挂在嘴头上 面的这个CPU，一般都是指微型机、小型机专用的中央处理器。那么CPU究竟是怎么出现 的呢？经过这么多年的发展，现在的CPU市场究竟成了什么样呢？21世纪眼看就要到了， 未来CPU将会是一个什么样子呢？别急，等我慢慢来向大家阐述一下。

CPU的概念与重要性能指标 在向大家介绍CPU详细的情形之前，务必要让大家弄清楚到底CPU是什么？它到底有 那些重要的性能指标呢？ CPU的英文全称是Central Processing Unit，我们翻译成中文也就是中央处理器。 CPU（微型机系统）从雏形出现到发壮大的今天（下文会有交代），由于制造技术的越来 越现今，在其中所集成的电子元件也越来越多，上万个，甚至是上百万个微型的晶体管 构成了CPU的内部结构。那么这上百万个晶体管是如何工作的呢？看上去似乎很深奥，其 实只要归纳起来稍加分析就会一目了然的，CPU的内部结构可分为控制单元，逻辑单元和 存储单元三大部分。而CPU的工作原理就象一个工厂对产品的加工过程：进入工厂的原料 （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（存储器）中，最后等着拿到市场 上去卖（交由应用程序使用）。 CPU作为是整个微机系统的核心，它往往是各种档次微 机的代名词，如往日的286、386、486，到今日的奔腾、奔腾二、K6等等，CPU的性能大 致上也就反映出了它所配置的那部微机的性能，因此它的性能指标十分重要。在这里我 们向大家简单介绍一些CPU主要的性能指标： 第一、主频，倍频，外频。经常听别人说：“这个CPU的频率是多少多少。。。。” 其实这个泛指的频率是指CPU的主频，主频也就是CPU的时钟频率，英文全称：CPU Cloc k Speed，简单地说也就是CPU运算时的工作频率。一般说来，主频越高，一个时钟周期 里面完成的指令数也越多，当然CPU的速度也就越快了。不过由于各种各样的CPU它们的 内部结构也不尽相同，所以并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。至于外频就是 系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。三者是有十分密切的关 系的：主频=外频x倍频。 第二：内存总线速度，英文全称是Memory-Bus Speed。CPU处理的数据是从哪里来的 呢？学过一点计算机基本原理的朋友们都会清楚，是从主存储器那里来的，而主存储器 指的就是我们平常所说的内存了。一般我们放在外存（磁盘或者各种存储介质）上面的 资料都要通过内存，再进入CPU进行处理的。所以与内存之间的通道棗内存总线的速度对 整个系统性能就显得很重要了，由于内存和CPU之间的运行速度或多或少会有差异，因此 便出现了二级缓存，来协调两者之间的差异，而内存总线速度就是指CPU与二级(L2)高速 缓存和内存之间的通信速度。 第三、扩展总线速度，英文全称是Expansion-Bus Speed。扩展总线指的就是指安装 在微机系统上的局部总线如VESA或PCI总线，我们打开电脑的时候会看见一些插槽般的东 西，这些就是扩展槽，而扩展总线就是CPU联系这些外部设备的桥梁。 第四：工作电压，英文全称是：Supply Voltage。任何电器在工作的时候都需要电 ，自然也会有额定的电压，CPU当然也不例外了，工作电压指的也就是CPU正常工作所需 的电压。早期CPU（286棗486时代）的工作电压一般为5V，那是因为当时的制造工艺相对 落后，以致于CPU的发热量太大，弄得寿命减短。随着CPU的制造工艺与主频的提高，近 年来各种CPU的工作电压有逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题。 第五：地址总线宽度。地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间，简单地说 就是CPU到底能够使用多大容量的内存。16位的微机我们就不用说了，但是对于386以上 的微机系统，地址线的宽度为32位，最多可以直接访问4096 MB（4GB）的物理空间。而 今天能够用上1GB内存的人还没有多少个呢（服务器除外）。 第六：数据总线宽度。数据总线负责整个系统的数据流量的大小，而数据总线宽度 则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。 第七：协处理器。在486以前的CPU里面，是没有内置协处理器的。由于协处理器主 要的功能就是负责浮点运算，因此386、286、8088等等微机CPU的浮点运算性能都相当落 后，相信接触过386的朋友都知道主板上可以另外加一个外置协处理器，其目的就是为了 增强浮点运算的功能。自从486以后，CPU一般都内置了协处理器，协处理器的功能也不 再局限于增强浮点运算，含有内置协处理器的CPU，可以加快特定类型的数值计算，某些 需要进行复杂计算的软件系统，如高版本的AUTO CAD就需要协处理器支持。 第八：超标量。超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。这在4 86或者以前的CPU上是很难想象的，只有Pentium级以上CPU才具有这种超标量结构；486 以下的CPU属于低标量结构，即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时 钟周期。 第九：L1高速缓存，也就是我们经常说的一级高速缓存。在CPU里面内置了高速缓存 可以提高CPU的运行效率，这也正是486DLC比386DX-40快的原因。内置的L1高速缓存的容 量和结构对CPU的性能影响较大，容量越大，性能也相对会提高不少，所以这也正是一些 公司力争加大L1级高速缓冲存储器容量的原因。不过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。

第十：采用回写(Write Back)结构的高速缓存。它对读和写操作均有效，速度较快 。而采用写通(Write-through)结构的高速缓存，仅对读操作有效. 第十一：动态处理。动态处理是应用在高能奔腾处理器中的新技术，创造性地把三 项专为提高处理器对数据的操作效率而设计的技术融合在一起。这三项技术是多路分流