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第 2 章 CPU

第 2 章 CPU. 2.1 概述. 2.1.1 CPU 基本组成 1 、 CPU 的功能单元 控制单元：指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑 运算单元： ALU 、寄存器组、状态寄存器 存储单元 逻辑电路. 2 、 CPU 的物理结构 内核 基板 针脚. 2.1.2 CPU 的发展历程. 第一阶段： 1971 — 1973 年，微处理器有 4004 、 4040 、 8008 、 1971 年 INTEL 公司研制出 MCS-4 微型计算机，（ CPU 为 4040 ，四位机）后来推出从 8008 为核心的 MCS-8 型。

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第 2 章 CPU

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  1. 第2章 CPU

  2. 2.1 概述 2.1.1 CPU基本组成 1、CPU的功能单元 • 控制单元：指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑 • 运算单元：ALU、寄存器组、状态寄存器 • 存储单元 • 逻辑电路

  3. 2、CPU的物理结构 • 内核 • 基板 • 针脚

  4. 2.1.2 CPU的发展历程 • 第一阶段：1971—1973年，微处理器有4004、4040、8008、1971年INTEL公司研制出MCS-4微型计算机，（CPU为4040，四位机）后来推出从8008为核心的MCS-8型。 • 第二阶段：1973—1977年，微型计算机的发展和改进阶段，微处理器有8080、8085、M6800、280、初期产品有INTEL公司的MCS-80型（CPU为8080，八位机）后期有TRS-80型（CPU为286）和APPLE-II型（CPU为6502）的微型计算机在八十年代初期曾一度风靡世界。 • 第三阶段：是从1978—1983年，十六位微型计算机的发展阶段，微处理器8086、8088、80186、80286、M68000、28000代表产品IBM-PC（CPU为8086），本阶段的顶峰产品是APPLE公司的MACINTOSH（1984年）和IBM公司的PC/AT286（1986年）微机。 • 第四阶段：是从1983—2003年，为32位微型计算机的发展阶段，微处理器相继推出80386、80486、386、486、Pentium等。 • 第五阶段：2003年至今，为64位微型计算机发展阶段。

  5. （1）第1代CPU； 时间：1971—1973 字长：4—8位 速度：1MHz 集成：2300个 典型代表： Intel 4004 1971年 （2）第2代CPU； 时间：1973—1975 字长：8位 速度：2MHz 集成：5000个 典型代表： Intel 8080、M6800、Z80（Zilog）

  6. （3）第3代CPU； 时间：1975—1977 字长：8位 速度：2.5—5MHz 集成：1万个 典型代表：Intel8085 （4）第4代CPU； 时间：1978—1980 字长：16位 速度：5—10MHz 集成：3万个 典型代表：Intel8086（带有FPU8087 X86指令集） 1981年，IBM用Intel8088生产了世界上第一台PC机。

  7. （5）第5代CPU； 时间：1981—1995 字长：16—32位 速度：16—233MHz 集成：12—310万个 典型代表：Pentium （6）第6代CPU； 时间：1995—2006 字长：32—64位 速度：233—3800MHz 集成：550—12500万个 典型代表：Prescott

  8. （7）第7代CPU； 时间：2006— 字长：64位 速度：1—3GHz 集成：1亿个以上 典型代表：Core 2 duo、Athlon 64

  9. 2.1.3 Intel公司的CPU (www.intel.com) （1）Pentium时代； 　　代号:P54C 　　发布时间:1993 年 　　核心频率:60 ～200MHz 　　总线频率:50 ～66MHz 　　工作电压:3.3V 　　制造工艺:0.8 ～0.35 μm 　　晶体管数目:310 ～330 万个 　　芯片面积:191mm 2 　　缓存容量:16KB L1 Cache 　　指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元 　　接口类型:Socket 7

  10. （2）Pentium Pro； 代号:P6 　　发布时间:1995 年 　　核心频率:150 ～200MHz 　　总线频率:60 ～66MHz 　　工作电压:3.1V/3.3V 　　制造工艺:0.5 ～0.35 μm 　　晶体管数目:550 ～700 万个 　　芯片面积:196mm 2 　　缓存容量:16KB L1 Cache 、256KB/512KB/1MB L2 Cache 　　指令内置:x86指令集、x86译码器、80位浮点单元、分支预测功能 　　接口类型:Socket 8

  11. （3）Pentium MMX； 　　代号:P55C 　　发布时间:1997 年 　　核心频率:166 ～233MHz 　　总线频率:60 ～66MHz 　　内核电压:2.8V I/O 电压:3.3V 　　制造工艺:0.35 μm 　　晶体管数目:450 万个 　　芯片面积:128mm 2 　　缓存容量:32KB L1 Cache 　　指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元、M MX 多媒体指令集 　　接口类型:Socket 7

  12. （4）Pentium Ⅱ； 代号:Klamath、 Deschutes(1998 年上市) 　　核心频率:233 ～333MHz(66MHz 外频)、350 ～450MHz(100MHz 外频) 　　总线频率:66 ～100MHz 　　制造工艺:0.35(Klamath)/0.25(Deschutes)μm 　　核心电压:2.8V(Klamath)/2.0V(Deschutes) 　　晶体管数目:750 万个 　　芯片面积:130.9mm 2 　　缓存容量:32KB L1 Cache 、512KB L2 Cache 　　接口类型:Slot 1

  13. （5）Celeron(赛扬)； 　　代号:Covington 　　发布时间:1998 年 　　核心频率:266 ～300MHz 　　总线频率:66MHz 　　制造工艺:0.35 μm 　　晶体管数目:750 万个 　　芯片面积:153.9mm 2 　　缓存容量:32KB L1 Cache 　　接口类型:Slot 1

  14. Intel Celeron Mendocino(新赛扬) 　　代号:Mendocino 　　发布时间:1998 年 　　核心频率:300 ～533MHz 　　总线频率:66MHz 　　制造工艺:0.25 μm 　　晶体管数目:1900 万个 　　芯片面积:153.9mm 2 　　缓存容量:32KB L1 Cache 、128KB L2 Cache 　　接口类型:Slot 1 、Socket 370

  15. （6） 0.25微米的Pentium III； 代号:Katmai 发布时间:1999 年 核心频率:450MHz 以上 总线频率:100 ～133MHz CPU 核心电压:1.8V 制造工艺:0.25(Katmai) 晶体管数目: 2810万个 芯片面积:153.9mm 2 缓存容量:32KB L1 Cache 、512KB L2 Cache 指令内置:MMX 指令集和SSE 指令集 接口类型:Slot 1

  16. （7）0.18微米的Pentium III； 代号:Coppermine 发布时间:1999 年 核心频率:733MHz 以上 总线频率:100 ～133MHz CPU 核心电压:1.8V 制造工艺:0.18(Coppermine)μm 晶体管数目: 2810万个 芯片面积:153.9mm 2 缓存容量:32KB L1 Cache 、512KB L2 Cache 指令内置:MMX 指令集和SSE 指令集 接口类型:Socket 370

  17. （8）0.18微米的Pentium 4； 代号:Willamette 发布时间:2001 年 核心频率:1.4GHz 以上 总线频率:100 ～133MHz CPU 核心电压:1.7V 制造工艺:0.18μm 晶体管数目: 缓存容量:8KB L1 Cache 、256KB L2 Cache 指令内置:MMX 指令集和SSE、SSE2指令集 接口类型:Socket 423

  18. （10）0.13微米的Pentium 4； 代号:Northwood 发布时间:2001 年 核心频率:1.4GHz 以上 总线频率:100 ～133MHz FSB:400/533MHz CPU 核心电压:1.7V 制造工艺:0.18μm 晶体管数目: 4000万 缓存容量:8KB L1 Cache 、256KB L2 Cache 指令内置:MMX 指令集和SSE、SSE2指令集 接口类型:Socket 478

  19. （11）超线程的Pentium 4； 代号:Northwood 核心频率:2.0GHz 以上 总线频率:200MHz FSB:800MHz CPU 核心电压:1.5V 制造工艺:0.13μm 晶体管数目: 5500万个 缓存容量:20KB L1 Cache，512KB全速L2 Cache 指令内置:MMX 指令集和SSE、SSE2指令集 支持Hyper－Threading（超线程）技术 接口类型:Socket 478

  20. （12）0.09μm的Pentium 4； 代号:Prescott 核心频率:3.8GHz 总线频率:200MHz FSB:800MHz CPU 核心电压:1.4V 制造工艺:0.09μm 晶体管数目: 12500万个 缓存容量:28KB L1 Cache，1000KB全速L2 Cache 指令内置:MMX 指令集和SSE、SSE2、SSE3指令集 超线程技术；提供三级缓存接口；流水线管道长度达到了31级 接口类型:LGA 775 (sock-T)

  21. （13）Pentium D； 代号:Smithfield/Presler 核心数:双核心　　 主频:3.6GHz 总线频率:200MHz FSB:800MHz 核心电压:1.25-1.4V 制造工艺:0.09/0.065μm 晶体管数目: 2.3/3.8亿个 缓存容量:28/32KB L1 Cache，1MB*2/2MB*2 L2 Cache 指令内置:无超线程技术；EM64T；英特尔虚拟化技术；增强型英特尔 SpeedStep动态节能技术；英特尔病毒防护技术 接口类型:LGA 775

  22. （14）Core 2 duo； 代号:Allendale/Conroe/Kentsfield 核心数:双核心/四核心　　 主频:不超过3.0GHz 总线频率:200/266MHz FSB:800MHz/1066MHz 核心电压:0.85-1.35V 制造工艺:65nm 晶体管数目:1亿6700万/2亿9100万/5亿8200万 缓存容量:28/32KB L1 Cache，1MB*2/2MB*2/2MB*4 L2 Cache 指令内置:X86-64，SSSE3 接口类型:LGA 775

  23. （15）Pentium E； 代号:Allendale 核心数:双核心　　 主频:1.8GHz 总线频率:200MHz FSB:800MHz 核心电压:0.85-1.35V 制造工艺:65nm 晶体管数目: 缓存容量:32KB L1 Cache，512KB*2 L2 Cache 指令内置:X86-64，sup-SSE3 接口类型:LGA 775

  24. 2.1.4 CPU的性能指标 （1）主频、外频、倍频和前端总线(FSB) • 主频也叫工作频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率。 • 外频也就是常见特性表中所列的CPU总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率，而CPU的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。 • 主频=外频X倍频 • FSB（Front Side Bus）是CPU跟外界沟通的唯一通道，处理器必须通过它才能获得数据，也只能通过它来将运算结果传送出其他对应设备。 （2）字长 • 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。 （3）工作电压 （4）缓存（高速缓存） 由静态ram组成 • 一级缓存（L1 Cache） • 二级缓存（L2 Cache） （5）扩展指令集 （6）制造工艺 制造工艺直接关系到CPU的电气性能。而0.18微米、0.13微米这个尺度就是指的是CPU核心中线路的宽度。

  25. 2.1.4 CPU的封装方式与接口 1、封装 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内核等元件经过封装后的产品。 （1）封装的作用 • 密封保护 • 安放、固定 • 便于安装和运输 • 增强导热性能 • 与外部电路的桥梁 （2）封装时主要考虑的因素 目前采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来，能起着密封和提高芯片电热性能的作用。 • 芯片面积与封装面积之比尽量接近1:1。 • 引脚要尽量短以减少延迟 • 引脚间的距离尽量远 • 封装越薄越好

  26. （3）常见封装类型 • DIP封装（Dual In-line Package）双列直插式封装技术。 • PGA封装（Pin Grid Array）引脚网格阵列封装。 • BGA封装 （Ball Grid Array Package）球栅阵列封装技术。 • OPGA封装（Organic pin grid Array ）有机管脚阵列。AthlonXP • CPGA封装（Ceramic Pin Grid Array）陶瓷针形栅格阵列。Pentium MMX、K6-2 • S.E.C.C（Single Edge Contact Cartridge）单边接触卡盒式封装。PentiumⅡ • FC-PGA封装（Flip Chip Pin Grid Array）反转芯片针脚栅格阵列。 Pentium Ⅲ、Pentium Ⅳ（Socket 478） • mPGA封装（micro PGA）微型PGA封装。Athlon64、Xeon • PLGA封装（Plastic Land Grid Array）塑料焊盘栅格阵列封装。由于没有使用针脚，而是使用了细小的点式接口，所以PLGA封装明显比以前的FC-PGA2等封装具有更小的体积、更少的信号传输损失和更低的生产成本，可以有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率、降低生产成本。目前Intel公司Socket 775接口的CPU采用了此封装。

  27. 2、接口类型 • Socket A Socket A接口，也叫Socket 462，是目前AMD公司Athlon XP和Duron处理器的插座接口。 • Socket 423Socket 423插槽是最初Pentium 4处理器的标准接口。 • Socket 370 Socket 370架构是 “铜矿”和”图拉丁”系列CPU接口。 • SLOT 1 SLOT 1是英特尔公司为Pentium Ⅱ系列CPU设计的插槽，其将Pentium Ⅱ CPU及其相关控制电路、二级缓存都做在一块子卡上，目前此种接口已经被淘汰。 • SLOT A SLOT A供AMD公司的K7 Athlon使用的。

  28. Socket AM2具有940根CPU针脚。目前采用Socket AM2接口的有低端的Sempron、中端的Athlon 64、高端的Athlon 64 X2以及顶级的Athlon 64 FX等全系列AMD桌面CPU。 • Socket S1 Socket S1是2006年5月底发布的支持DDR2内存的AMD64位移动CPU的接口标准，具有638根CPU针脚。 • Socket F首先采用此接口的是Santa Rosa核心的LGA封装的Opteron。Socket F接口CPU的底部没有传统的针脚，而代之以1207个触点， • Socket 478　　最初的Socket 478接口是早期Pentium 4系列处理器所采用的接口类型，针脚数为478针。英特尔公司的Pentium 4系列和P4 赛扬系列都采用此接口，目前这种CPU已经逐步退出市场。 • Socket 775(LGA775)Socket 775又称为Socket T，是目前应用于Intel LGA775封装的CPU所对应的接口，目前采用此种接口的有LGA775封装的单核心的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D以及双核心的Pentium D和Pentium EE等CPU。

  29. Socket 754Socket 754是2003年9月AMD64位桌面平台最初发布时的CPU接口，具有754根CPU针脚，只支持单通道DDR内存。目前采用此接口的有面向桌面平台的Athlon 64的低端型号和Sempron的高端型号，以及面向移动平台的Mobile Sempron、Mobile Athlon 64以及Turion 64。 • Socket 939Socket 939是AMD公司2004年6月才推出的64位桌面平台接口标准，具有939根CPU针脚，支持双通道DDR内存。目前采用此接口的有面向入门级服务器/工作站市场的Opteron 1XX系列以及面向桌面市场的Athlon 64以及Athlon 64 FX和Athlon 64 X2，除此之外部分专供OEM厂商的Sempron也采用了Socket 939接口。 • Socket 940目前采用此接口的有服务器/工作站所使用的Opteron以及最初的Athlon 64 FX。 • Socket 603采用此接口的CPU是Xeon MP和早期的Xeon，具有603根CPU针脚。 • Socket 604采用此接口的CPU是533MHz和800MHz FSB的Xeon。

  30. 2.2 CPU技术简介 1965年4月，《电子学》杂志刊登了高登·摩尔（Gordon Moore）撰写的一篇4页文章。高登·摩尔当时是飞兆半导体公司研发部门的主管。这位工程师报告说，他的实验室通过将50只晶体管和电阻器蚀刻在一张芯片表面，制成一个电子线路。 摩尔说，到1975年，就可能将6.5万只这样的零件密植在一张芯片上，制成高度复杂的集成电路。 当时集成电路问世才6年，摩尔的预测听起来像是科幻小说。但那篇文章的核心预测（即每个芯片可集成的零件差不多每年可增加一倍）被证明是正确的。尽管当今这一技术进步的周期更接近18个月，但“摩尔定律”（Moore’s Law）依然有效。

  31. 2.2.1 CPU的指令集 1、MMX指令集； 共57条指令。最早期SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度。 SIMD(Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流) 能够复制多个操作。 2、SSE（Streaming SIMD Extension）指令集； （1）SSE指令集 英特尔开发的第二代SIMD指令集，有70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中的连续数据块传输指令。 （2）SEE2指令集 新增144条128位SIMD指令。 （3）SEE3指令集 13条新增加的指令集包括：一条专门针对视频解码的指令，两条针对线程处理的指令，这有助于增加Intel超线程HT的处理能力。而其它的指令则支持复杂的算术运算，类似于浮点转整数以及SIMD单指令多数据流的浮点运算。 （4）SSSE3（sup-SSE3）︰ SSE3指令集的补充版本，全名为 Supplemental Streaming SIMD Extension 3，首颗支持Intel Core微架构处理器，新增指令共16条，进一步增强 CPU在多媒体、图形图像和Internet等方面的处理能力，该16条指令原收录为 SSE4指令集中，之后决定提早加入至Core微架构产品中。

  32. （5）SSE4︰全名为Streaming SIMD Extension 4，被视为继2001年以来最重要的媒体指令集架构的改进，除扩展Intel 64指令集架构外，还加入有关图形、视频编码及处理、三维成像及游戏应用等指令，令涉及音频、图像和数据压缩算法的应用程序大幅受益。 　　据了解，SSE4将分为4.1版本及4.2版本，4.1版本将会首次出现于Penryn处理器中，共新增47条指令，主要针对向量绘图运算、3D游戏加速、视像编码加速及协同处理加速动作。

  33. 3、3DNOW!指令集； AMD公司开发的SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，它的指令数为21条在整体上3DNow!的SSE非常相相似，它们都拥有8个新的寄存器，但是3DNow!是64位的，而SSE是128位。所以3DNow!它只能存储两个浮点数据，而不是四个。 但是它和SSE的侧重点有所不同，3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等3D数据的处理，在相应的软件配合下，可以大幅度提高处理器的3D处理性能。AMD公司后来又在Athlon系列处理器上开发了新的Enhanced3DNow!指令集，新的增强指令数达了52个，以致目前最为流行的Athlon64系列处理器还是支持3DNow！指令的。。

  34. 2.2.2 双总线模式CPU内部结构 CPU Cache 内存

  35. 2.2.3 CPU的生产工艺 1.切割晶圆 　　用机器从单晶硅上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核。 2.影印 　　在经过热处理得到硅氧化物层上涂上一种光阻物质，紫外线能过印制着CPU复印电路结构图样的查模板照射基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。 3.蚀刻 　　用溶剂将紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅化物氧化物层刻掉。然后把所有的光阻物清除，就得到了有沟的硅基片。 4.分层 　　加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含晶硅和硅氧化物的沟槽结构。 5.离子注入 　　通过离子的轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门路。然后的步骤就是不断重复以上的过程。 　　一个完整的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层电路的连通。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装，一个CPU便制造出来了。

  36. 如何选购CPU 1、通过产品标识辨别Intel的CPU； 2、通过编号认识AMD的CPU；

  37. 通过产品标识辨别Intel的CPU （1）CPU Type(类型)； （2）Family(系列) ； （3）Model(型号)；

  38. 通过编号认识AMD的CPU （1）雷鸟(毒龙)的CPU编号 （2）Athlon XP的编号

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