第2章 微型计算机的中央处理器

1. 第2章 微型计算机的中央处理器 第二章 微型计算机的中央处理器 ►2.1 CPU的发展史 ►2.2 CPU的主要技术指标 ►2.3 CPU的封装和接口形式 ►2.4 CPU的散热与选购

2. 第2章微型计算机的中央处理器 2.1 CPU的发展史 2.1.1 概述 CPU的全名是Central Processing Unit——中央处理器，又叫微处理器（Micro-Processor）。其工作就是管理着计算机中大大小小的“事”。从打开计算机电源的那一刻起，CPU即开始由BIOS读取计算机基本控制程序、启动指令和数据，经过内部算术及逻辑运算器计算后，再让控制器将结果送到内存及各部件。收到编码过的有效指令后，计算机便可有序地运行，而不至于乱成一团。 CPU决定着计算机系统整体性能的高低，没有它计算机就不可能开展任何工作。在这个超大规模的集成电路上汇集了各种处理复杂指令的控制器和运算器及几百万个晶体管，其制造工艺十分复杂，加上它在计算机所处的核心地位，因此其价格十分昂贵。

3. 第2章微型计算机的中央处理器 2.1.2 CPU的发展历程 CPU是微机最主要的部件，作为高科技产品，世界上只有少数几家公司可以生产CPU，如今主要是Intel（英特尔）和AMD（超微）两大厂家各据一方。CPU的发展速度非常快。世界上第一片CPU——4004诞生到现在已有三十多年，CPU的运算速度已达到了3GHz以上。下面看一看CPU的发展过程:

4. 第2章微型计算机的中央处理器 1971年，Intel的第一块CPU芯片4004，集成了2300个晶体管，功能有限，速度很慢，市场反应也不理想。随后的8080、8085处理器，与当时Motorola公司的MC6800和Zilog公司的Z80一起组成了8位微处理器的家族。

5. 第2章微型计算机的中央处理器 1978年，Intel的16位CPU i8086，主频4.77MHz，集成约30万个晶体管，与之配套的数字协处理器i8087一起使用相互兼容的指令集——x86指令集。该构造框架和指令集，至今的CPU还在用，通常被称做“向下兼容”，即新型CPU可以直接使用基于老式CPU开发的软件，不要做任何变动。1979年推出的8088是8086的简化型，被首次用于IBM PC机，个人计算机的第一代CPU便从它开始。

6. 第2章微型计算机的中央处理器 1982年推出的80286 CPU（见图2-1）集成13.4万个晶体管，时钟频率达到20MHz，1985年推出的80386是80x86系列中第一款32位微处理器，内部含27.5万个晶体管，时钟频率最高达到33MHz。1989年，80486 CPU集成120万个晶体管，时钟频率最高达到66MHz。它将80386和80387及8KB的高速缓存集成在一个芯片内，采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度，其性能比80386DX提高4倍。 图2-1 80286 CPU芯片

7. 第2章微型计算机的中央处理器 1993年Intel推出了Pentium（奔腾）（希腊语“第五代”）CPU（见图2-2）。其最高主频200MHz，制造工艺0.35μm，Socket 7接口，内部数据总线64位，地址总线32位，集成了约310万个晶体管。1995年的Pentium Pro内含高达550万个晶体管，内部时钟频率为133MHz，处理速度几乎是100MHz Pentium的2倍。 图2-2 Pentium CPU芯片

8. 第2章微型计算机的中央处理器 1997年推出的Pentium MMX（Multi-Media Extension，多媒体扩展）主频最高233MHz。MMX是为增强CPU在音像、图形和通信应用方面的一项多媒体增强指令集技术，后来的SSE、3D Now！等指令集也是从MMX基础上发展演变而来的。

9. 第2章微型计算机的中央处理器 1998年，AMD推出的K6（主频：166～233MHz）K6 Ⅱ（主频：266～550MHz）以低价格、高性能与Intel的Pentium Ⅱ（主频：233～450MHz）及Socket 370结构的Celeron和Celeron A CPU（见图2-3）争夺市场。

10. 第2章微型计算机的中央处理器 图2-3 Pentium Ⅱ及Celeron CPU芯片

11. 第2章微型计算机的中央处理器 1999年的CPU主要有：AMD K6 Ⅲ（见图2-4），主频450MHz，外频100MHz，制造工艺0.25μm；Intel Pentium Ⅲ，主频1GHz，具有增强3D运算、动画、影像、音效、网络及语音识别等功能；Slot A架构CPU K7，即Athlon，主频1GHz。 图2-4 AMD K6 Ⅲ CPU芯片

12. 第2章微型计算机的中央处理器 2000年采用Netburst结构的Intel Pentium 4，起始频率1.5GHz，Socket 423接口。 2001年在AMD的Athlon 4及Duron系列之后Intel发布Willamette的Pentium 4，最高频率为2GHz，采用0.18m工艺，Socket 478接口。随后出现的Athlon XP，采用专业3D Now！指令集，性价比超过同频率的Intel CPU。

13. 第2章微型计算机的中央处理器 2002年Intel的Northwood Pentium 4（见图2-5），起始频率2.4GHz，0.13m工艺，SSE2指令集，可加快3D、浮点及多媒体程序代码的运算性能。 图2-5 Northwood Pentium 4 CPU

14. 第2章微型计算机的中央处理器 2002年AMD推出0.13m工艺的Athlon XP 2800+（见图2-6（a））。2003年AMD推出Athlon 64 3000+等。2004年Intel推出Celeron D（见图2-6（b））335/330/325/320系列，频率分别为2.80GHz、2.66GHz、2.53GHz、2.40GHz，Socket 478接口。

15. 第2章微型计算机的中央处理器 （a）Athlon XP 2800+ CPU （b）Celeron D CPU 图2-6 Athlon XP 2800+及Celeron D处理器

16. 第2章微型计算机的中央处理器 2004年7月，Intel的5款LGA775 Pentium 4处理器——Pentium 4 560、550、540、530和520，工作频率分别是3.6GHz、3.4GHz、3.2GHz、3.0GHz和2.8GHz。 AMD推出四款新处理器——AMD Athlon 64 FX-53，AMD Athlon 64 3800+、3700+和3500+。其中Athlon 64 3800+和3500+不再用Socket 754接口，而用Socket 939接口，其内置双通道内存控制器，使Athlon 64 处理器更稳定。

17. 第2章微型计算机的中央处理器 为兼容市场上各种CPU架构，CPU的封装形式也多样化，AMD的Sempron（见图2-7）2200+/2300+/2400+/2500+/2600+/2800+/3100+等7款，就有Socket A、Socket 754和Socket 939三种不同的版本。 Sempron 3100+支持Socket 754接口，频率1.80GHz，L2缓存256KB；而桌面Sempron 2800+～2200+几款型号是采用Socket A接口，支持 FSB 333MHz、256KB L2缓存。移动版Sempron处理器都采用 Socket 754 接口。

18. 第2章微型计算机的中央处理器 图2-7 AMD的Sempron CPU

19. 第2章微型计算机的中央处理器 从1995年以后的十几年，市场上出现了100多种CPU。Intel从Socket 5发展到Socket 775，AMD从Socket 7到Socket 939。CPU的时钟频率已经增长了将近40倍，以Intel 处理器为例，从最初1995年的100MHZ到现在的3800 MHz ，而缓存的数据带宽也从1997年的110 MB/s（AMD K6-III/450）提高到目前的  6000 MB/s（Athlon64）。 在1995年，当人们需要将一段17分钟的音频文件转换成MP3格式时，用当时先进的Pentium 100 CPU需要77分钟才能完成，而现在，用 AMD Athlon 64 FX-55 去做同样的工作只需要半分钟。

20. 第2章微型计算机的中央处理器 而CPU的集成度也达到了非常高的程度，Pentium 100 集成了330万个晶体管，与现在 Pentium Ⅳ Extreme Edition处理器的 1亿7800万条晶体管相比较，可以这样说Pentium 100安放一个晶体管的地方，现在已经可以置入50个晶体管了。

21. 第2章微型计算机的中央处理器 当人们看见Socket 775架构（图2-8）的LGA775插槽时，会发现常见的CPU针脚不在CPU上，而是在LGA775插槽上，新插槽密密麻麻的排列了775根针脚，这时可以理解Socket 775处理器的LGA这个名词的含义，LGA（Land Grid Array）指得就是处理器平滑的表面。新处理器的內部并没有什么改变，使用的仍然是Pentium 4 Prescott核心 。

22. 第2章微型计算机的中央处理器 图2-8 Socket 775 CPU

23. 第2章微型计算机的中央处理器 到了2006年处理器市场再次经历动荡的一年，Intel 放弃了12年历史的“奔腾 Pentium”金字招牌，把37年历史的Intel标识也换了个样子，Intel放弃了从奔腾4初期就开始的一直在台式机CPU上沿用的NetBurst架构，而采用源于笔记本上的Core架构。推出采用65nm工艺，与Pentium M类似架构的Core 2系列处理器，着重性能功耗比，表现抢眼，并率先发布四核心处理器。而AMD方面以AM2接口Athlon64 X2双核处理器为主，受到Core 2一定的冲击，形势较为被动。

24. 第2章微型计算机的中央处理器 2.2 CPU的主要技术指标 2.2.1 CPU的物理结构 1.CPU的生产过程 在CPU发展的30多年来，CPU的制造工艺技术也得到长足的发展。CPU是由数百万只在显微镜下才看得见的晶体管组成的，并经过照相平版印刷技术最终蚀刻在一块磨光了的、只有大拇指甲盖大小的硅片上，并且还在不断地缩小。CPU的生产过程可以简单地归纳成以下几个步骤。

25. 第2章微型计算机的中央处理器 第一步：切晶圆。 第二步：影印（Photolithography）。 第三步：蚀刻（Etching）。 第四步：分层。 第五步：离子注入（Ion Implantation）。 第六步：不断重复以上过程。

26. 第2章微型计算机的中央处理器 2. CPU的基本组成 CPU中的晶体管用来存储表示0或者1的电荷，构成了计算机的二进制语言。成组的晶体管连在一起存储这些数据就能完成各种各样的运算任务，并且借助于一个石英的晶体钟来协调行动，使其任务一致和同步。这就是计算机内时钟的用途。 存储器中的信息可以是数据，也可以是指令。对于由最简单的信息构成的数据，CPU只需要四个部分来实现对数据的操作：指令、指令指示器、寄存器、算术逻辑单元，另外CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元等，如表2-1所示。

27. 第2章微型计算机的中央处理器 表2-1 CPU的基本组成单元及其用途

28. 第2章微型计算机的中央处理器 ALU及FPU是CPU中不可缺少的组成部分。为提高运算能力，在CPU内部增设了额外的ALU，希望增加一倍的处理能力，并另外增加了FPU。FPU能够处理范围非常大的数。对于计算机来说，若没有这两个部件，完成图形图像、动态模拟等工作就非常困难。

29. 第2章微型计算机的中央处理器 为提高CPU与L2 Cache（二级高速缓存）间的数据交换速度，Intel从Pentium Pro起将原来设置在计算机主板上的高速缓存控制电路和L2 Cache集成到CPU芯片上。这样CPU内核与高速缓存之间的数据交换就不再经过外部总线而直接通过CPU内部的缓存总线进行，使CPU内核与内存、CPU与高速缓存之间的数据交换通道分离，形成了双总线架构模式。

30. 第2章微型计算机的中央处理器 2.2.2 CPU的主要技术指标 1. CPU的工作电压 工作电压是指CPU正常工作时所需的电压。工作电压越高，CPU的发热量越大，工作越不稳定，甚至会造成死机或烧坏CPU。早期386、486的工作电压一般为5V，Pentium的工作电压是3.5V、3.3V、2.8V、1.6V等。随着CPU的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压还在逐步下降。低电压的CPU的芯片总功耗降低了，使得系统的运行成本就相应降低，这对于便携式和移动系统来说，可以让电池工作更长的时间，也使电池的使用寿命大大延长。功耗降低还可使发热量减少，让CPU与系统配合更好。可以说降低电压是CPU主频提高的重要因素之一。

31. 第2章微型计算机的中央处理器 586系列以后的CPU按工作电压可分为两种，一种是单电压CPU，另外一种则是双电压CPU。单电压CPU有Intel Pentium系列的P54C、AMD-K5及Cyrix的6x86等系列。双电压CPU则有Intel MMX P55C的Pentium Ⅱ、AMD的K6、Cyrix的6x86及M2等系列。而这些双电压CPU所使用的工作电压则可以被区分成Vcore（内核电压）和Vio（I/O电压）两个部分。

32. 第2章微型计算机的中央处理器 2. CPU的生产工艺 表明CPU性能的参数中常有“工艺技术”一项，如“0.35m”或“0.25m”。目前生产CPU主要采用CMOS技术，这种技术生产CPU采用“光刀”加工各种电路和元器件，并采用金属铝沉淀在硅材料上，然后用“光刀”刻成导线连接各元器件。光刻的精度一般用微米表示，精度越高就可在同样体积的硅材料上生产更多的元件，加工出更细的连线，CPU工作主频就可以更高。

33. 第2章微型计算机的中央处理器 3. CPU的位、字节和字长 CPU可以同时处理的二进制数据位数是其最重要的一个品质标志。通常所说的16位机、32位机就是指该微机中的CPU可以同时处理16位、32位的二进制数据。现在的CPU都是64位机。64位微处理器一次可以处理8个字节的信息。

34. 第2章微型计算机的中央处理器 4. CPU的主频、外频和运算速度 （1）主频 CPU的“工作频率”又称“主频”或“内频（Internal Clock）”，是CPU内核电路的实际运行频率，现在常用的为2.4GHz左右。从486DX2开始，CPU主频等于外频乘倍频系数（后面介绍）。主频的高低直接影响CPU的运算速度，是衡量CPU性能高低的重要技术参数。

35. 第2章微型计算机的中央处理器 当然CPU的运算速度主要还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。主频是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。比如AMD公司采用了更加模糊的命名方式，企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。比如Athlon 3000+，它的频率有可能是2.20GHz，也有可能是2.0GHz 。对于CPU的性能还要参考其他主要参数。

36. 第2章微型计算机的中央处理器 （2）外频 在计算机的主板上，以CPU为主，内存和各种外围设备为辅，有许多设备要共同在一起工作。这些设备之间的联络，数据的交换，都必须正确无误、分秒不差。因此，它们必须要有一个固定的时钟来做时间上的校正、协调或者参考。这时钟由主板上的时钟发生器（Clock Generator或Clock Gen.）产生，就是所谓的外频。常见的指标多为133～200MHz。时钟发生器的品牌，大致有ICS、ICWORKS、WinBond等。

37. 第2章微型计算机的中央处理器 由于计算机技术的飞速发展，CPU的速度也不断提升，而和它搭配的内存与外围设备的速度却跟不上，造成彼此速度搭配上明显的差异。为使它们能协调工作，CPU就得放慢脚步，这就限制了CPU的发展。于是制造厂商规定了一个公式，即“外频×倍频＝内频”，规定外频即CPU用来与其他外围设备共同工作的速度。外频也称为CPU的外部时钟（External Clock）或总线时钟（BUS Clock）。从486DX2开始，CPU的内核工作频率和外频就不一致了。

38. 第2章微型计算机的中央处理器 将系统时钟倍频后所得到的时钟信号作为CPU的内核工作时钟即CPU主频，例如Intel Pentium Ⅱ 300、400和500三款CPU的外部时钟皆为100MHz，其差别只是CPU内部倍频系数不同而已。300MHz（内频）=100MHz（外频）×3（倍频）。

39. 第2章微型计算机的中央处理器 （3）倍频系数（Clock Multiplier Factor） 由上面的介绍我们知道，CPU内部真正的工作时钟（主频）是外部时钟（外频）的倍数，这个所谓的“倍数”就是“倍频系数”。倍频系数越高，主频就越高。

40. 第2章微型计算机的中央处理器 （4）前端总线（FSB-Front System Bus） 前端总线是指北桥芯片与CPU间数据传输的总线，是CPU跟外界沟通的惟一通道，处理器必须通过它才能获得数据或将运算结果传送出其他对应设备。前端总线的速度越快，CPU的数据传输就越迅速。前端总线的速度主要用前端总线的频率来衡量，取决于两个因素：一是总线的物理工作频率（即外频），二是有效工作频率（即FSB频率），它直接决定了前端总线的数据传输速度。Intel和AMD采用了不同的技术，Intel处理器的FSB频率跟外频的关系是：FSB频率=外频×4；AMD的则是：FSB频率=外频×2。

41. 第2章微型计算机的中央处理器 通过介绍可以明白外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度是指数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度，即100MHz外频是指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。

42. 第2章微型计算机的中央处理器 （5）运算速度及制约主频、外频提高的因素 CPU的运算速度可用MIPS来表示，即“百万指令集每秒”的意思。它取决于主频，一般1.5GHz主频CPU的运算速度为1700MIPS。但计算机的整体运算速度不仅取决于CPU的运算速度，还取决于存储系统、显示系统等设备，这些分系统也需特定频率的时钟信号来规范运行，这样除了CPU主频和系统时钟（外频）外，还有ISA、PCI总线和AGP显示接口的时钟，这些时钟的频率都低于系统时钟。CPU与各个周边总线、设备就像一个集体，只有相互之间配合协调，才能将整体性能发挥出来。

43. 第2章微型计算机的中央处理器 提高CPU主频和外频可以提高计算机系统的运算速度，但要提高这些指标又有一些制约因素。 首先，提高CPU主频要受到生产工艺的限制。CPU是在半导体硅片上制造的，硅片上的元件之间需要导线进行连接，在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等干扰以保证CPU运算正确，因此CPU的生产工艺很关键，比如0.25m可以使CPU的主频达到400MHz；0.18m可以达到700MHz；0.13m可以达到2GHz；随着工艺技术的提高到90nm、65nm时，CPU的工作主频也就更高。

44. 第2章微型计算机的中央处理器 其次，提高外频受到运行速度较慢的外部器件的制约。计算机外设的发展速度远跟不上CPU的发展速度，比如硬盘，尽管硬盘技术不断更新，但硬盘接口的工作频率远远低于CPU的频率。一旦系统时钟提高过快，硬盘的工作则可能会无法正常进行，为此还提出了“分频”的概念。

45. 第2章微型计算机的中央处理器 分频技术是通过主板的北桥芯片将CPU外频降低，然后再提供给各板卡、硬盘等设备。 用外频除以分频系数，便能得到PCI等外设的工作频率。在主板的外频变化时，PCI等外设的工作频率能够固定在标准频率。早期的外频为66MHz时是PCI设备1：2分频，AGP设备不分频；后来的外频为100MHz时是PCI设备1：3分频，AGP设备2：3分频（有些100MHz的北桥芯片也支持PCI设备1：4分频）；目前的北桥芯片一般都支持133MHz外频，即PCI设备1：4分频、AGP设备1：2分频；在CPU外频高达200MHz，支持六分频的主板，即200除以6，就可得到PCI的标准频率33MHz。

46. 第2章微型计算机的中央处理器 总之，在标准外频（66MHz、100MHz、133MHz、200MHz）下，北桥芯片通过分频技术使PCI设备工作在33MHz，AGP设备工作在66MHz。外频改变的同时也改变了PCI等扩展总线的时钟频率，必然影响这些接口上的外部设备的运行状态，这也是制约提高系统时钟频率的一个因素。

47. 第2章微型计算机的中央处理器 2.2.3 CPU的缓存 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。 L2Cache（二级缓存）是CPU的第二层高速缓存，设置L2 Cache的目的是弥补L1 Cache（一级高速缓存）容量的不足，以最大程度地减小内存对CPU运行造成的延缓。 L3Cache（三级缓存）早期是外置集成在主板上的，现在都是内置了。而它的实际作用是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。

48. 第2章微型计算机的中央处理器 2.2.4 CPU的超频技术简介 1. 什么是超频 超频就是通过提高CPU的外频或者倍频的方法来提高系统的数据传输量和运算速度，进而全面提高计算机系统的整体性能。通过超频可在不增加任何投资的情况下，实现系统升级，提高系统性能。

49. 第2章微型计算机的中央处理器 2. 如何超频 超频首先可从提高外频开始，采用的方法是逐一往上调。调的方法也有两种： 一种是对照主板说明书，在关机的情况下调整主板上的跳线或DIP开关，调整到所需的频率后重新开机，看计算机能否正常启动并稳定运行。 另外一种方法是通过BIOS设置更改CPU倍频或外频。

50. 第2章微型计算机的中央处理器 超频损害了CPU生产商的利益，Intel对其多数CPU产品进行了“锁频”技术处理，即采用固定倍频系数的方法限制用户对CPU超频。这样一来，超频者只有调整外频一种办法了，然后CPU的，如果CPU超频后系统不稳定，就可以适当调高CPU工作电压。但是加电压的副作用很大，首先CPU发热量会增大，其次电压加得过高很容易烧毁CPU，所以加电压时一定要慎重，一般以0.025V、0.05V或者0.1V步进向上加就可以了。而多数AMD的倍频都没有锁定，可以通过修改倍频的方法来进行超频。