第 2 章 CPU

1. 第2章 CPU CPU是现代计算机的核心部件，又称为微处理器（Microprocessor）。对于微机而言，CPU的规格与频率常被用来作为衡量一台微机性能强弱的重要指标，人们常以它来判定微机的档次。作为微机中最重要的配件，CPU一直在PC中扮演着领头角色，CPU技术的发展无时不牵动着PC的整体发展，甚至影响着业界的发展方向。

2. 2.1 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，如图2-1所示。

3. 2．8位处理器——Intel 8008/8080/8085 • 1972年，Intel公司研制出8008处理器，字长为8bit，如图2-2所示。

4. 3．16位处理器——Intel 8086/8088/80286 • （1）Intel 8086/8088处理器 • 1978年6月8日，Intel公司推出了首枚16位微处理器i8086，如图2-3所示。 • 不过这款16位处理器的高昂价格阻止了其在微机中的应用。于是，1979年，Intel又推出了8086的简版——8位的8088处理器，如图2-4所示。

5. （2）Intel 80286处理器 • 1982年，Intel推出了80286处理器，如图2-5所示是Intel 80286处理器的外观。IBM公司将Intel 80286处理器用在IBM PC/AT机中。

6. 4．32位处理器——Intel 80386/80486 • （1）Intel 80386处理器 • 1985年，Intel发布80386DX处理器，如图2-6所示。 • 除Intel公司生产386芯片外，还有AMD、Cyrix、IBM、TI等公司也生产与80386兼容的芯片，如图2-7所示。

7. （2）Intel 80486处理器 • 1989年，Intel推出了Socket 1架构的486处理器，如图2-8所示。 • 其他公司也推出了与80486兼容的CPU芯片，如图2-9所示。

8. 从80486开始首次出现了处理器倍频技术，该技术使处理器内部工作频率为处理器外部总线运行频率的2倍或4倍，486DX2与486DX4的名字便是由此而来的，如图2-10所示。

9. （3）Intel Pentium处理器 • 1993年，Intel公司发布了Pentium（奔腾）处理器。第一代的Pentium代号为P54C，采用Socket 4架构，如图2-11所示。Pentium MMX处理器的外观如图2-12所示。 • 与Pentium MMX属于同一级别的CPU有AMD K6与Cyrix 6x86 MX等，如图2-13、图2-14所示。

10. （4）Intel PentiumⅡ处理器 • 1997年，Intel公司发布了PentiumⅡ处理器，如图2-15所示。 • 同期，AMD公司和Cyrix公司分别推出了同档次的AMD K6-2和Cyrix MⅡ处理器，如图2-16、图2-17所示。

11. 1999年，Intel发布了Celeron（赛扬）处理器，有早先的Slot 1接口和后来的Socket 370接口，其中最为成功的是Socket 370接口的Celeron。Celeron与Pentium II使用相同的内核，最大的区别在于Celeron取消或减少了高速缓存，如图2-18所示。

12. （5）Intel Pentium Ⅲ • 1999年，Intel公司发布了Pentium Ⅲ处理器，如图2-19所示。 • 2000年3月，AMD公司领先于Intel公司推出了1GHz的Athlon（K7）微处理器，其性能超过了Pentium Ⅲ，如图2-20所示。

13. 为了降低成本，后来的Pentium Ⅲ都改为Socket 370架构，时钟频率有667MHz、733MHz、800MHz、933MHz和1GHz等，其外观如图2-21所示。 • 2000年，Intel公司推出了简化Pentium Ⅲ的Celeron处理器。其外观如图2-22所示。

14. 同期，AMD公司推出了Athlon（速龙），如图2-23所示。它采用462针的Socket A架构，时钟频率为700MHz～1.4GHz，内建MMX和增强型3DNow!技术。AMD公司还推出了Athlon（速龙）的简化版本Duron（钻龙），如图2-24所示。

15. （6）Intel Pentium 4处理器 • Intel公司在2000年11月发布了Pentium 4处理器。Pentium 4没有沿用Pentium Ⅲ的架构，而是采用全新的Socket 423架构，如图2-25a所示。后期的Pentium 4处理器均基于Socket 478架构，，如图2-25b所示。 • 同样，Pentium 4的简化版本Pentium 4 Celeron也采用了Socket 478架构，如图2-26所示。

16. 同期，AMD公司推出了Athlon XP（速龙XP），如图2-27所示。 • 2004年7月，AMD推出了Sempron处理器。首批上市采用Socket A接口，如图2-28所示。随后AMD推出了采用Socket 754接口的Sempron处理器，如图2-29所示。2005年，AMD推出了支持64位运算、采用Socket 754和Socket 939接口的Sempron处理器。

17. 2004年6月Intel推出了Socket LGA775架构的Pentium 4、Celeron D及Pentium 4 EE处理器。Socket LGA775架构处理器的外观如图2-30所示。

18. （7）Intel Pentium M • 2003年，Intel发布了Pentium M处理器。以往虽然有移动版本的Pentium II、III，甚至是Pentium 4-M产品，但是这些产品一直延用了桌面型的改进版。Intel将Pentium III的P6架构重新改良，推出了新一代的移动平台Centrino（迅驰），即现在的Pentium M处理器。

19. 5．64位处理器 • （1）AMD Athlon 64系列 • 2003年9月，AMD发布了桌面64位Athon 64系列处理器（也称K8架构）。K8有许多架构方面的改进，重点则是在将北桥芯片中的内存控制器整合到了处理器内部。K8架构的很多设计理念非常超前，并且提供了出色的性能，K8在很多应用上都领先当时的Intel Pentium D。面向台式机的64位处理器分为Athlon 64和Athlon 64 FX，如图2-31和图2-32所示。

20. （2）Intel Pentium 4 64位系列 • Intel公司于2005年2月发布了桌面64位处理器，并冠以6XX系列的名称。不仅Pentium 4 6XX系列全部具备64位技术，而且在新的Pentium 4 5XX系列中也引入64位技术，它们的命名方式是Pentium 4 5X1，以后缀为1来表示。在入门的Celeron D中，使用LGA775封装的产品及最新的双核心Pentium D处理器，也支持64位技术。

21. 6．双核心处理器 • （1）Pentium D和Pentium Extreme Edition • Intel在2005年4月发布了双核心处理器。Intel在双核心处理器上没有沿用目前Pentium 4的命名方式，新的桌面双核心处理器称为Pentium D和Pentium Extreme Edition，具有64位技术，采用LGA775封装。Pentium D和Pentium Extreme Edition两者之间的唯一差别在于是否支持超线程技术（HT），Pentium D不支持HT技术，而Pentium Extreme Edition则支持。两款CPU均支持800MHz FSB，缓存容量也一样。最初发布时，Pentium D根据频率的不同分为3个型号：2.8GHz、3.0GHz及3.2GHz，如图2-33所示。而Pentium Extreme Edition只有3.2GHz一个版本。

22. （2）Athlon 64 X2 • 2005年5月，AMD发布了面向服务器和工作站的企业级x86双核计算平台——AMD双核皓龙处理器Opteron和面向桌面型的双核速龙处理器Athlon 64 X2（包括4800+、4600+、4400+及4200+等），采用Socket 939架构，如图2-34所示。双核心产品比原有单核心产品的速度大有提升。以4200+为例，其速度就比原有最快的单核心Athlon 64 4000+快10％，4800+则要快22％。与Intel双核心Pentium D/Extreme Edition处理器相比较，在处理单线程应用程序方面，Athlon64 X2 4800+的表现要远远超出前者。

23. 7．Intel新一代Core微架构 • 2006年7月，Intel发布了新一代的全新的微架构桌面处理器——Core 2 duo（酷睿2），并且宣布正式结束Pentium时代。Core微架构划分成桌面版和移动版两大家族，Core 2双核处理器分为三类： •  核心代号为Conroe的桌面处理器，命名为Core 2 Duo（酷睿2双核心，Duo代表多核）。 •  核心代号为Merom的移动处理器，同样命名为Core 2 Duo。 •  核心代号为Woodcrest的高性能桌面处理器（命名为Core 2 Extreme，即Core 2极品版）。 • Core 2 Extreme和Core 2 Duo的产品标识如图2-35所示。桌面版Conroe处理器的外观如图2-36所示。

24. 8．AMD新一代K10微架构 • 2007年11月，AMD发布了基于全新K10架构的Phenom处理器系列。Phenom处理器同样有一个代表性的中文名——“羿龙”，取自中国古老神话“后羿射日”。 • Phenom处理器分为三个系列：双路四核心Phenom FX（Agena FX）、四核心Phenom X4（Agena）、双核心Phenom X2（Kuma）。Phenom处理器的标识，如图2-37所示。 • Phenom处理器基于K10直连架构（DCA），采用65nm工艺生产、Socket AM2+接口封装，集成4.5亿个晶体管，核心面积285mm2。Phenom处理器的外观如图2-38所示。

25. 2.2 CPU的分类、结构、基本工作原理和主要参数 • 1．按CPU的生产厂家分类 • 2．按CPU的接口分类 • 3．按CPU型号或标称频率分类 • 4．按CPU的核心代号分类 • 5．按CPU的位数分类 • 6．按CPU的核心数量分类（单核心、多核心） • 7．按适合安装的主板分类 • 8．按应用场合（适用类型）分类

26. 2.2.2 CPU的外部结构 • 从外部看CPU的结构，主要由两个部分组成：一个是核心，另一个是基板。 • 1．CPU的核心 • 揭开散热片后看到的核心如图2-39所示。

27. 2．CPU的基板 • CPU基板就是承载CPU核心用的电路板，它负责核心芯片和外界的数据传输。 • 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、核心电压、封装方式、产地、生产日期等信息 。

28. 4．CPU的接口 • CPU需要通过某个接口与主板连接。CPU采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。目前CPU的接口主要是针脚式和触点式，对应到主板上就有相应的接口类型。不同类型的CPU有不同的CPU接口，因此选择CPU，就必须选择带有与之对应接口类型的主板。主板CPU接口类型不同，在插孔数、体积、形状等方面都有变化，所以不能互相接插。 • Socket接口是方形多针脚孔ZIF（Zero Insert Force，零插拔力）接口，接口上有一根拉杆，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。

29. （1）Socket A接口 Socket A接口也叫Socket 462，是AMD公司为Socket A架构的Athlon处理器而设计的接口标准。Athlon、Duron和Athlon XP处理器都采用相同的Socket A接口，如图2-42所示。

30. （2）Socket 478接口 Socket 478接口是采用mPGA 478的Pentium 4系列处理器所采用的接口类型，如图2-43所示，针脚数为478针。Socket 478的Pentium 4处理器面积很小，其针脚排列极为紧密。

31. （3）Socket 754接口 Socket 754是2003年9月AMD 64位桌面平台最初发布时的标准插槽，是低端的Athlon 64和高端的Sempron所使用的插槽标准，如图2-44所示，它具有754个CPU针脚插孔。

32. （4）Socket 939接口 Socket 939是AMD公司2004年6月发布的64位桌面平台插槽标准，具有939个CPU针脚插孔，如图2-45所示。它支持Athlon 64、Athlon 64 FX、Athlon 64 X2及Sempron。

33. （5）Socket 775 LGA接口 如图2-46所示，它是目前Intel LGA775封装的CPU所对应的处理器接口，支持LGA775封装的Core 2 Extreme、Core 2 Quad、Core 2 Duo、Pentium 4、Celeron D、Pentium D等型号CPU。Socket 775插槽没有CPU针脚插孔，采用的是775根有弹性的触须状针脚（其实是非常纤细的弯曲的弹性金属丝），通过与CPU底部对应的触点相接触而获得信号。

34. （6）Socket AM2接口 Socket AM2是2006年5月发布的支持DDR2内存的AMD64位桌面CPU的插槽标准，有940个CPU针脚插孔，如图2-47所示。它支持Socket AM2封装的Phenom、Athlon 64 X2、Athlon 64、Sempron 64等全系列AMD桌面CPU对应的插槽标准。按照AMD的规划，Socket AM2将逐渐取代原有的Socket 754和Socket 939，从而实现桌面平台CPU插槽标准的统一。

35. （7）Socket AM2+接口 Socket AM2+是2007年11月发布的支持Phenom处理器新一代AMD64位桌面CPU的插槽标准，是伴随AMD Spider（蜘蛛）平台而发布的。它支持双路的四核心Phenom FX（代号Agena FX）、四核心Phenom X4（代号Agena）以及双核心Phenom X2（代号Kuma）等处理器。Socket AM2+针脚跟AM2完全一样，AM2+处理器兼容现有的AM2主板，不过速度会受旧接口影响无法达到100%，而AM2+主板则将支持现有的AM2处理器，也就是说AM2+接口处理器完全可以工作在AM2接口的主板上。

36. 2.2.3 CPU的基本工作原理 • CPU由运算器和控制器组成。CPU的内部结构分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这3个部分相互协调，便可以进行分析、判断、运算，并控制计算机各部分协调工作。计算机的一切工作都受CPU控制。其中运算器主要完成各种算术运算（如加、减、乘、除等）和逻辑运算（如逻辑加、逻辑乘和逻辑非运算等）；而控制器不具有运算功能，它只是读取各种指令，并对指令进行分析，作出相应的控制。通常，在CPU中还有若干个寄存器，它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。

37. 2.2.4 CPU的主要参数 • 1．CPU型号 • CPU厂商会给属于同一系列的CPU产品定一个系列型号，而系列型号则是用于区分CPU性能的重要标识。同一档次系列的CPU按照型号或标称频率又分为不同规格，Intel和AMD对CPU型号的命名方式是不同的。 • 目前市场上常见的Intel CPU型号有： • Intel Core 2 Extreme QX9650（LGA775，3.00GHz，6MB L2×2） • Intel Core 2 Extreme QX6850（LGA775，3.00GHz，4MB L2×2） • Intel Core 2 Extreme X6800（LGA775，2.93GHz，4MB L2×2） • Intel Core 2 Duo E6550（LGA775、2.33GHz、2MB L2×2） • Intel Pentuim Dual Core E2180（LGA775，2.0GHz，1MB L2） • Intel Celeron E1200（LGA775，1.6GHz，512KB L2） • 目前市场上常见的AMD CPU型号有： • Phenom X4 9900（AM2+，2.3GHz，512KB L2×4，2MB L3） • AMD Athlon 64 X2 5600+（AM2，2.8GHz，1MB L2×2） • AMD Athlon 64 X2 3800+（AM2，2.0GHz，512KB L2×2） • Athlon X2 BE-2400（AM2，2.3GHz，512KB L2×2）

38. 2．核心类型 • 核心又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的。为了便于对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。不同的CPU（不同系列或同一系列）都会有不同的核心类型，甚至同一种核心都会有不同版本的类型，核心版本的变更是为了修正上一版存在的一些错误，并提升一定的性能。每一种核心类型都有其相应的制造工艺、核心面积、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集、功耗和发热量的大小、封装方式、接口类型、前端总线频率（FSB）等。

39. 3．主频 • CPU的主频也叫CPU核心工作的时钟频率（CPU Clock Speed），单位是MHz、GHz。CPU的主频并不是其运算的速度，而是表示在CPU内数字脉冲信号振荡的频率，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频与实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集、CPU的位数等）。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。例如Athlon XP系列CPU大多都能以较低的主频，达到Pentium 4系列较高主频CPU的性能，所以Athlon XP系列及以后的AMD CPU才以PR值的方式来命名。因此，主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。

40. 4．外频 • CPU的外频通常为系统总线的工作频率（系统时钟频率），单位是MHz，是由主板提供的系统总线的基准工作频率，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频率、内存数据总线频率不但由CPU的频率决定，而且还受到主板和内存频率的限制。由于主板和内存的频率大大低于CPU的主频，因此为了能够与主板、内存的频率保持一致，就要降低CPU的频率，即无论CPU内部的主频有多高，数据一出CPU，都将降到与主板系统总线、内存数据总线相同的频率。例如，Intel Core 2 Duo和AMD Athlon X2的外频为200MHz、333MHz。

41. 5．倍频 • CPU的倍频全称是倍频系数。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，使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。倍频是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。理论上倍频从1.5到无限，倍频是以0.5为一个间隔单位。倍频具有以下关系式： • CPU的主频（核心运行的频率）= 外频×倍频系数

42. 6．前端总线（Front Side Bus，FSB） • 总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。总线的种类很多，前端总线是CPU与主板北桥芯片之间连接的通道（请参看第3章主板），前端总线也称为CPU总线，是PC系统中工作频率最快的总线，也是芯片组与主板的核心。这条总线主要由CPU使用，用来与高速缓存、主存和北桥之间传送信息。由于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，而CPU就是通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据，所以前端总线频率越大，代表着CPU与内存之间的数据传输量越大，更能充分发挥出CPU的功能。前端总线频率（FSB clock）常以MHz表示的速度来描述总线频率，前端总线频率越大，代表数据传输能力越大，更能充分发挥出CPU的功能。

43. 7．高速缓存（Cache） • Cache（高速缓冲存储器，简称高速缓存）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。当然，Cache并不是越大越好，当其大小到达一定水平后，如果不及时更新Cache算法，CPU性能将没有本质上的提高。 • Cache一般分为L1 Cache（一级缓存）、L2 Cache（二级缓存）及L3 Cache（三级缓存）。

44. 8．x86指令集 • 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处理器，以后就将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。由于Intel x86系列及其兼容CPU（如AMD Athlon XP）都使用x86指令集，所以就形成了今天庞大的x86系列及其兼容CPU阵容。 • 9．CPU扩展指令集 • CPU扩展指令集指的是CPU增加的多媒体或者3D处理指令。这些扩展指令可以提高CPU处理多媒体和3D图形的能力，有MMX（MultiMedia Extension，多媒体扩展）、SSE（Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩展）、SSE2（新增加了144条SSE指令，因而称为SSE2）、3DNow!、SSE3、SSE4指令集等。

45. 10．字长及64位技术 • 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。例如，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，Pentium 4和Athlon XP都是32位的CPU。 • 64bit（位）技术是指CPU中通用寄存器的数据宽度为64位，采用64位指令集可以一次传输、运算64位的数据。在高端的RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）中早就有64位处理器了，比如SUN公司的UltraSparc III、IBM公司的Power5、HP公司的Alpha等。

46. 11．双核心/多核心（Dual/Multi Core）处理器 • 双核心/多核心处理器，就是在一块CPU基板上集成两颗或两颗以上处理器的核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来的处理器。双核心并不是一个新概念，在服务器领域，双核心甚至多核心都早已经实现。IBM在2001年就推出了基于双核心的Power 4处理器，随后Sun和HP公司都先后推出了基于双核架构的UltraSPARC以及PA-RISC芯片，但此时双核心处理器架构还都只应用在高端的RISC领域。直到2005年6月，Intel和AMD相继推出了双核心处理器，双核心才真正走入了主流的X86领域。现在Intel和AMD都发布了四核心处理器，处理器将向多核心发展。

47. 12．工作电压 • 工作电压是指CPU核心正常工作所需的电压。CPU的工作电压是根据CPU的制造工艺而定的。一般制造工艺数值越小，核心工作电压越低，电压一般在1.3～3V之间。提高CPU的工作电压可以提高CPU的工作频率，但是过高的工作电压会带来CPU发热，甚至烧坏CPU。而降低CPU电压不会对CPU造成物理损坏，但是会影响CPU工作的稳定性。

48. 13．制造工艺 • 制造工艺也称为制程宽度或制程，是在制造CPU时核心中最基本的功能单元CMOS电路的宽度，一般用m或nm表示。电路连接线宽度值越小，制造工艺就越先进，单位面积内集成的晶体管就越多，CPU可以达到的频率越高，CPU的体积会更小。在1965年推出的10m处理器后，经历了6m、3m、1m、0.5m、0.35m、0.25m、0.18m、0.13m、0.09m、0.065m、0.045m，0.045m的制造工艺是目前CPU的最高工艺。目前，Intel和AMD在Core 2 Duo、Athlon64 X2中采用65nm或45nm的制造工艺。

49. 14．封装技术 • 封装是指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，看到的体积和外观并不是真正的CPU核心的大小和面貌，而是CPU核心等器件经过封装后的产品。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热功能的作用，封装后的芯片也更便于安装和运输。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技术指标一代比一代先进。目前封装技术适用的芯片频率越来越高，散热性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减少，可靠性也越来越高。

50. 15．节电技术 • 微机即便在睡眠和待机状态下，能耗也是较大的，所以Intel和AMD公司都推出了各自降低CPU功耗的技术：Intel的EIST和AMD的C&Q技术。 • （1）EIST（Enhanced Intel SpeedStep Technology） • EIST即智能降频技术，是Intel公司专门为移动平台和服务器平台处理器开发的一种节电技术，它通过操作系统检测CPU的负荷而实时调整CPU的运行频率以及电压。如果在一段时间内CPU负荷比较低，就会降低CPU的工作频率和电压以达到降噪节能的目的。新推出的台式机处理器也内置了该项技术，Intel的Pentium 4 6xx系列及Pentium D和目前的主流酷睿核心全系列处理器都已支持EIST技术。 • （2）C&Q • AMD台式机CPU的节能技术名为Cool and Quiet（冷又静），这是AMD第一种用于台式机处理器的节能技术。当处理器的任务不是很重时，根据CPU任务量的多少调用和关闭一些晶体管，可大幅减轻散热系统的压力。AMD全系列CPU都支持C&Q技术。