第 2 章中央处理器

第2章中央处理器 2.1 CPU发展历程 2.2 CPU分类和结构 2.3 CPU的主要性能指标 2.4 CPU的指令集 2.5 市场主流CPU 2.6 CPU散热器 2.7 CPU的选购

第2章中央处理器 总体要求： • 了解计算机CPU的发展历史 • 掌握CPU的分类、结构和主要性能指标 • 掌握常见CPU的型号和CPU散热器 • 掌握CPU选购的基本常识核心技能点： • 计算机型号、结构和主要性能指标 • CPU选购的能力 • CPU的安装检测能力

第2章中央处理器 相关知识点： • 计算机CPU的发展历史 • 计算机CPU的工作原理扩展技能点： • 各种CPU架构的安装能力 • CPU散热器和风扇的安装能力学习重点： • 掌握CPU的分类、结构和主要性能指标 • 掌握CPU的常见型号 • 掌握CPU的安装方法

2.1CPU发展历程 CPU （Central Processing Unit）, 即中央处理单元，也称中央处理器，是整个计算机系统的核心，也是整个计算机系统最高的执行单位。它负责整个系统指令的执行、数学和逻辑运算、数据存储、传送以及输入输出的控制。因为CPU是决定计算机性能的核心部件，它决定计算机的档次，于是就有了386、486、奔腾之分。 CPU从最初发展至今已经有30多年的历史，这期间，按照处理信息的字长，CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器、64位微处理器等。

2.1CPU发展历程 以Intel公司为主线，介绍CPU的发展历史。 1．4位处理器——Intel 4004 1971年，Intel公司成功地把传统的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上，发布了第一款微处理器芯片4004，这是第一个用于个人计算机的4位微处理器。

2.1CPU发展历程 2．8位处理器——Intel 8008／8080／8085 1972年，Intel公司研制出8008处理器和8080、8085处理器。加上Motorola公司的MC6800处理器和Zilog公司的Z80处理器，一起组成了8位处理器家族。

2.1CPU发展历程 3. 16位处理器——Intel 8086／8088／80286 16位微处理器的典型产品是Intel公司的8086处理器，以及同时生产出的数字协处理器，即8087。 1979年，Intel公司开发出8088处理器，8086和8088内部数据总线的位宽均为16位，而8088的外部数据总线的位宽为8位。1982年，Intel推出了80286处理器。

2.1CPU发展历程 4. 32位处理器——Intel 80386／80486 1985年，Intel发布80386DX处理器。其内部包含27.5万个晶体管，工作频率为12.5 MHz。 1989年，Intel推出了80486芯片。80486为32位微处理器，集成了120万个晶体管。 1993年，Intel公司发布了Pentium（奔腾）处理器。Pentium处理器集成了310万个晶体管。 1997年，Intel公司发布了PentiumⅡ处理器，集成了750万个晶体管，采用Slot l处理器架构。 1999年，Intel公司发布了Pentium III处理器。它采用0.25 um工艺制造，采用Slot 1架构。 Intel公司在2000年11月发布了Pentium 4处理器。它是基于全新的Socket 423架构，采用Willamette核心，0.18 um制造工艺。

2.1CPU发展历程 5. 64位处理器——AMD Athlon 64 2003年4月，AMD公司发布了面向服务器与工作站的AMD Opteron 64位处理器。2003年9月，AMD公司发布了面向台式机的64位处理器： Athlon 64和Athlon 64 FX。它们的核心频率为2.4 GHz，PR值为4800+，晶体管数目为1.059亿个，采用90 nm制造工艺,外频200 MHz，接口采用Socket 939,一级缓存128KB, 二级缓存1024 KB，超线程技术为1000 MHz。

2.2CPU分类和结构 • CPU的分类 1. 按CPU的生产厂家分，CPU可分为；Intel CPU、AMD CPU等。 2. 按CPU的接口分，Intel系列分为：Socket 7、Socket 370、Socket 478、LGA 775等。AMD系列分为：Socket 7、Socket A（462）、Socket 754、Socket 939等。 3．按标识频率分，同一型号CPU按照其标称频率又可分为不同档次，如Pentium 4有1.6 GHz，2.0 GHz，2.4 GHz，3.2 GHz等。 4．按CPU的内核，同一档次的CPU，按其制造内核技术的不同，又分为多种类型或版本。不同的内核采用不同的制造技术，将直接影响到CPU的性能。

2.2CPU分类和结构 • CPU的外部结构从外部看CPU的结构，主要由两个部分组成：一个是内核，另一个是基板。 1.CPU的内核：CPU中间凸起部分是内核芯片或CPU内核，是CPU集成电路所在的地方。目前，绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式。 2．CPU的基板：是承载CPU内核用的电路板，它负责内核芯片和外界的数据传输。在它上面常焊接有电容、电阻，还有决定CPU时钟频率的桥接电路。在基板的背面或者下沿，有用于与主板连接的针脚或者卡式接口。

2.2CPU分类和结构

2.2CPU分类和结构 3．CPU的编码：在CPU编码中，都会注明CPU的名称、时钟频率、二级缓存、前端总线、内核电压、封装方式、产地、生产日期等信息。 4．CPU的接口：CPU的封装形式主要分为两大类：一类是针脚式的Socket类型，另一类是插卡式的Slot类型。PC从486时代开始普遍使用Socket插座来安装CPU。Socket插座是方形多针脚孔ZIF（Zero lnsert Force，零插拔力）插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片。

2.3CPU主要性能指标 1．主频：也叫时钟频率（CPU Clock Speed），单位是 MHz、GHz，是CPU内数字脉冲信号振荡的速度，用来表示CPU的工作频率。一直以来，人们最关心的就是CPU的主频了，例如，Pentium 4 2.4GHz、Athlon XP 2700+等。主频无疑是显示CPU性能的最根本的指标。CPU的主频一般标记在CPU芯片上。一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快。 2．外频：又称外部时钟频率，单位是 MHz，是由主板提供的系统总线的工作频率，是CPU与主板之间同步运行的时钟频率。实际运行过程中的主板系统总线速度、内存数据总线速度不但由CPU的速度决定，而且还受到主板和内存速度的限制。

2.3CPU主要性能指标 3．倍频系数：由于CPU主频不断提高，渐渐地提高到其他设备无法承受的速度，因此出现了分频技术（主板北桥芯片的功能）。分频技术就是通过主板的北桥芯片将CPU主频降低，然后再提供给各插卡、硬盘等设备。倍频就是CPU的运行频率与系统外频之间的倍数，也就是降低CPU主频的倍数。三者的关系为：CPU的主频 = 外频 × 倍频系数 4．前端总线（Front Side Bus，FSB）频率：指CPU与内存数据总线直接交换数据的速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，内存带宽必须要满足CPU的带宽需求：CPU需求带宽=[CPU前端总线位宽× CPU前端总线频率]／8。

2.3CPU主要性能指标 5．高速缓存（Cache）：是一种速度比主存更快的存储器，其功能是减少CPU因等待低速主存所导致的延迟，以改进系统的性能。Cache在CPU和主存之间起缓冲作用，Cache可以减少CPU等待数据传输的时间。CPU需要访问主存中的数据时，首先访问速度很快的Cache，当Cache中有CPU所需的数据时，CPU将不用等待，直接从Cache中读取。因此Cache技术直接关系到CPU的整体性能。 6．内核（Core）电压和I／O工作电压：CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种。其中内核电压的大小是根据CPU的制造工艺而定的，一般制造工艺数值越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.2～3 V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。

2.3CPU主要性能指标 7．制造工艺：是指在硅材料上生产CPU时内部各元器件的连接线宽度，一般用微米（um）表示。制造工艺可以极大地影响CPU的集成度和工作频率，um值越小制造工艺越先进，CPU可以达到的频率越高，集成的晶体管就可以更多。 8．字长：CPU在单位时间内能一次同时处理的二进制数的位数叫字长或位宽。所以能处理32位字长的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字长的增加是CPU发展的一个趋势。 9．x86指令集：是Intel公司为其第一块16位CPU i8086专门开发的指令集，其简化版i8088使用的也是x86指令，同时为提高浮点数据处理能力而增加了x87芯片，以后就将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。

2.3CPU主要性能指标 10．流水线与超流水线：在CPU中，由5～6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5～6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期内完成一条指令，因此提高了CPU的运算速度。超流水线（Super Pipeline）是指某种CPU内部的流水线的步数超过通常的5～6步。流水线设计的步数越多，其完成一条指令的速度就越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。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。 11．CPU扩展指令集：是CPU增加的多媒体或者3D处理指令。

2.3CPU主要性能指标 12．超线程技术（Hyper-Threading，简称HT）：是让CPU可以同时执行两个线程的技术，在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源，理论上能像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程，这样，处理器需要多加入一个逻辑处理单元，而其余部分如整数运算单元（ALU）、浮点运算单元（FPU）、二级缓存（L2 Cache）则保持不变，这些部分是被分享的。 13．双核技术和多核技术：双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。换句话说，将两个物理处理器核心整合入一个核中。双内核处理器因为具有两个完整的内核，所以同时可以进行两个整数或者两个浮点运算，这样极大的提高了系统的利用效率，从而推动了系统性能的提升，是一种突破主频限制、提高性能的技术。

2.4CPU指令集 • MMX指令集：MMX即Multi Media extension，是多媒体扩展指令集的缩写。MMX指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体（在音像、图形和通信应用方面）增强技术。 • SSE指令集：SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）指令集是Intel公司在PentiumIⅡ处理器中率先推出的。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、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。 • 3DNOW! 指令集：主要针对三维建模、坐标变换和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。 • X86-64 指令集： • EM64T 指令集：

2.5市场主流CPU • 目前市场上主要有Intel公司和AMD公司生产的各类型号CPU。

Intel系列CPU 英特尔公司是全球最大的半导体芯片制造商，它成立于1968年，具有41年产品创新和市场领导的历史。1971年，英特尔推出了全球第一个微处理器。微处理器所带来的计算机和互联网革命，改变了整个世界。目前Intel系列的处理器仍然占据了市场主流，主要分为Celeron、Pentium4以及酷睿（Core2）系列。其中，Celeron系列主攻CPU入门级市场，而Pentium4系列与酷睿系列主攻CPU主流市场。

1. Celeron D系列 • 2.Pentium D双核系列 • 3. Core 2系列 • 4. 酷睿i系列

AMD系列CPU AMD公司成立于1969 年，总部位于美国加利福尼亚州桑尼维尔。多年来，AMD系列CPU一直是Intel系列CPU的强劲对手。为了能与Intel争夺CPU市场，AMD也不断推出性能更加强大的CPU。目前，市场上主要流通的AMD CPU为面向低端的闪龙（Sempron）系列，面向中端主流市场的速龙（Athlon 64）系列，面向高端主流市场的多核速龙64（Athlon 64 X2）和羿龙（Phenom II X6）系列。

AMD系列CPU AMD公司CPU的Sempron系列、Athlon 64系列和Athlon 64 x2系列标志。

AMD系列CPU • 1. Sempron系列 • 2. Athlon 64系列 • 3. Athlon 64 X 2系列 • 4. AMD羿龙系列

2.6CPU散热器 CPU散热器根据工作原理不同可以分为：风冷式、热管散热式、水冷式、半导体制冷和液态氮制冷等几种，但常用的散热器仍然是风冷式。风冷散热方式的工作原理是：CPU产生的热量通过热传导传递到散热片，风扇高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走，只有极少部分的热量通过辐射方式直接散发。风冷散热器的制造成本低，可操作性强，使用起来也方便安全，所以成为现在最常用的散热方式。

2.6CPU散热器 风冷散热器主要由散热片、风扇和扣具构成。风冷式散热器的主要配件介绍如下。 1．散热片散热片由底座和鳍片（或称鳃片）两个部分组成。CPU的内核面积通常不到2 cm2，但功耗却达到几十瓦。通过散热片的底座把CPU内核处的热量传导到巨大面积的鳍片上，最终将热量散发到空气中。散热效果与散热片的底座表面积、鳍片与空气的接触面积有关，热交换面积越大，散热效果就越好。尽管设计者都想方设法地改进设计以增大散热面积，但这种做法会受到散热片制造工艺的制约。

2.6CPU散热器 2．风扇对于风冷散热器，要通过风扇的强制对流来加快热量的散失，因此，风扇对整个散热效果起到了决定性的作用，它的质量好坏往往决定了散热器效果和使用寿命。评价一款风扇的好坏主要通过考察风量、噪声、风压大小，采用何种轴承，使用寿命长短等因素。

2.6CPU散热器 3.扣具扣具是固定散热器与CPU接口的工具，它的好坏直接影响到安装的难易、散热的效果。CPU的封装不同，对散热器扣具力量也有不同要求，扣具设计是随CPU类型而定的。一般来说，扣具扣得越紧，向下的压力就越大，散热片与CPU内核的接触面积就越大，热阻就越小，最终影响到散热效果。目前，主流扣具是根据Intel Socket 478架构及AMD SocketA／462架构设计而成的，后者又可分为单孔、三孔两种。

2.6CPU散热器 选购一款好的散热器时要全面考虑，从用料到电机再到扣具，一个都不能少。在诸多厂商中，Foxconn、Coolermaster、AVC、ADDA等大厂的产品经过CPU厂家认证，做工精良，散热效果好，厂家拥有自主研发能力，且测试设备齐全，值得用户考虑。此外，这些大厂的散热器标称都很客观，按照其指标即可方便选购，并且售后服务完善。

2.7CPU的选择 市场上CPU的型号很多，低端的是赛扬D和Athlon XP、闪龙，高端的有Pentium 4和Athlon 64。 CPU的选购策略： • 确定CPU制造商。目前计算机CPU不是Intel就是AMD。如果追求性价比，AMD较适合，Intel稳定性较好。 • 确定使用计算机的目的。要以够用为度，综合考虑性价比。 • 不要盲目追求高频率。购买CPU不要有一步到位的心里，更不要盲目追求潮流。 • 不要购买Remark的CPU。Remark是一些不法经销商用低主频的CPU冒充高主频的CPU，然后重新贴上新的标签来高价出售。可以用观察、刮磨、揉搓、软件测试等方法判断。

主流CPU推荐 • 1. Intel酷睿 i7 980X • 2. AMD羿龙 II X6 1090T

第2章中央处理器 本章小结本章内容主要介绍了CPU的发展历史、CPU的分类、结构和主要性能指标，常见CPU的型号（Intel系列CPU、AMD系列CPU）、CPU散热器，CPU的选购。通过本章的学习要求了解CPU的发展历史，掌握CPU的分类、结构和主要性能指标、常见CPU的型号，熟练掌握CPU的安装方法。

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