第 2 章 cpu

第 2 章 CPU

2.1 概述2.1.1 CPU 基本组成1 、 CPU 的功能单元 控制单元：指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断

控制逻辑 运算单元： ALU 、寄存器组、状态寄存器 存储单元 逻辑电路

2 、 CPU 的物理结构 内核 基板 针脚

2.1.2 CPU 的发展历程

第一阶段： 1971—1973 年，微处理器有 4004 、 4040 、 8008 、1971 年 INTEL 公司研制出 MCS-4 微型计算机，（ CPU 为 4040 ，四位机）后来推出从 8008 为核心的 MCS-8 型。

第二阶段： 1973—1977 年，微型计算机的发展和改进阶段，微处理器有 8080 、 8085 、 M6800 、 280 、初期产品有 INTEL公司的 MCS-80 型（ CPU 为 8080 ，八位机）后期有 TRS-80型（ CPU 为 286 ）和 APPLE-II 型（ CPU 为 6502 ）的微型计算机在八十年代初期曾一度风靡世界。

第三阶段：是从 1978—1983 年，十六位微型计算机的发展阶段，微处理器 8086 、 8088 、 80186 、 80286 、 M68000 、 28000 代表产品 IBM-PC （ CPU 为 8086 ），本阶段的顶峰产品是 APPLE 公司的 MACINTOSH （ 1984 年）和 IBM 公司的 PC/AT286 （ 1986 年）微机。

第四阶段：是从 1983—2003 年，为 32 位微型计算机的发展阶段，微处理器相继推出 80386 、 80486 、 386 、 486 、 Pentium 等。

第五阶段： 2003 年至今，为 64 位微型计算机发展阶段。

（ 1 ）第 1 代 CPU ；时间： 1971—1973字长： 4—8 位速度： 1MHz集成： 2300 个典型代表： Intel 4004 1971 年

（ 2 ）第 2 代 CPU ；时间： 1973—1975字长： 8 位速度： 2MHz集成： 5000 个典型代表： Intel 8080 、 M6800 、 Z80 （ Zilog ）

（ 3 ）第 3 代 CPU ；时间： 1975—1977字长： 8 位速度： 2.5—5MHz集成： 1 万个典型代表： Intel8085（ 4 ）第 4 代 CPU ；时间： 1978—1980字长： 16 位速度： 5—10MHz集成： 3 万个典型代表： Intel8086 （带有 FPU8087 X86 指令集） 1981 年， IBM 用 Intel8088 生产了世界上第一台 PC 机。

（ 5 ）第 5 代 CPU ；时间： 1981—1995字长： 16—32 位速度： 16—233MHz集成： 12—310 万个典型代表： Pentium

（ 6 ）第 6 代 CPU ；时间： 1995—2006字长： 32—64 位速度： 233—3800MHz集成： 550—12500 万个典型代表： Prescott

（ 7 ）第 7 代 CPU ；时间： 2006—字长： 64 位速度： 1—3GHz集成： 1 亿个以上典型代表： Core 2 duo 、 Athlon 64

2.1.3 Intel 公司的 CPU (www.intel.com)

（ 1 ） Pentium 时代；　　代号 :P54C　　发布时间 :1993 年　　核心频率 :60 ～ 200MHz　　总线频率 :50 ～ 66MHz　　工作电压 :3.3V　　制造工艺 :0.8 ～ 0.35 μm　　晶体管数目 :310 ～ 330 万个　　芯片面积 :191mm 2　　缓存容量 :16KB L1 Cache　　指令内置 :x 86 指令集、 x 86 译码器、 80 位浮点单元　　接口类型 :Socket 7

（ 2 ） Pentium Pro ； 代号 :P6　　发布时间 :1995 年　　核心频率 :150 ～ 200MHz　　总线频率 :60 ～ 66MHz　　工作电压 :3.1V/3.3V　　制造工艺 :0.5 ～ 0.35 μm　　晶体管数目 :550 ～ 700 万个　　芯片面积 :196mm 2　　缓存容量 :16KB L1 Cache 、 256KB/512KB/1MB L2 Cache　　指令内置 :x86 指令集、 x86 译码器、 80 位浮点单元、分支预测功能　　接口类型 :Socket 8

（ 3 ） Pentium MMX ；　　代号 :P55C　　发布时间 :1997 年　　核心频率 :166 ～ 233MHz　　总线频率 :60 ～ 66MHz　　内核电压 :2.8V　　 I/O 电压 :3.3V　　制造工艺 :0.35 μm　　晶体管数目 :450 万个　　芯片面积 :128mm 2　　缓存容量 :32KB L1 Cache　　指令内置 :x 86 指令集、 x 86 译码器、 80 位浮点单元、 M MX 多媒体指令集　　接口类型 :Socket 7

（ 4 ） Pentium Ⅱ ； 代号 :Klamath 、 Deschutes(1998 年上市 )　　核心频率 :233 ～ 333MHz(66MHz 外频 ) 、 350 ～ 450MHz(100M

Hz 外频 )　　总线频率 :66 ～ 100MHz　　制造工艺 :0.35(Klamath)/0.25(Deschutes)μm　　核心电压 :2.8V(Klamath)/2.0V(Deschutes)　　晶体管数目 :750 万个　　芯片面积 :130.9mm 2　　缓存容量 :32KB L1 Cache 、 512KB L2 Cache　　接口类型 :Slot 1

（ 5 ） Celeron( 赛扬 ) ；　　代号 :Covington　　发布时间 :1998 年　　核心频率 :266 ～ 300MHz　　总线频率 :66MHz　　制造工艺 :0.35 μm　　晶体管数目 :750 万个　　芯片面积 :153.9mm 2　　缓存容量 :32KB L1 Cache　　接口类型 :Slot 1

Intel Celeron Mendocino( 新赛扬 )　　代号 :Mendocino　　发布时间 :1998 年　　核心频率 :300 ～ 533MHz　　总线频率 :66MHz　　制造工艺 :0.25 μm　　晶体管数目 :1900 万个　　芯片面积 :153.9mm 2　　缓存容量 :32KB L1 Cache 、 128KB L2 Cache　　接口类型 :Slot 1 、 Socket 370

（ 6 ） 0.25 微米的 Pentium III ；代号 :Katmai发布时间 :1999 年核心频率 :450MHz 以上总线频率 :100 ～ 133MHzCPU 核心电压 :1.8V制造工艺 :0.25(Katmai) 晶体管数目 : 2810 万个芯片面积 :153.9mm 2缓存容量 :32KB L1 Cache 、 512KB L2 Cache指令内置 :MMX 指令集和 SSE 指令集接口类型 :Slot 1

（ 7 ） 0.18 微米的 Pentium III ；代号 :Coppermine发布时间 :1999 年核心频率 :733MHz 以上总线频率 :100 ～ 133MHzCPU 核心电压 :1.8V制造工艺 :0.18(Coppermine)μm晶体管数目 : 2810 万个芯片面积 :153.9mm 2缓存容量 :32KB L1 Cache 、 512KB L2 Cache指令内置 :MMX 指令集和 SSE 指令集接口类型 :Socket 370

（ 8 ） 0.18 微米的 Pentium 4 ；代号 :Willamette发布时间 :2001 年核心频率 :1.4GHz 以上总线频率 :100 ～ 133MHzCPU 核心电压 :1.7V制造工艺 :0.18μm晶体管数目 : 缓存容量 :8KB L1 Cache 、 256KB L2 Cache指令内置 :MMX 指令集和 SSE 、 SSE2 指令集接口类型 :Socket 423

（ 10 ） 0.13 微米的 Pentium 4 ；代号 :Northwood发布时间 :2001 年核心频率 :1.4GHz 以上总线频率 :100 ～ 133MHzFSB:400/533MHz 　CPU 核心电压 :1.7V制造工艺 :0.18μm晶体管数目 : 4000 万缓存容量 :8KB L1 Cache 、 256KB L2 Cache指令内置 :MMX 指令集和 SSE 、 SSE2 指令集接口类型 :Socket 478

（ 11 ）超线程的 Pentium 4 ；代号 :Northwood核心频率 :2.0GHz 以上总线频率 :200MHzFSB:800MHz 　　CPU 核心电压 :1.5V制造工艺 :0.13μm晶体管数目 : 5500 万个缓存容量 :20KB L1 Cache ， 512KB 全速 L2 Cache 指令内置 :MMX 指令集和 SSE 、 SSE2 指令集 支持 Hyper － Threading （超线程）技术 接口类型 :Socket 478

（ 12 ） 0.09μm 的 Pentium 4 ；代号 :Prescott核心频率 :3.8GHz总线频率 :200MHzFSB:800MHz 　　CPU 核心电压 :1.4V制造工艺 :0.09μm晶体管数目 : 12500 万个缓存容量 :28KB L1 Cache ， 1000KB 全速 L2 Cache 指令内置 :MMX 指令集和 SSE 、 SSE2 、 SSE3 指令集 超线程技术；提供三级缓存接口；流水线管道长度达到了 31 级接口类型 :LGA 775 (sock-T)

（ 13 ） Pentium D ；代号 :Smithfield/Presler核心数 : 双核心　　主频 :3.6GHz总线频率 :200MHzFSB:800MHz核心电压 :1.25-1.4V制造工艺 :0.09/0.065μm晶体管数目 : 2.3/3.8 亿个缓存容量 :28/32KB L1 Cache ， 1MB*2/2MB*2 L2 Cache 指令内置 : 无超线程技术； EM64T ；英特尔虚拟化技术；增强型英特尔 S

peedStep动态节能技术；英特尔病毒防护技术接口类型 :LGA 775

（ 14 ） Core 2 duo ；代号 :Allendale/Conroe/Kentsfield核心数 : 双核心 / 四核心　　主频 :不超过 3.0GHz总线频率 :200/266MHzFSB:800MHz/1066MHz核心电压 :0.85-1.35V制造工艺 :65nm晶体管数目 :1 亿 6700 万 /2 亿 9100 万 /5 亿 8200 万缓存容量 :28/32KB L1 Cache ， 1MB*2/2MB*2/2MB*4 L2 Cache 指令内置 :X86-64 ， SSSE3接口类型 :LGA 775

（ 15 ） Pentium E ；代号 :Allendale核心数 : 双核心　　主频 :1.8GHz总线频率 :200MHzFSB:800MHz核心电压 :0.85-1.35V制造工艺 :65nm晶体管数目 :缓存容量 :32KB L1 Cache ， 512KB*2 L2 Cache 指令内置 :X86-64 ， sup-SSE3接口类型 :LGA 775

2.1.4 CPU 的性能指标

（ 1 ）主频、外频、倍频和前端总线 (FSB)主频也叫工作频率，是 CPU 内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率。外频也就是常见特性表中所列的 CPU 总线频率，是由主板为 CPU 提供的基准时钟频率，而 CPU 的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。主频 =外频 X倍频FSB （ Front Side Bus ）是 CPU跟外界沟通的唯一通道，处理器必须通过它才能获得数据，也只能通过它来将运算结果传送出其他对应设备。（ 2 ）字长CPU 在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。（ 3 ）工作电压（ 4 ）缓存（高速缓存）由静态 ram 组成一级缓存（ L1 Cache ）二级缓存（ L2 Cache ）（ 5 ）扩展指令集（ 6 ）制造工艺制造工艺直接关系到 CPU 的电气性能。而 0.18 微米、 0.13 微米这个尺度就是指的是 CPU 核心中线路的宽度。

2.1.4 CPU 的封装方式与接口

1 、封装所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以 CPU 为例，我们实际看到的体积和外观并不是真正的 CPU 内核的大小和面貌，而是 CPU 内核等元件经过封装后的产品。（ 1 ）封装的作用密封保护安放、固定便于安装和运输增强导热性能与外部电路的桥梁（ 2 ）封装时主要考虑的因素目前采用的 CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来，能起着密封和提高芯片电热性能的作用。芯片面积与封装面积之比尽量接近 1:1 。引脚要尽量短以减少延迟引脚间的距离尽量远封装越薄越好

（ 3 ）常见封装类型DIP封装（ Dual In-line Package ）双列直插式封装技术。PGA封装（ Pin Grid Array ）引脚网格阵列封装。BGA封装 （ Ball Grid Array Package ）球栅阵列封装技术。 OPGA封装（ Organic pin grid Array ）有机管脚阵列。 AthlonXPCPGA封装（ Ceramic Pin Grid Array ）陶瓷针形栅格阵列。 Pentium MMX 、 K6-2S.E.C.C （ Single Edge Contact Cartridge ）单边接触卡盒式封装。 PentiumⅡFC-PGA封装（ Flip Chip Pin Grid Array ）反转芯片针脚栅格阵列。Pentium Ⅲ、 Pentium Ⅳ（ Socket 478 ）mPGA封装（ micro PGA ）微型 PGA封装。 Athlon64 、 XeonPLGA封装（ Plastic Land Grid Array ）塑料焊盘栅格阵列封装。由于没有使用针脚，而是使用了细小的点式接口，所以 PLGA封装明显比以前的 FC-PGA2 等封装具有更小的体积、更少的信号传输损失和更低的生产成本，可以有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率、降低生产成本。目前 Intel 公司 Socket 775 接口的 CPU采用了此封装。

2 、接口类型 Socket A

Socket A 接口，也叫 Socket 462 ，是目前 AMD 公司 Athlon XP 和 Duron 处理器的插座接口。

Socket 423　　 Socket 423 插槽是最初 Pentium 4 处理器的标准接口。

Socket 370 　　 Socket 370 架构是 “铜矿”和”图拉丁”系列 CPU 接口。

SLOT 1 SLOT 1 是英特尔公司为 Pentium Ⅱ 系列 CPU 设计的插槽，其将 Pentium Ⅱ CPU 及其相关控制电路、二级缓存都做在一块子卡上，目前此种接口已经被淘汰。

SLOT A 　　 SLOT A 供 AMD 公司的 K7 Athlon 使用的。

Socket AM2 具有 940根 CPU 针脚。目前采用 Socket AM2 接口的有低端的 Sempron 、中端的 Athlon 64 、高端的 Athlon 64 X2 以及顶级的 Athlon 64 FX 等全系列 AMD桌面 CPU 。

Socket S1 Socket S1 是 2006 年 5月底发布的支持 DDR2 内存的 AMD64 位移动 CPU 的接口标准，具有 638根 CPU 针脚。

Socket F 首先采用此接口的是 Santa Rosa 核心的 LGA封装的 Opteron 。 Socket F 接口 CPU 的底部没有传统的针脚，而代之以 1207 个触点，

Socket 478　　最初的 Socket 478 接口是早期 Pentium 4系列处理器所采用的接口类型，针脚数为 478 针。英特尔公司的 Pentium 4系列和 P4 赛扬系列都采用此接口，目前这种 CPU已经逐步退出市场。

Socket 775(LGA775)　　 Socket 775又称为 Socket T ，是目前应用于 Intel LGA775封装的 CPU所对应的接口，目前采用此种接口的有 LGA775封装的单核心的 Pentium 4 、 Pentium 4 EE 、 Celeron D 以及双核心的 Pentium D 和 Pentium EE 等 CPU 。

Socket 754Socket 754 是 2003 年 9月 AMD64 位桌面平台最初发布时的 CPU 接口，具有 754根 CPU 针脚，只支持单通道 DDR 内存。目前采用此接口的有面向桌面平台的 Athlon 64 的低端型号和 Sempron 的高端型号，以及面向移动平台的 Mobile Sempron 、 Mobile Athlon 64 以及 Turion 64 。

Socket 939Socket 939 是 AMD 公司 2004 年 6月才推出的 64 位桌面平台接口标准，具有 939根 CPU 针脚，支持双通道 DDR 内存。目前采用此接口的有面向入门级服务器 / 工作站市场的 Opteron 1XX系列以及面向桌面市场的 Athlon 64 以及 Athlon 64 FX 和 Athlon 64 X2 ，除此之外部分专供 OEM厂商的 Sempron也采用了 Socket 939 接口。

Socket 940目前采用此接口的有服务器 / 工作站所使用的 Opteron 以及最初的 Athlon 64 FX 。

Socket 603采用此接口的 CPU 是 Xeon MP 和早期的 Xeon ，具有 603根 CPU 针脚。

Socket 604采用此接口的 CPU 是 533MHz 和 800MHz FSB 的 Xeon 。

2.2 CPU 技术简介

1965 年 4月，《电子学》杂志刊登了高登·摩尔（ Gordon Moore ）撰写的一篇 4页文章。高登·摩尔当时是飞兆半导体公司研发部门的主管。这位工程师报告说，他的实验室通过将 50只晶体管和电阻器蚀刻在一张芯片表面，制成一个电子线路。

摩尔说，到 1975 年，就可能将 6.5 万只这样的零件密植在一张芯片上，制成高度复杂的集成电路。

当时集成电路问世才 6 年，摩尔的预测听起来像是科幻小说。但那篇文章的核心预测（即每个芯片可集成的零件差不多每年可增加一倍）被证明是正确的。尽管当今这一技术进步的周期更接近 18 个月，但“摩尔定律”（ Moore’s Law ）依然有效。

2.2.1 CPU 的指令集

1 、 MMX 指令集；共 57条指令。最早期 SIMD 指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度。 SIMD(Single Instruction Multiple Data ，单指令多数据流 ) 能够复制多个操作。2 、 SSE （ Streaming SIMD Extension ）指令集；（ 1 ） SSE 指令集英特尔开发的第二代 SIMD 指令集，有 70条指令，其中包含提高 3D图形运算效率的 50条 SIMD 浮点运算指令、 12条MMX整数运算增强指令、 8条优化内存中的连续数据块传输指令。（ 2 ） SEE2 指令集新增 144条 128 位 SIMD 指令。（ 3 ） SEE3 指令集13条新增加的指令集包括：一条专门针对视频解码的指令，两条针对线程处理的指令，这有助于增加 Intel 超线程 HT 的处理能力。而其它的指令则支持复杂的算术运算，类似于浮点转整数以及 SIMD 单指令多数据流的浮点运算。（ 4 ） SSSE3 （ sup-SSE3 ）︰ SSE3 指令集的补充版本，全名为 Supplemental Streaming SIMD Extension 3 ，首颗支持 Intel Core 微架构处理器，新增指令共 16条，进一步增强 CPU 在多媒体、图形图像和 Internet 等方面的处理能力，该 16条指令原收录为 SSE4 指令集中，之后决定提早加入至 Core 微架构产品中。

（ 5 ） SSE4︰全名为 Streaming SIMD Extension 4 ，被视为继 2001年以来最重要的媒体指令集架构的改进，除扩展 Intel 64 指令集架构外，还加入有关图形、视频编码及处理、三维成像及游戏应用等指令，令涉及音频、图像和数据压缩算法的应用程序大幅受益。　　据了解， SSE4将分为 4.1版本及 4.2版本， 4.1版本将会首次出现于 Penryn 处理器中，共新增 47条指令，主要针对向量绘图运算、 3D游戏加速、视像编码加速及协同处理加速动作。

3 、 3DNOW!指令集；AMD 公司开发的 SIMD 指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，它的指令数为 21条在整体上 3DNow!的 SSE非常相相似，它们都拥有 8 个新的寄存器，但是 3DNow!是 64 位的，而 SSE 是 128 位。所以 3DNow!它只能存储两个浮点数据，而不是四个。 但是它和 SSE 的侧重点有所不同， 3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等 3D 数据的处理，在相应的软件配合下，可以大幅度提高处理器的 3D 处理性能。 AMD 公司后来又在 Athlon系列处理器上开发了新的 Enhanced3DNow!指令集，新的增强指令数达了 52 个，以致目前最为流行的 Athlon64系列处理器还是支持 3DNow！指令的。。

2.2.2 双总线模式 CPU 内部结构

CPU Cache

内存

2.2.3 CPU 的生产工艺

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。

如何选购 CPU1 、通过产品标识辨别

Intel 的 CPU ；2 、通过编号认识 AM

D 的 CPU ；

通过产品标识辨别 Intel 的 CPU

（ 1 ） CPU Type( 类型 ) ；（ 2 ） Family(系列 ) ；（ 3 ） Model( 型号 ) ；

通过编号认识 AMD 的 CPU（ 1 ）雷鸟 (毒龙 ) 的

CPU编号（ 2 ） Athlon XP 的编号