电脑的组装和维护.ppt

1、第 2 章 中 央 处 理 器,2.1 CPU 简 介 2.2 CPU的性能指标 2.3 CPU的架构和封装方式 2.4 主要CPU生产厂家目前的主流产品 2.5 CPU的选购指南 2.6 CPU风扇的选购,2.1 CPU 简 介,CPU（Central Processing Unit，中央处理器）又称微处理器，是PC系统的核心芯片。一台PC，“心”（芯）跳是否强劲恐怕是所有用户关注的焦点。以CPU的型号来区分整台PC的档次也已成为PC消费者的一种习惯。,任一型号的CPU都包括运算器、控制器和寄存器三个主要的组成部分。运算器也称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）

2、，功能是完成各种算术运算和逻辑运算；控制器并不具有运算功能，它主要用来读取各种指令，并对指令进行译码分析，做出相应的控制操作；此外，在CPU中还有若干寄存器，它是CPU内部的临时存储单元，主要用于存放程序运行过程中当前使用的数据。这三部分互相配合，完成复杂的数据处理任务并控制PC各个部分协调工作。,从物理外观上看，CPU是一体积不大，但元件的集成度非常高、功能强大的超大规模集成电路芯片。,2.2 CPU的性能指标,CPU的主要性能指标可以反映出CPU的性能，而了解CPU的主要性能指标的意义对正确选择和使用CPU将有一定的帮助。,1主频、外频与倍频 主频也就是CPU的时钟频率，英文全称是CPU

3、Clock Speed，简单地说就是CPU的工作频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率。主频越高，CPU的运算速度也就越快。,外频指的是系统总线的工作频率，也称为总线频率。系统总线的工作频率（速度）是由主板上的时钟芯片产生的，是由主板为CPU提供的基准时钟。早期计算机中CPU的速度和系统总线速度是一样的。随着CPU速度的提高，外设的速度远不及CPU的速度，于是就导致了倍频的产生。,倍频就是CPU的运行频率与整个系统外频之间的倍数，在相同的外频下，倍频越高，CPU的主频也越高。它们三者之间的关系是主频=外频倍频。 在486DX2 CPU之前，CPU的主频与外频相等。从486DX

4、2开始，基本上所有的CPU主频都等于“外频倍频”。,除了这几个常说的性能指标外，还会遇到锁频和超频等术语。锁频指CPU生产厂家在生产CPU时将CPU的倍频锁定，现在的CPU基本上都锁定了倍频。例如Pentium 500 CPU，它的系统总线速度即外频为100MHz，倍频被锁定为5。,超频指的是将外频或倍频（由于现在的CPU倍频被锁定，超频时很少用此项）人为地提高，使其工作频率超过额定的主频，从而提高其性能。许多PC玩家很看重“超频”能力。为了保护自己的利益，Intel公司现在生产的各种CPU都禁止用户更改倍频，这种技术被称为“锁频”。,2前端总线（FSB）频率 前端总线的英文名字是Front

5、Side Bus，通常用FSB表示，是将CPU连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由CPU和北桥芯片共同决定的。北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和南桥芯片连接。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。,前端总线是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没有足够快的前端总线，再好的CPU也不能明显提高计算机整体速度。,外频与前端总线频率的区别是：前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性地表示了CPU和外界数据传输的速度；而外频的概念是建立在数字脉冲信号振荡

6、频率基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟振荡一亿次，它更多地影响了PCI及其他总线的频率。,之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里（在AMD推出K7前），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。,随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率要高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技术，或者其他类似的技术实现这个目标。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X，它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始引起人们的重视。目前，最高的前端总线

7、频率已达到800MHz。,3内存总线速度 内存总线速度（Memory-Bus Speed）也叫系统总线速度，一般等同于CPU的外频。CPU处理的数据都由内存提供，而放在外存（硬盘或者各种存储介质）上面的数据都要通过内存，然后进入CPU进行处理，所以与内存之间的通道，也就是内存总线的速度对整个系统性能来说很重要。,由于内存速度的发展滞后于CPU的发展速度，为了缓解内存带来的瓶颈，出现了二级缓存（L2 Cache）来协调两者之间的差异，而内存总线速度就是指CPU与二级缓存和内存之间的工作频率。,4缓存 为了解决主机中低速内存与高速CPU间速度的不匹配，加快CPU对内存的访问速度，采用了在CPU和内

8、存之间插入高速缓冲存储器（Cache）的方法。缓存又称为高速缓存，就是指可以进行高速数据交换的存储器。CPU的缓存分为两种，即L1 Cache（一级缓存）和L2 Cache（二级缓存）。,内置L1 Cache的容量和结构对CPU的性能影响较大，这正是一些CPU生产厂商纷纷力争加大高速缓存容量的原因。不过高速缓存均由静态RAM组成，结构较复杂，因此以前的CPU内部只集成了L1 Cache，而把L2 Cache放置在主板上。,后来Intel公司推出了双独立总线结构，将L2 Cache也集成到了CPU内部，但只能以CPU速度一半的频率工作。现在，Intel公司与AMD公司已经成功地将L2 Cache

9、集成在CPU内部并以与CPU相同速度的频率工作，称为全速二级缓存。,除了速度以外，L2 Cache容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服务器和工作站上用CPU的L2 Cache更高达1MB3MB。,5扩展指令集 为了保证计算机能够继续运行以往开发的各种应用程序，以便保护和继承丰富的软件资源，Intel公司生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集，只对原来的指令集进行了扩充。,为CPU增加X86扩展指令的目的是提高CPU处理多媒体数据的能力。当前所使用的各种X86扩展指令中，MMX（多媒体扩展指令集）和SSE（因特网数据流指令序列扩展）由Intel

10、公司开发，3DNow！和增强版3DNow！由AMD公司开发。,6制造工艺 表明CPU性能的参数中常有“制造工艺”一项，其中有0.18m或0.13m等数据。制造工艺极大地影响CPU的集成度和工作频率，制造工艺越精细，CPU可以达到的频率越高，集成的晶体管就可以更多。,目前生产CPU主要采用CMOS（互补金属氧化物半导体）技术。采用这种技术生产CPU时采用“光刀”加工各种电路和元器件，将金属铝沉淀在硅材料上后用“光刀”刻成导线连接各元器件。现在光刻的精度一般用微米（m）表示，精度越高表示生产工艺越先进。Northwood核心的Pentium 4 CPU制造工艺达到0.13m，目前CPU的制造工艺已

11、达到0.09m。,7工作电压 工作电压即CPU正常工作所需的电压。早期的CPU（286、386、486）由于制作工艺落后，因此工作电压较高，一般为 5V（Pentium是3.5V、3V、2.8V等）左右，导致CPU的发热量过大，电子迁移现象缩短了CPU的使用寿命。现在随着CPU制造工艺的提高，工作电压一般在1.2V2.0V之间，使CPU发热量问题得到了很好的解决。,8超标量流水线技术 流水线（pipeline）是Intel公司首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线。在CPU中由56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56步后再由

12、这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高了CPU的运算速度。,超流水线是指CPU内部的流水线超过通常的56步以上，例如Pentium 4的流水线就长达20步。将流水线设计的步（级）数越多，其完成一条指令的速度越快，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，这在486或者以前的CPU上是很难想象的，只有奔腾级以上CPU才具有这种超标量结构。,9动态处理 动态处理是应用在高能奔腾微处理器中的新技术，它创造性地把三项专为提高微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预测、数据流量分析和猜测执

13、行。动态处理并不是简单地执行一串指令，而是通过操作数据来提高微处理器的工作效率。,2.3 CPU的架构和封装方式,1CPU的架构和安装插座规格 2CPU的封装方式,2.4 主要CPU生产厂家目前的主流产品,2.4.1 Intel公司的主流CPU Intel公司自进入Pentium 4时代以来已经三易其“芯”，早期的Willamette核心基本上已经退出市场，主流市场仍然以Northwood为主，Prescott则为新一代处理器所采用，因此即使是低端市场也存在着3种截然不同的选择。,1Willamette核心的Intel处理器 Willamette核心的Intel处理器推出时间较早，采用Sock

14、et 423或Socket 478接口，0.18m，核心电压为1.75V，外频为100MHz，前端总线最高400MHz。由于工艺落后，性能提升非常有限，Willamette核心Socket 423接口的处理器只是昙花一现，搭配的芯片组主要以Intel的i850为主，如今在市场已是难觅其踪，也就不再对其多加介绍了。,Willamette核心Socket 423接口的Pentium 4外形上比较容易辨别（如图2-22所示）。,图2-22 Willamette Socket 423 Pentium 4 CPU,Willamette核心Socket 478接口的Pentium 4处理器主频覆盖1.5G

15、Hz到2.0GHz之间，Celeron则主要有1.7GHz和1.8GHz两款。 由于价格便宜，虽然Intel业已停产，但在市场上仍有流通，这类处理器外观上与Northwood核心的Pentium 4、Celeron4较难区别，但实际性能却相差很远，消费者在购买时一定要认清它的二级缓存和核心电压。,Willamette核心Socket 478接口的Pentium 4二级缓存为256KB、核心电压为1.75V，如图2-23所示。,图2-23 Willamette Socket 478 Pentium 4 CPU,Willamette核心Socket 478接口的Celeron 4二级缓存为128K

16、B、核心电压为1.75V，如图2-24所示。,图2-24 Willamette Socket 478 Celeron 4 CPU,推荐最佳主板配置：首选i845D、i845GL、SiS645，备选i845、SiS650、Pentium 4X266、Pentium 4M266。,推荐理由：由于Willamette核心的CPU外频为100MHz，前端总线最高支持400MHz，Intel公司的i845、i845GL，SiS的SiS645、SiS650，VIA的Pentium 4X266、Pentium 4M266都提供400MHz前端总路线的支持，但在带宽需求上，上述芯片组都不支持双通道，内存带宽1

17、00264/8=1.6GB/s远不能满足系统前端总线带宽100464/8=3.2GB/s的需求，因此支持异步DDR333的SiS645是一个不错的选择。,2Northwood核心处理器 基于Northwood核心处理器采用了更先进的0.13m制造工艺，工作电压降低到1.5V左右，相比Willamette核心的处理器，其主频有了很大改善，二级缓存也从256KB提升到了512KB。,早期Northwood核心的Pentium 4、Celeron 4处理器外频依然只有100MHz，前端总线最大支持到400MHz，为了与主频相同但只拥有256KB二级缓存的Willamette核心Pentium 4处理

18、器区别开，Intel公司在其处理器编号后面加了一个大写字母“A”，主要型号如表2-1所示。,由于核心工艺的提升，基于Northwood核心的Pentium 4A系列（如图2-25所示）和Celeron 4系列（如图2-26所示）CPU外频一般都可以工作在133MHz即533MHz的前端总线上，尤其低频版的Celeron 4。例如Celeron 42.0，由于主频较低、二级缓存小、工艺先进、核心电压低等因素，它拥有很高的超频潜力，配合超频功能丰富的主板可以轻松超频到3GHz以上，具有很高的性价比。,图2-25 Northwood核心Pentium 4 A系列CPU,图2-26 Northwood

19、核心的Celeron 4系列CPU,Northwood核心的Celeron 4由于外频和二级缓存与Willamette核心Socket 478接口的Celeron 4一模一样，因此从外观上很难区分。不过采用Northwood核心的Celeron 4主频是从2.0GHz起跳，而且核心电压仅有1.525V，只要具备这两个条件就可以断定是Northwood核心的Celeron 4，其主要型号如表2-2所示。,得益于工艺的提升，后期推出的Pentium 4和Celeron 4处理器都正式提供了对133MHz外频的支持，前端总线最高支持533MHz，为了与早期FSB仅为400MHz的处理器区别开来，In

20、tel在其编号后加了一个大写字母“B”来进行区分，其主要型号如表2-3所示。,推荐最佳主板配置：首选Intel公司的i845PE、SiS的SiS655，备选Intel公司的Intel E7205、i845GE、i845E、i845G、i845GV，SiS公司的SiS648、SiS645DX、SiS651、SiS650GX，VIA公司的Pentium 4X400A、Pentium 4X400、Pentium 4X333、Pentium 4X266A、Pentium 4M266A、Pentium 4M333、Pentium 4M400A，ATi的RADEON 9100 IGP等。,推荐理由：由于N

21、orthwood核心Pentium 4A、Pentium 4B（如图2-27所示）和Celeron 4都提供对533MHz的前端总线的支持，因此与其配套的主板要求至少提供533MHz的FSB、DDR333甚至更高的内存标准。,图2-27 Northwood核心Pentium 4 B系列CPU,3集Prescott核心所长的Celeron D Celeron D（如图2-28所示）作为Intel在低端市场投放的一支重要的生力军，其技术含量可谓“集最新技术之大成”，确保与Northwood核心的Celeron比较起来有很大的区别。,图2-28 低端新宠：Celeron D CPU,首先基于Pres

22、cott核心，0.09m制造工艺，工作电压降低到1.3V左右，内部晶体管数量由Northwood核心的5 500万个增加到1亿2 500万个，流水线级数由20级扩大到31级，改善了软硬件预读取机制，增加了13条新的SEE3指令，一级数据缓存由8KB增至16KB，二级缓存也首次增加到256KB改善了Celeron处理器只有128KB二级缓存的弊病，前端总线也由老Celeron 4的400MHz提升至533MHz。,在实际试用中增长的流水线使低频下的Celeron D性能有不错的表现，不过工艺的提升使低频Celeron D尤其是Celeron D325拥有良好的超频性能，多数情况下可轻松超到3.2

23、GHz，部分CPU的前端总线甚至可以工作在800MHz下，这一切使Celeron D成为目前低端市场上炙手可热的一款高性价比处理器，其主要型号如表2-4所示。,推荐最佳主板配置：首选i848P、ATi公司的RADEON 9100Pro IGP（注：这两款芯片组官方明确提供对Prescott核心CPU的支持），备选SiS655FX、Pentium 4X533、SiS648FX、SiS661FX、VIA的PT800、部分i845系列主板。,推荐理由：因为Celeron D推出的时间较晚，采用Prescott核心，工作电压只有1.3V左右，因此要想稳定支持Celeron D需要主板同时具备两个条件：

24、（1）支持VRM10.0（电压调节模块）标准；（2）支持FMB1.0、FMB1.5或FMB2.0（电压控制模块）标准（注：可从主板说明书中查到是否支持以上标准）。,4中端市场：Pentium 4C、Prescott核心处理器共奏800MHz主旋律 核心架构的变化同样使中端市场面临着两种不同的选择：Northwood核心的Pentium 4C系列与Prescott核心Socket 478接口的Pentium 4E系列处理器。,事实证明，先进的工艺与处理器性能有着密切的关系，同Pentium 4A/B系列相比，Pentium 4C系列处理器依然基于Northwood核心，不同的是核心版本升到D1版

25、，前端总线提升至800MHz，并且支持超线程技术，Intel在其主频后加以大写字母C来区分A/B系列处理器，如图2-29所示为Northwood核心的Pentium 4C 3.0GHz CPU。由于工艺的提升使Celeron系列处理器中的低频版本如2.4C拥有极好的超频性能，正常情况下可轻松超至3GHz，性价比突出。,图2-29 Northwood核心的Pentium 4C 3.0GHz CPU,从初期的400MHz到800MHz，系统带宽的大幅提升使处理器的性能可以得到充分发挥，辅以超线程和内存双通道技术，高带宽使系统瓶颈一扫而空，能够充分体验800MHz下淋漓尽致的快感。 Pentium

26、4 C系列处理器主要型号如表2-5所示。,Prescott核心处理器虽然是Intel为了应付AMD64位处理器的权宜之计，但其采用的众多新技术使处理器能够最终摆脱Northwood核心的频率极限，将性能提升到一个新的层次。首先核心使用0.09m制造工艺，七层铜互连技术和应变硅晶技术，使体积大幅缩小的同时可以集成更多的晶体管，一级缓存和二级缓存分别增加到16KB和1MB，支持800MHz的前端总线，采用第二代超线程技术并新增加13条SSE3指令集。,流水线级数也增加到31条，在低频状态下流水线级数过长导致缓存响应时间延长，不过工艺的提升使Prescott核心的处理器拥有比Pentium 4C系列

27、处理器更好的超频性能，如果能保证良好的散热条件其超频潜力相当大，也可以缓解低频状态下的缓存延迟矛盾，使Prescott核心处理器的性能充分发挥出来。 其主要型号如表2-6所示。,注意：2.4A和2.8A同样基于Prescott核心，不过外频只有133MHz，且不支持超线程技术。与Northwood核心A系列Pentium 4有着本质的不同，不过依然可以从二级缓存或前端总线上来判断。图2-30所示为Prescott核心的Pentium 42.8E。,图2-30 Prescott核心的Pentium 42.8E CPU,推荐最佳主板配置：首选i875P、SiS655TX，备选VIA的PT880、i

28、865PE、i865P、i865GE、i865G、ATi的RX330。 推荐理由：要想真正发挥Prescott核心处理器的优势，除了主板要真正支持Prescott处理器外，800MHz FSB、双通道DDR400以及类似PAT的内存加速技术都缺一不可，只有完全突破内存和系统带宽，Prescott核心处理器的性能才能得到真正发挥。,5高端市场：平民化、大众化的道路还要很远 拿Intel公司目前的情况看，CPU战线空前冗长，加上核心架构面临换代，而配套主板迟迟不能投放到最终市场，有价无货导致CPU价格高高在上，远远不如中低端市场CPU与主板配套成熟，最终使高端市场给人以高处不胜寒的感觉。不过，徘徊肯定是暂时的，相信随着各方芯片组产品的成熟铺放，高端市场的局面迟早会得到改观。,针对高端市场，当前可选的处理器有基于Gallatin核心的Pentium 4至尊版及基于Prescott核心LGA775接口的Pentium 4处理器。Pentium4 Extreme Edition处理器即Pentium 4EE至尊版是Intel在Prescott核心Pentium 4推出之前最强的桌面处理器了。它是Intel为了应对AMD64位处理器的发布而推出的一系列超级处理器，Pentium 4 EE采用0.13m制造工艺，,一级缓存和二级缓存容