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认识cpu

认识cpu

CPU即中央处理器。

CPU发展至今，其中所集成的电子元件也越来越多，上万个晶体管构成了CPU的内部结构。

那么这上百万个晶体管是如何工作的呢？

看上去似乎很深奥，但归纳起来，CPU的内部结构可分为控制单元，逻辑单元和存储单元三大部分。

CPU的工作原理就象一个工厂对产品的加工过程：

进入工厂的原料（指令），经过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储器）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。

CPU是整个微机系统的核心，它往往是各种档次微机的代名词，CPU的性能大致上反映出微机的性能，因此它的性能指标十分重要。

CPU主要的性能指标有：

1.主频,倍频,外频:

一般说来，主频越高，CPU的速度越快。

倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。

三者关系是：

主频=外频x倍频。

2.内存总线速度:

指CPU与二级（L2）高速缓存和内存之间的通信速度。

3.扩展总线速度:

指安装在微机系统上的局部总线如PCI总线接口卡的工作速度。

4.工作电压:

指CPU正常工作所需的电压。

早期CPU的工作电压一般为5V，随着CPU主频的提高，CPU工作电压有逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题。

5.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，对于486以上的微机系统，地址线的宽度为32位，最多可以直接访问4096MB的物理空间。

PentiumⅡ/PentiumⅢ为36位，可以直接访问64GB的物理空间。

就是内存的空间.

6.数据总线宽度:

数据总线宽度决定了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。

7.内置协处理器:

含有内置协处理器的CPU，可以加快特定类型的数值计算，某些需要进行复杂计算的软件系统，如高版本的AUTOCAD就需要协处理器支持。

8.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。

Pentium级以上CPU均具有超标量结构；而486以下的CPU属于低标量结构，即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。

9.L1高速缓存即一级高速缓存:

内置高速缓存可以提高CPU的运行效率，这也正是486DLC比386DX-40快的原因。

内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，这也正是一些公司力争加大L1级高速缓冲存储器容量的原因。

不过高速缓冲存储器均由静态RAM（随机存取存储器）组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。

发展历史

　　一、X86时代的CPU

CPU的溯源可以一直去到1971年。

在那一年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。

这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！

4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以后，INTEL便与微处理器结下了不解之缘。

可以这么说，CPU的历史发展历程其实也就是INTEL公司X86系列CPU的发展历程，

1978年，Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令。

由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们把这些指令集统一称之为X86指令集。

虽然以后Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的X86指令，而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。

至于在后来发展壮大的其他公司，例如AMD等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU命名，但到了586时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题，它们已经无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。

1979年，INTEL公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。

8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的兄弟8086是16位。

1981年8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。

也正是从8088开始，PC机（个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来。

1982年，INTE已经推出了划时代的最新产品80286芯片，该芯片比8006和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。

其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。

1985年INTEL推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，与80286相比，80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。

80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。

增加了一种叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。

出于不同的市场和应用考虑，INTEL又陆续推出了一些其它类型的80386芯片：

80386SX、80386SL、80386DL等。

1988年推出的80386SX是市场定位在80286和80386DX之间的一种芯片，其与80386DX的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286相同，分别是16位和24位（即寻址能力为16MB）。

1990年推出的80386SL和80386DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。

80386SL与80386DL的不同在于前者是基于80386SX的，后者是基于80386DX的，但两者皆增加了一种新的工作方式：

系统管理方式。

当进入系统管理方式后，CPU就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入“休眠”状态，以达到节能目的。

1989年，80486芯片由INTEL推出，这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。

80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。

80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。

它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。

由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协处理器的80386DX提高了4倍。

80486和80386一样，也陆续出现了几种类型。

上面介绍的最初类型是80486DX。

1990年推出了80486SX，它是486类型中的一种低价格机型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器（它执行附加的功能或协助主微处理器工作）。

80486DX2采用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行。

80486DX2的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。

80486DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。

为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓存扩大到16KB。

80486DX4的时钟频率为100MHz，其运行速度比66MHz的80486DX2快40%。

80486也有SL增强类型，其具有系统管理方式，用于便携机或节能型台式机。

Pentium名称的来历

在286、386、486这些产品深入人心后，1992年10月20日，宣布Intel第五代处理器被命名Pentium，而不是586。

在此之前，由于386、486系列产品性能出众，AMD生产的处理器也以这些数字命名。

PENT在希腊文中表示"5"，-ium看上去是某化学元素的词尾，用在这里可以表示处理器的强大处理能力和高速性能。

值得注意的是在PentimuPro的一个封装中除芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。

奔腾Pro200MHZCPU的L2CACHE就是运行在200MHZ，也就是工作在与处理器相同的频率上。

这样的设计领奔腾Pro达到了最高的性能。

而PentimuPro最引人注目的地方是它具有一项称为“动态执行”的创新技术，这是继奔腾在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。

PentimuPro系列的工作频率是150/166/180/200，一级缓存都是16KB，而前三者都有256KB的二级缓存，至于频率为200的CPU还分为三种版本，不同就在于他们的内置的缓存分别是256KB，512KB，1MB。

不过由于当时缓存技术还没有成熟，加上当时缓存芯片还非常昂贵，因此尽管PentimuPro性能不错，但远没有达到抛离对手的程度，加上价格十分昂贵，一次PentimuPro实际上出售的数目非常至少，市场生命也非常的短，PentimuPro可以说是Intel第一个失败的产品。

INTEL吸取了奔腾Pro的教训，在1996年底推出了奔腾系列的改进版本，奔腾MMX（多能奔腾）。

这款处理器并没有集成二级缓存，而是独辟蹊径，采用MMX技术去增强性能。

MMX技术是INTEL最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译“多媒体扩展指令集”。

MMX是Intel公司在1996年为增强奔腾CPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术，为CPU增加了57条MMX指令，除了指令集中增加MMX指令外，还将CPU芯片内的L1缓存由原来的16KB增加到32KB（16K指命+16K数据），因此MMXCPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60％左右。

MMX技术不但是一个创新，而且还开创了CPU开发的新纪元，后来的SSE，3DNOW！

等指令集也是从MMX发展演变过来的。

在Intel推出奔腾MMX的几个月后，AM也推出了自己研制的新产品K6。

K6系列CPU一共有五种频率，分别是：

166/200/233/266/300，五种型号都采用了66外频，但是后来推出的233/266/300已经可以通过升级主板的BIOS而支持100外频，所以CPU的性能得到了一个飞跃。

特别值得一提的是他们的一级缓存都提高到了64KB，比MMX足足多了一倍，因此它的商业性能甚至还优于奔腾MMX，但由于缺少了多媒体扩展指令集这道杀手锏，K6在包括游戏在内的多媒体性能要逊于奔腾MMX。

3、优势的确立——奔腾Ⅱ：

1997年五月，INTEL又推出了和奔腾Pro同一个级别的产品，也就是影响力最大的CPU——奔腾Ⅱ。

它运行在66MHz总线上，主频分233、266、300、333Mhz四种，接着又推出100Mhz总线的奔腾Ⅱ，频率有300、350、400、450Mhz。

奔腾II采用了与奔腾Pro相同的核心结构,从而继承了原有奔腾Pro处理器优秀的32位性能，增加了MMX指令集,以加速16位操作系统的执行速度。

在奔腾Ⅱ里面，Intel一改过去BiCMOS制造工艺的笨拙,将750万个晶体管压缩到一个203平方毫米的印模上。

奔腾Ⅱ只比奔腾Pro大6平方毫米,但它却比奔腾Pro多容纳了200万个晶体管。

从而达到了X86前所未有的时钟速度。

除了用于普通用途的奔腾Ⅱ之外，Intel还推出了用于服务器和高端工作站的Xeon系列处理器采用了Slot2插口技术，32KB一级高速缓存，512KB及1MB的二级高速缓存。

为了对抗不可一世的奔腾Ⅱ，在1998年中，AMD推出了K6-2处理器，它的核心电压是2.2伏特，所以发热量比较低，一级缓存是64KB，更为重要的是，为了抗衡Intel的MMX指令集，AMD也开发了自己的多媒体指令集，命名为3DNow!

。

3DNow!

是一组共21条新指令，可提高三维图形、多媒体、以及浮点运算密集的个人电脑应用程序的运算能力，使三维图形加速器全面地发挥性能。

K6-2的所有型号都内置了3DNow!

指令集，使AMD公司的产品首次在某些程序应用中，在整数性能以及浮点运算性能都同时超越INTEL，让INTEL感觉到了危机。

不过和奔腾Ⅱ相比，K6-2仍然没有集成二级缓存，因此尽管广受好评，但始终没有能在市场占有率上战胜奔腾Ⅱ。

4、廉价高性能CPU的开端——Celeron：

在以往，个人电脑都是一件相对奢侈的产品，作为电脑核心部件的CPU，价格几乎都以千元来计算，不过随着时代的发展，大批用户急需廉价而使用的家庭电脑，连带对廉价CPU的需求也急剧增长了。

在奔腾Ⅱ又再次获得成功之际，INTEL将全部力量都集中在高端市场上，从而给AMD乘虚而入的机会，眼看着性能价格比不如对手的产品，而且低端市场一再被蚕食，INTEL于1998年全新推出了面向低端市场，性能价格比相当厉害的CPU——Celeron，赛扬处理器。

Celeron可以说是Intel为抢占低端市场而专门推出的，当时1000美元以下PC的热销，令AMD等中小公司在与Intel的抗争中打了个漂亮的翻身仗。

Intel把奔腾II的二级缓存和相关电路抽离出来，再把塑料盒子也去掉，再改一个名字，这就是Celeron。

中文名称为赛扬处理器。

最初的Celeron采用0.35微米工艺制造，外频为66MHz，主频有266与300两款。

接着又出现了0.25微米制造工艺的Celeron333。

不过在开始阶段，Celeron并不很受欢迎，最为人所诟病的是其抽掉了芯片上的L2Cache，自从在奔腾Ⅱ尝到甜头以后，大家都知道了二级缓存的重要性，因而想到赛扬其实是一个被阉割了的产品，性能肯定不怎么样。

实际应用中也证实了这种想法，Celeron266装在技嘉BX主板上，性能比PII266下降超过25%！

而相差最大的就是经常须要用到二级缓存的程序。

Intel也很快推出了集成128KB二级缓存的Celeron，起始频率为300Mhz，为了和没有集成二级缓存的同频Celeron区分，它被命名为Celeron300A。

它集成的二级缓存容量只有128KB，但它和CPU频率同步，而奔腾Ⅱ只是CPU频率一半，因此Celeron300A的性能和同频奔腾Ⅱ非常接近。

更诱人的是，这款CPU的超频性能奇好，大部分都可以轻松达到450Mhz的频率，要知道当时频率最高的奔腾Ⅱ也只是这个频率，而价格是Celeron300A的好几倍。

为了降低成本，从Celeron300A开始，Celeron又重投Socket插座的怀抱，但它不是采用Socket7，而是采用了Socket370插座方式，通过370个针脚与主板相连。

从此，Socket370成为Celeron的标准插座结构，直到现在频率1.2Ghz的CeleronCPU也仍然采用这种插座。

在99年初，Intel发布了第三代的奔腾处理器——奔腾III，第一批的奔腾III处理器主频有450和500Mhz两种，这个内核最大的特点是更新了多媒体指令集，这个指令集在MMX的基础上添加了70条新指令，以增强三维和浮点应用.

不过奔腾III除了上述的SSE指令集以外，吸引人的地方并不多，它仍然基本保留了奔腾II的架构，采用0.25微米工艺，100Mhz的外频，Slot1的架构，512KB的二级缓存（以CPU的半速运行）因而性能提高的幅度并不大。

2000年，推出Celeron处理器，俗称Celeron2，由于转用了0.18的工艺，Celeron的超频性能又得到了一次飞跃.

在AMD公司方面，刚开始时为了对抗奔腾III，曾经推出了K6-3处理器。

K6-3处理器是三层高速缓存内建有64K的第一级高速缓存（Level1）及256K的第二层高速缓存（Level2），主板上则配置第三级高速缓存（Level3）。

K6-3处理器还支持增强型的3DNow！

指令集。

由于成本上和成品率方面的问题，K6-3处理器在台式机市场上并不是很成功，因此它逐渐从台式机市场消失，转进笔记本市场。

AMD的K7的Athlon处理器。

Athlon具备超标量、超管线、采用0.25微米工艺，集成2,200万个晶体管，Athlon包含了三个解码器，三个整数执行单元（IEU），三个地址生成单元（AGU），三个多媒体单元（就是浮点运算单元），Athlon可以在同一个时钟周期同时执行三条浮点指令，每个浮点单元都是一个完全的管道。

由于K7强大的浮点单元，使AMD处理器在浮点上首次超过了Intel当时的处理器。

Athlon内建128KB全速高速缓存（L1Cache），512KB容量的二级高速缓存（L2Cache），最多可支持到8MB的L2Cache，大的缓存可进一步提高服务器系统所需要的庞大数据吞吐量。

Athlon的封装和外观跟PentiumⅡ相似，但Athlon采用的是SlotA接口规格。

进入新世纪以来，CPU进入了更高速发展的时代，以往可望而不可及的1Ghz大关被轻松突破了，在市场分布方面，仍然是Intel跟AMD公司在两雄争霸，它们分别推出了Pentium4和Celeron\Athlon、AthlonXP和Duron（毒龙）等处理器，竞争日益激烈。

在Intel方面，2000年11月，Intel发布了旗下第四代的Pentium处理器，也就是我们天天都能接触到的Pentium4。

Pentium4没有沿用PIII的架构，而是采用了全新的设计.第一个Pentium4全新的Socket423插座，集成256KB的二级缓存，支持更为强大的SSE2指令集，而后期的P4处理器均转到了针角更多的Socket478插座。

在低端CPU方面，Intel发布了第三代的Celeron这个核心也转用了0.13微米的工艺，与此同时二级缓存的容量提高到256KB，外频也提高到100Mhz.

2、在AMD方面，在2000第二个Athlon这个核心的Athlon有以下的改进，首先是制造工艺改进为0.18微米，其次是安装界面改为了SocketA，这是一种类似于Socket370，但针脚数为462的安装接口。

最后是二级缓存改为256KB.

在低端CPU方面，AMD推出了DuronCPU，它的基本架构和Athlon一样，只是二级缓存只有64KB。

Duron从发布开始，就能远远抛离同样主攻低端市场的Celeron，而且价格更低廉，一时间Duron成为低价DIY兼容机的第一选择，但Duron也有它致命的弱点，首先是继承了Athlon发热量大的特点，其次是它的核心非常脆弱，在安装CPU散热器时很容易损坏。