D 3DNOW! 计算机硬件技术基础 第四章中央处理器CPU 介绍CPU的: 发展和现状 性能指标 新技术应用 接口封装
第四章 中央处理器CPU 介绍CPU的： 发展和现状 性能指标 新技术应用 接口封装 计 算 机 硬 件 技 术 基 础
第四章微型机的中央处理器CPU 4.1CPU概述 算242CP的主要技术参数 4.3微处理器中所采用的新技术 机 硬44单指令多数据流技术 45CPU的封装与接口类型 46典型CPU介绍 术 基 作业:1、2、3、4、5、9 孔名词解释:流水线、超标量、超线程、直接映像 Cache 全相联 Cache、MMX、SMD、饱和运算、3DNOW!、 Netburst。 第2页
第 2 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 第四章 微型机的中央处理器CPU 4.1 CPU概述 4.2 CPU的主要技术参数 4.3 微处理器中所采用的新技术 4.4 单指令多数据流技术 4.5 CPU的封装与接口类型 4.6 典型CPU介绍 作业：1、2、3、4、5、9 名词解释：流水线、超标量、超线程、直接映像Cache、 全相联Cache、MMX、SIMD、饱和运算、3D NOW!、 NetBurst
4.1CPU概述 分代开始年亻 Intel CPU 其他CPU 第一代 19788086/8088 第二代198480286 机)第三代 198780386DXSX 第四代|1990 80486 SX/DX/DX2/DX4 硬件技术 AMD K5 第五代1993 Pentium mm Cyrix 6X86/6X86MX DT Win Chip C6 Win Chip2 3D Pentium Pro AMD K6 塞第六代 1996 Pentium ll Celeron AMD K6-2 Pentium Ill AMD K6-3 7础 第七代2000 Pentium d/ee AMD K7(Athlon)/(64) AMD Thunderbird Pentium在拉丁文里面就是“五”的意思 第3页
第 3 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.1 CPU概述 分代 开始年代 Intel CPU 其他CPU 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 第七代 8086/8088 80286 80386 DX/SX 80486 SX/DX/DX2/DX4 Pentium Pentium MMX Pentium Pro Pentium II Celeron Pentium III Pentium 4 Pentium D/EE 1978 1984 1987 1990 1993 1996 2000 AMD K5 Cyrix 6X86/6x86MX IDT WinChip C6 WinChip2 3D AMD K6 AMD K6-2 AMD K6-3 AMD K7 (Athlon) / (64) AMD Thunderbird Pentium在拉丁文里面就是“五”的意思
42CPU的主要技术参数 42.1位、字节和字长 位:CPU的最小存储单位,有“0和“1两种取值。 种字节:CPU的最小访问单位,8位组成的 算字长:CPU_次能处理的二进制数,CPU中ALU的处理 机 位数 硬CPU按照其处理信息的字长可以分为:八位、十六位、三 十二位及六十四位微处理器等 被技 术ntex86系列cPU 基8位8080、8085 础16位8086、80186、80286 32位386、486、 Pentium、PlPⅢlP4 64位 tanium(安腾)、P4F、 Pentium d/ee 第4页
第 4 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.2 CPU的主要技术参数 4.2.1 位、字节和字长 位：CPU的最小存储单位，有“0”和“1”两种取值。 字节：CPU的最小访问单位，8位组成的。 字长：CPU一次能处理的二进制数，CPU中ALU的处理 位数。 CPU按照其处理信息的字长可以分为：八位、十六位、三 十二位及六十四位微处理器等。 Intel x86系列CPU 8位 8080、8085 16位 8086、80186、80286 32位 386、486、Pentium、PII、PIII、P4 64位 Itanium(安腾)、P4 F、Pentium D/EE
422时钟频率 主频:驱动CPU工作的周期性循环脉冲信号的频率,是 CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率。其周 期为时钟周期。多个时钟周期组成一个机器周期,多个 3机器周期组成个指令周期 机 外频:CPU外频也叫前端总线频率或系统总线时钟频率, 硬是由主板为CPU提供的基准时钟频率。 >倍频:CPU主频、信频、外频三者的关系 被技 主频=外频x倍频。 超频:超频就是在实际使用中让CPU工作在高于额定的 基工作频率上 7础 CPU Pentium P PⅢ P4 外频 60~66 66~100 100~133 100~266 主频 75~200 233~450 450~733 1~3.8G
第 5 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.2.2 时钟频率 ➢ 主频：驱动CPU工作的周期性循环脉冲信号的频率，是 CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率。其周 期为时钟周期。多个时钟周期组成一个机器周期，多个 机器周期组成一个指令周期。 ➢外频： CPU外频也叫前端总线频率或系统总线时钟频率， 是由主板为CPU提供的基准时钟频率。 ➢倍频：CPU主频、倍频、外频三者的关系： 主频=外频×倍频。 ➢超频：超频就是在实际使用中让CPU工作在高于额定的 工作频率上。 Pentium 60~66 75~200 P II 66~100 233~450 P III 100~133 450~733 P 4 100~266 1~3.8G CPU 外频 主频
42.3L1和L2 Cache的容量和速率 L1和L2 Cache的容量和工作速率对提高微机速度起 关键作用 ≯L1 Cache:一般在cPU内部,容量为几十KB。 机 L2 Cache:可在CPU内部或外部,一般为几百KB~几 MB 硬 L2 Cache对提高整数运算速度有显著作用。 被技 术 Registers L2 Cache cache RAM RAM RAM 基 (16KB) (256Kb (32MB) busses 7础 (PCI and ISA) System bus 第6页
第 6 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.2.3 L1和L2 Cache的容量和速率 L1和L2 Cache的容量和工作速率对提高微机速度起 关键作用。 ➢L1 Cache：一般在CPU内部，容量为几十KB。 ➢L2 Cache：可在CPU内部或外部，一般为几百KB~几 MB。 L2 Cache对提高整数运算速度有显著作用
424工作电压 CPU的工作电压:5V→33→1~2V 算x>早期CPU8086486时代的工作电压般为5V。标 机 准的TTL ( Transistor- Transistor Logic)数字电路工作 电压为5V 硬 >早期 Pentium CPU工作电压一般为3V左右。这是由于 被技 CPU的制造工艺提高,低电压工作可靠性有保障。 减小CPU功耗,减小发热量。CPU功耗与电源电 压的平方成正比。 基 节能。 7础 >笔记本专用的CPU和 Pentium4的工作电压一般为12 18V。 第7页
第 7 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.2.4 工作电压 CPU 的工作电压：5V → 3.3V → 1~2V ➢早期CPU(8086－486时代)的工作电压一般为5V。标 准的TTL (Transistor- Transistor Logic)数字电路工作 电压为5V。 ➢早期Pentium CPU工作电压一般为3V左右。这是由于： ▪ CPU的制造工艺提高，低电压工作可靠性有保障。 ▪ 减小CPU功耗，减小发热量。CPU功耗与电源电 压的平方成正比。 ▪ 节能。 ➢笔记本专用的CPU和Pentium4的工作电压一般为1.2 ~1.8V
4.2.5地址总线宽度、数据总线宽度 9>地址总线宽度 地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空 间,简单地说就是cPU到底能够使用多大容量的内存。 8608620位,最大存储器空间MB 机硬件技木 80286—24位,最大存储器空间16MB 80386——32位,最大存储器空间4GB f· Pentium pro-36位,最大存储器空间64GB >数据总线宽度 数据总线负责整个系统的数据流量的大小,而数据 基 总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输 入输出设备之间一次数据传输的信息量 数据总线宽度与CPU位宽可能不一致。 数据总线宽度与总线位宽可能不一致 第8页
第 8 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.2.5 地址总线宽度、数据总线宽度 ➢ 地址总线宽度 地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空 间，简单地说就是CPU到底能够使用多大容量的内存。 ▪ 8086——20位，最大存储器空间1MB。 ▪ 80286——24位，最大存储器空间16MB。 ▪ 80386——32位，最大存储器空间4GB。 ▪ Pentium Pro——36位，最大存储器空间64GB。 ➢ 数据总线宽度 数据总线负责整个系统的数据流量的大小，而数据 总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输 入/输出设备之间一次数据传输的信息量。 ▪ 数据总线宽度与CPU位宽可能不一致。 ▪ 数据总线宽度与总线位宽可能不一致
4.2.6制造工艺 >半导体材料工艺—目前均为CMOS工艺。 TL( Transistor- Transistor Logic)晶体管逻辑 计算机硬件技 NMOS(N- Channe!MoS)N沟道金属氧化物半导体 PMOS(P- Channe!MOS)P沟道金属氧化物半导体 CMOS(Complementary Metal Oxide Simeconductor) 互补金属氧化物半导体,CMOS工艺C功耗与频率成 正比,与电压的平方成正比。 +线—指芯片上的最基本功能单元的宽度,缩小线宽 、提高期技意B0P般使月用0603做米 7础>铜配线技术—以往芯片内部使用铝连线,现在普遍采 用导电特性更好的铜配线技术,可以提高CP的集成度 和工作频率 第9页
第 9 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.2.6 制造工艺 ➢ 半导体材料工艺——目前均为CMOS工艺。 ▪TTL(Transistor- Transistor Logic) 晶体管逻辑 ▪NMOS(N-Channel MOS) N沟道金属氧化物半导体 ▪PMOS(P-Channel MOS) P沟道金属氧化物半导体 ▪CMOS(Complementary Metal Oxide Simeconductor) 互补金属氧化物半导体，CMOS工艺IC功耗与频率成 正比，与电压的平方成正比。 ➢ 线宽——指芯片上的最基本功能单元的宽度，缩小线宽 可以提高集成度，Pentium CPU一般使用0.6~0.13微米 线宽，最新技术是0.09微米 ➢ 铜配线技术——以往芯片内部使用铝连线，现在普遍采 用导电特性更好的铜配线技术，可以提高CPU的集成度 和工作频率
4.3微处理器中所采用的新技术 4.3.1流水线与超标量结构 。非流水线指令的执行过程 计1)取指令:从内存读取这条指令 衣3)取操作数:从内存中读取执行该条指令所需的操作数 2)译码:将指令翻译成操作命令 4)执行指令:CPU指定部件实际执行这条指令; 5)回写:将执行的结果送回内存或寄存器中 件技木 取指令FI 译码D 取操作数FO执行指令E 回写W 一条指令必须在前一条指令的五个步骤执行完后才能执行 7础 下一条指令。 不一定所有指令都有五步 第10页
第 10 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 4.3 微处理器中所采用的新技术 4.3.1 流水线与超标量结构 非流水线指令的执行过程： 1) 取指令：从内存读取这条指令； 2) 译码：将指令翻译成操作命令； 3) 取操作数：从内存中读取执行该条指令所需的操作数； 4) 执行指令：CPU指定部件实际执行这条指令； 5) 回写：将执行的结果送回内存或寄存器中。 一条指令必须在前一条指令的五个步骤执行完后才能执行 下一条指令。 不一定所有指令都有五步。 取指令FI 译码D 取操作数FO 执行指令E 回写W