第三章 中央处理器（CPU）
教学要求
一、概述：
CPU是决定计算机性能的重要部分，是计算机的心脏。CPU的更新换代直接标志了计算机的升级换代。本章主要介绍了市场上主流的几种CPU的发展史和它们的技术参数，并且对各种CPU所采用的新技术进行了讲解。通过本章的学习，学员会对目前常见的各种CPU的技术参数和使用的技术有一个全面的了解；同时，对于如何识别真伪CPU产品的方法要比较熟悉。
二、学习目标：
熟悉CPU的发展史。至少说出市场上正在销售的三种品牌的不同档次的CPU
能够大致说出CPU芯片的各个组成部分，经过深入学习能够说出各组成部分的作用和数据运算流程
了解CPU的一些主要技术参数的定义，并按照封装方式的不同背诵出代表产品
了解每一种类的CPU所使用的特色技术，清楚各种特色技术的优势和着眼点
熟悉冷却风扇的一些基本参数，为不同的芯片配置不同的风扇
三、本章重点：
CPU发展史的介绍以及各代CPU的技术特色是本章重点内容
四、本章难点：
CPU的技术参数术语较多，理解起来比较困难
§3.2 主流CPU的工作原理
3.2.1 CPU的基本构成
CPU的内部结构可分为：控制单元、逻辑运算单元、存储单元（包括内部总线和缓冲器）三大部分。
1.指令高速缓存
是芯片上的指令仓库，这样微处理器就不必停下来查找计算机的内存中的指令。这种快速方式加快了处理速度。
2.控制单元
它负责有整个处理过程。根据来自译码单元的指令，它会生成控制信号，告诉运算逻辑单元（ALU）和寄存器如何运算、对什么进行运算以及怎样对结果时处理。
3.运算逻辑单元（ALU）
是芯片的智能部件，能够执行加、减、乘、除等各种命令。此外，它还知道如何读取逻辑命令，如或、与、非。来自控制单元的讯息将告诉运算逻辑单元应该做些什么，然后运算单元将寄存器中提取数据。以完成任务。
4.寄存器
是运算逻辑单元（ALU）为完成控制单元请求的任务所使用的数据的小型存储区域。（数据可以来自高速缓存、内存、控制单元）
5.预取单元
根据命令或将要执行的任务决定，何时开始从指令高速缓存或计算机内存中获取数据和指令。当指令到达时，预取单元最重要任务是确保所有指令均按正确的排列，以发送到译码单元。
6.数据高速缓存
存储来自译码单元专门标记的数据，以备运算逻辑装单元使用，同时还准备了分配到计算机不同部分的最终结果。
7.译码单元
是将复杂的机器语言指令解译运算逻辑单元（ALU）和寄存器能够理解的简单格式。
8.总线单元
是指令从计算机内存流进和流出的处理器的地方。
3.2.2 CPU的工作原理
一个工厂对产品的加工过程：
进入工厂的原料（程序指令），结过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出的成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储单元）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。
CPU的工作原理：
从控制单元开始，CPU就开始了正式工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作结束。首先，指令指针会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号（称为地址），可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元（ALU）什么时候计算，告诉指令读取器什么时候取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。
根据对指令类型的分析和特殊工作状态的需要，CPU设置了六种工作周期，分别用六个触发器来表示它们的状态，任一时刻只许一个触发器为1，表时CPU所处周期状态，即指令执行过程中的某个阶段。
1.取指周期（FC）
CPU在FC中完成取指所需要操作。每条指令都必须经历取指周期FC，在FC中完成的操作与指令操作码无关的公共操作。但FC结束后转向哪个周期则与本周期中取出的指令类型有关。
2.源周期（SC）
CPU在SC中完成取源操作数所需的操作。如指令需要源操作数，则进入SC。在SC中根据指令寄存器IR的源地址信息，形成源地址，读取源操作数。
3.目的周期（DC）
如果CPU需要获得目的操作数或形成目的地址，则进DC。在DC中根据IR中的目的地址信息进行相应操作。
4.执行周期（EC）
CPU在取得操作数后，则进入EC，这也是第条指令都经历的最后一个工作阶段。在EC中将依据IR中的操作码执行相应操作，如传递、算术运算、逻辑运算、形成转移地址等。
5.中断响应周期（IC）
CPU除了考虑指令正常执行，还应考虑对外部中断请的处理。CPU在向应中断请求后，进入中断响应周期IC。在IC中将直接依靠硬件进行保存断点、关中断、转中断服务程序入口等操作，IC结束转入取指周期，开始执行中断服务程序。
6.DMA传送周期（DMAC）
CPU响应DMA请求后，进入DMAC中，CPU交出系统总线的控制权，由DMA控制器控制系统总线，实现主存与外围设备之间的数据直接传送。因此对CPU来说，DMAC是一个空操作周期。
CPU控制流程，描述了工作周期状态变化情况：
为了简化控制逻辑，限制在一条指令结束是判断有无DMA请求，若有请求，将插入DMAC；如果在一个DMAC结束前又提出新的DMA请求，则连续安排若干DMA传送周期。
如果没有DMA请求，则继续判断有无中断请求，若有则进入IC。在IC中完成需的操作后向新的FC，这表明进入中断服务程序。
作 业 题
1.简述CPU的基本结构和工作原理？
2.根据对指令类型的分析和特殊工作状态的需要，CPU设置了哪六种工作周期
§3.3 CPU的主要技术参数
1.位、字节和字长
（1）位
二进制数系统中，每个0或1就是一位（bit），位是表示电子信号的最小单位bit，常用英文小写字母b表示。
（2）字节
一个字节（Byte）是由8个位所组成，可代表一个字符（A－Z）、数字（0－9）或符号（,.?!%&+_*/),是数据存储的基本单位Btye常用英文字母B表示。
（3）1 Byte=8 bit ; 1KB=1024 Byte
2.主频
主频－就是CPU的时钟频率，也就是CPU的工作频率。以前的CPU的主频一般以MHz为单位，而新的CPU的主频一般以GHz为单位。
外频－就是系统总线的工作频率。
倍频－是指CPU外频与主频相差的倍数。
用公式表示： 主频＝外频×倍频
3.内存总线速度
内存总线速度或叫系统总线速度，一般同等于CPU的外频。
例如：I865、875系列芯片组的主板，使用了双通道DDR主内存技术，使得在高达800MHz的系统总线速度下，CPU和内存带宽极大提高。
4.工作电压
指是CPU正常工作所需要的电压。CPU电压一般为5V、3.5V、3.3V、2.8V、1.75V、1.5V等。
低电压能降低耗电量和发热量，这对笔记本电脑尤其重要。
5.协处理器
也称为数学处理器，协处理器主要的功能是负责浮点运算。在486以前的CPU内没有内置协处理器。现在CPU的浮点运算（协处理器）往往对多媒休指令进行优化（如：Intel的1996年Pentium MMX CPU的MMX指令集和最新Pentium4全新的SSE2指令集）
6.超标量流水线技术
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时钟周期完成多条指令，因此提高CPU的运算速度。
超标量流水线：指某型CPU内部的流水线超过通常的5-6步以上。
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。
6.乱序执行和分支预测
乱序执行：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相电路单元处理的技术。
分枝：是指程序运行时需要改变的节点，分为：无条件分枝和有条件分枝。无条件分枝只需CPU按指令顺序执行，有条件分枝必须根据处理结果再决定程序运行方向是否改变。因此需要“分枝预测”技术处理的是条件分枝。
7.L1高速缓存
就是一级缓存，内置在CPU内部可以提高CPU的运行效率。
高速缓冲存储器由静态的RAM组成，结构复杂。
回写结构的高速缓存－它对读和写操作有效。
写通结构的高速缓存－仅对读操作有效。
8.制造工艺
即指CPU内部线路的尺度。
例如：Pentium 4采用0.13微米工艺，集成5500万个晶体管； Pentium 4-M采用0.13微米工艺，集成7700万个晶体管。
作 业 题
1.什么是协处理器，它的作用是什么？
2.简述超标量流水线技术、乱序执行和分支预测在CPU数据处理上的所起的作用
§3.4 CPU的分类
3.4.1 主流CPU的生产工艺
CPU的制作过程显非常复杂。以下简要说明CPU的制作流程：
1.切割晶圆
用机器从单晶硅上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核。
2.影印
在经过热处理得到硅氧化物层上涂上一种光阻物质，紫外线能过印制着CPU复印电路结构图样的查模板照射基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。
3.蚀刻
用溶剂将紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅化物氧化物层刻掉。然后把所有的光阻物清除，就得到了有沟的硅基片。
4.分层
加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含晶硅和硅氧化物的沟槽结构。
5.离子注入
通过离子的轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门路。然后的步骤就是不断重复以上的过程。
一个完整的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层电路的连通。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装，一个CPU便制造出来了。
3.4.2 封装形式
封装－是指安装半导体集成电路中芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用。
芯片的封装技术已经历了好几代，从DIP、QFP、PGA、BGA、CSP、MCM，技术指标一代比一代先进，包括改芯片面积与封装面积之比越来越接近1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。
1.DIP封装（Dual In-line Package,双列直插封装）
20世纪70年代流行的是DIP封装，DIP封装结构具有以下特点：
1）适合PCB的穿孔安装
2）比TO型封装电报易于对PCB布线
3）操作方便。
DIP封装结构形式有：
多层陶瓷双列直插式DIP、单层陶瓷双列直插式DIP、引线框架式DIP（玻璃陶瓷封装接式，塑料包装结构式，陶瓷低熔玻璃封装式）等
2.载体封装
20世纪80年代出现了芯片载体封装。其中有：
陶瓷无引线芯片载体（LCCC，Leadless Ceramic Chip Carrier)
塑料有引线芯片载体（PLCC，Plastic Leaded Chip Carrier)
小尺寸封装（SOP，Small Outlne Package)
塑料四边引出扁平封装（PQFP,Plasstic Quad Flat Package).
以0.5mm焊区中心距、208根I/O引脚QFP（Quad flat Package，四边引出扁平封装）封装的CPU。
QFP的特点：
1）用SMT表面安装技术在PCB上安装布线
2）封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用。
3）操作方便
4）可靠性高
3.BGA封装 （Ball Grid Array Package，球栅阵列封装）
20世纪90年代，随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用。新增了新的方式－球栅阵列封装。成了CPU、南北桥等VLSI芯片的选择。
BGA的特点：
1）I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率。
2）虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接。
3）厚度比QFP减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高。
4）寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高。
5）组装可用共面焊接，可靠性高。
6）BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大。
4.面向未来的封装技术
1994年9月，日本三菱电气三究出一种芯片面积/封装面积＝1：1.1的封装结构。其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。命名为：“芯片尺寸封装”，简称CSP（Chip Size Package或Chip Scale Package)
CSP封装具有的特点：
1）满足了LSI芯片出脚不断增加的需要
2）解决了IC裸芯片不能进行交流参数测度和老化筛选的问题
3）封装面积缩小到BGA的1/4甚到1/10，延迟时间大大缩小
能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片或专用集成电路芯片在高密度多层互联基板上用表面安装技术（SMT）组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。因此产生多芯片组件MCM（Multi Chip Model)。
MCM的特点有：
1）封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化。
2）缩小整机/组件组装尺寸和重量，一般体保减小1/4，重量减轻1/3
3）可造性大大提高。
作 业 题
1.简述CPU的制作流程？
2.CPU的封装方式有哪几种
§3.5 CPU的新技术
3.5.1 Intel CPU技术
1.台式机CPU技术
（1）Intel NetBurst微体结构（Intel NetBurst micro-architecture)
包括超级流水线技术、400MHz系统总线、执行跟踪高速缓存、快速执行引擎，还包括高级传输高速缓存、高级动态执行、增强浮点、多媒体单元及SIMD互联网数据流指令扩展2（SSE2）
（2）超级流水线技术（Hiper Pipelined Technology）
是Pentium 4 CPU所采用的Intel NetBurst微体结构的重要组成部分。增强了分枝预测的能力，并将流水线恢复到20级。更深的流水线使用处理器能够更快的地排队和执行指令，从而提高了性能、频率和可扩能力。
（3）快速执行引擎（Rapid Execution Engine)
处理器主频采用两组两倍算术逻辑单元（ALU），从而使用得基本整数指令如加、减、逻辑与以及逻辑或能够在半个时钟周期内完成。
（4）超线程技术（Hyper-Threading Technology)
就是利用特殊硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，这单个处理器都能使用线程级并行计算，从而兼容多线程操作系统的和软件，提高处理器的性能。
2.移动式CPU技术
迅驰（Centrino）是一项“移动计算技术”（Mobility Technology)，它具有：
1）集成的无线局域网（LAN）连接能力
2）突破性的移动计算性能
3）延长的电池使用时间
4）更轻、更薄的外形设计
深入了解构成迅驰的三大支持：
（1）Pentium-M处理器（代号Banias）
标准1.6GHz，1.5GHz,1.4GHz,1.3GHz，低电压1.1GHz,超低电压900MHz
（2）855芯片组系列
由北桥芯片855和南桥芯片ICH4－M组成。
1）北桥芯片：885PM芯片（代号Odem）支持AGP4X接口；支持DDR内存；总线频率为400MHz
855GM芯片（代号Montana-GM）集成3D显示芯片；支持DDR内存；总线频率为400MHz
2）南桥芯片：ICH4-M（编号为FW82801DBM)支持USB2.0、提供两组Ultra ATA-100、AC97音效、Modem
（3）Intel PRO/Wierless 2100无线网络连接具有特性和优势：
1/Wi-Fi认证：单频带支持，提供802.11b网络连接能力。
2/安全性：工业标准和广泛的无线安全性支持
3/Intel PROSet软件：允许多个profile以连接到不同的WLAN网络
4/性能：支持
5/功耗管理：
3.5.2 AMD CPU 新技术
1. AMD 3DNow!技术简介
1998年，3DNow!技术，包括21条指令，支持SIMD的浮点运算以及整数预算，其创新的技术包括，高效SIMD整数指令以增强MPEG的解压效率，新的PREFETCH指令消除数据返回时间。最早采用3DNow!技术是AMD K6-2 CPU
1999年，增强型3DNow!技术，沿用AMD原版的21条指令，新添加24条新指令（其中19条改善MMX整数运算及提高互联网数据分流应用软件开发包的数据传输速率，5条数据信号处理（DSP）延伸软调制解调器、软异步数字用户线路（ADLS）、杜比数字系统以及MP3应用软件等。
专业3DNow!多媒体指令集：与增强型3DNow!技术相比，又新增了52条新指令，可兼容SSE指令。在实际应用中，SIMD指令集能在一条指令中同时处理多个数据流，使它能方便地应用于各种3D游戏中。应用在Athlon MP处理器和950MHz以上的Duron处理器上。
2.Quanti Speed架构
是AMD速龙CPU木核心技术。
Quanti Speed架构设有每次可发出九个指令、并全面设有流水线的超标量核心，确保应用程序指令可以透过多条道传送到核心内进行处理，让处理器可以在一个时钟周期内完成更多的工作。
其它功能：全面设有流水线的超标量运算器、硬件数据预取、随机执行指令的专用翻译后援缓冲器（TLB）
3.Hyper Transport技术简介
是一种支持集成电路进行高速、高性能点对点联系的数据传输技术；支持12.8Gbit/s的带宽；支持外露式总线标准 如：外围设备互连（如：PCI）及新一代的技术（如：InfiniBand、10Gb以大网）
4.AMD的X86－64技术简介
AMD以X86指令集为基础，成功开发了64位的运算结构。
支持需要占用较大物理及虚拟存储地址的应用方案，其中包括高性能服务器、数据库管理系统及计算机辅助设计工具。（如：大小企业）
AMD的X86-64指令集的性能的两个重要功能特色：
一是：64位扩展（也称长模式），二是：寄存器扩展。长模式包括两个子模式，即64位模式和兼容模式。64位模式加添加了8个通用寄存器，并联同指令指针扩大寄存器容量，以便可以支持全新的64位代码。也添加8个128位的浮点寄存器；兼容模式可为现有的16位及32位应用程序提供支持，确保这两大类应用程序可在64位操作系统内执行。
5.AMD Opteron处理器简介
在AMD的第八代CPU内核的基础上，是业界第一款采用了64位的X86技术的产品。
采用了独特的设计，可为目前要求最严格的大型企业应用提供高性的服务器和工作站解决方案。还可扩展性、可靠性、兼容性。
AMD Opteron处理器的主要创新：
可以减少内存瓶颈；支持HyperTransport技术，增加带宽或减少延时。
作 业 题
1.深入剖析Intel的迅驰？
2.AMD的X86－64技术
§3.6 CPU的散热系统
3.6.1 CPU风扇的分类
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根据CPU用散热器的工作原理不同可分为：风冷式、水冷式、半导体制冷、液态氮制冷 水冷式：比较危险，一旦设备漏水，后果不堪设想。 半导体制冷：功耗大，如使用不当，会适得其反，且冷、热温差形成的凝露，会造成设备短路。 液态氮制冷：是发烧友的专利，成本最高，效果最好。（国内市场买不到产品） |
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3.6.2 风扇的性能参数
1.风扇功率
是影响风扇散热效果条件一个条件，一般情况下，功耗越大，风扇的风力越强劲，散热效果越好。
风扇的功率=12V×电流 （注意考虑：风扇结构设计的合理性更为重要）
2.风扇转速
转速的大小直接影响到风扇功率的大小。风扇的转速越高，它向CPU输送的风量就越大，冷却效果越好
选CPU风扇时，应根据CPU的发热量决定，最好选择转速在3500-5200r/min之间的风扇之间。
3.风扇口径
在允许的范围内，风扇口径越大出风量也就越大，风力作用面也就越大。
一般在机箱的安装8*8cm的轴流风扇。
4.散热片材料
散热片的作用：是扩展CPU表面积，从而提高CPU的热量散发速度。
导热性能较好的材料：黄金、银、铜、铝
5.散热片的形状
普通的散热片：是多了几个叶片的“韭”字形。
高档的散热片：使用铝模经过车床削而成，车削后的形状呈多个齿状柱体。
底部的金属板基厚度，通常必须保证一定的厚度。
6.风扇噪声
功率越大，转速也就越快，噪声也越大。
含油轴承式风扇：一般低价的风扇，噪声较小，散热效果满足要求，使用寿命不长。
滚珠轴承式风扇：在中、高档产品使用，更好的散热效果，噪声稍大，价格略高。
7.风扇排风量
测试排风量方法：将手放在散热片附近感受一下吹出的风的强度即可。
作 业 题
1.CPU风扇分哪几类？
2.CPU风扇有哪些参数性能
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