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 【轉帖】認識 CPU

作者:清華大學 電機系清班 910940 林忠瑋

原文章

http://oz.nthu.edu.tw/~u910940/ee1356_project_cpu.htm

Abstract

沒有電腦能夠不用CPU就可以運轉,不過小小的CPU裡面其實有很多東西可以說,這篇project裡說明了CPU是什麼,也大概的介紹了一下CPU的構造、歷史和CPU的性能指標,最後又介紹一點CPU廠商和CPU超頻之中最基本的東西。


Introduction

CPU是電腦裡最重要的元件之一,每個人的電腦裡都有CPU,不過大部分的人可能都不是很了解CPU到底內部的構造是什麼,說不定還有人不知道CPU是長什麼樣子,不過CPU雖然小但裡面可是很複雜的,不是隨隨便便就能做出來的。


CPU是甚麼

CPU是Central Processing Unit 的縮寫,中文叫做 中央處理器,它是電腦之中最重要的一個部分,主要是用來做算術、邏輯運算,解釋每個指令的意義,並儲存『最近常用』的資料, CPU 是一個超大型積體電路 (VLSI),而迷級以上的電腦系統,CPU 可能是一塊包含許多元件的電路板,甚至由許多電路板組合而成。當電腦系統開始運作時,CPU會從記憶體裡,讀取*作它的軟體的指令與資料,透過ALU運算出結果之後存回記憶體,同時由主機板,與外界的I/O週邊溝通,達到資料處理的目的。


CPU的核心

從外表看來,CPU常常是矩形或正方形的塊狀物,透過密密麻麻的眾多管腳與主板相連。但是在內部,CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片。在這塊硅片上,密布著數以百萬計的晶體管,它們好像大腦的神經元,相互配合協調,完成著各種複雜的運算和*作。
硅能成為生產CPU核心的半導體材料主要是因為其分佈的廣泛性和價格便宜。此外,硅可以形成品質極佳的大塊晶體,透過切割,得到直徑8英寸甚至更大而厚度不足1公厘的圓形薄片--晶片(也叫晶圓)。一片晶片可以劃分切割成許多小片,每一小片就是一塊單獨CPU的核心。

Intel發布的第一顆處理器只有包含2000個晶體管,但是目前最新的處理器已經包含超過好幾千萬個晶體管了,不過CPU的核心硅片的大小卻沒有增大,反而變得更小,因為目前最新的處理器採用的是0.13微米技術製造,也就是0.13微米的線寬 (線寬是指晶片上的最基本功能單元--門電路的寬度,因為實際上門電路之間連線的寬度和門電路的寬度相同。) ,縮小線寬代表晶體管可以做得更小、更密集,可以降低晶片功耗,讓系統變的更穩定,而使CPU能夠運行在更高的頻率下,而且在相同的晶片複雜程度下可使用更小的晶圓,於是成本就降低了。


CPU的接口

目前主流CPU從封裝形式來看主要分為兩大類,一種是傳統針腳式的Socket類型,另一種是插卡式的Slot類型。


Slot1

大約是在1998年時推出。與Socket 7相比,Slot 1是完全不同的CPU插槽。

Slot 1插槽是Intel的專利技術,是一個狹長的242引腳的插槽,和採用SEC(Single-Edge connector,單邊連接器)封裝技術的PentiumⅡ、PentiumⅢ和Celeron處理器可以緊密的吻合。

除了CPU插槽有較大差異外,Slot 1架構的主要特點與Super 7非常相近。不過因為這種插槽的CPU是直立的,所以往往需要固定架,讓CPU更固定。


Slot2

是Intel Xeon CPU所使用的插槽,類似Slot 1插槽,但是具有330個插腳。在Intel 440GX或440NX晶片組的配合下與Intel的高級產品Xeon處理器配合。


Socket7

是586時代最常見的接口方式。Socket 7是方形多針腳ZIF(零插拔力)插座,插座上有一根拉桿,在裝設和更換CPU時只要將拉桿向上拉出,就可以輕易地插進或取出CPU晶片。

Socket 7插座不但可以安裝Intel的Pentium、Pentium MMX,還能安裝AMD的K5、K6和K6-2;Cyrix公司的6x86、6x86MX、MⅡ;IDT公司的Winchip C6等,適用範圍非常廣。

Socket 7也是CPU進入Pentium時代後,最常見的主板構架,一般採用Intel的HX、TX等晶片組,主要特點是具有66MHz的標準外頻(最高 83MHz)、提供雙電壓供電機制、有多個PCI及ISA插用以支持PCI及ISA設備、VX、TX等晶片組還支持168線的SDRAM不過intel已於早年放棄使用,現插此槽的最高時脈的cpu為AMD的k6-2、k6-3的450MHz。


Super7

是AMD公司提出的一種CPU接口,支援100MHz的總線頻率和AGP技術,並與Socket7完全相容。

其實這應該算是Socket 7系列的升級版本。

一般採用MVP3、 Aladdin Ⅴ等非Intel晶片組,與Socket 7相比主要有兩點改進---將總線頻率提高到100MHz(最高到133MHz)以上,提供了AGP插槽,可以使用AGP顯卡。

兼容Socket 7所支持的所有CPU,主要與AMD的K6-2、K6-3配合,構成價廉物美的高性價比PC。K6-2仍然採用Socket 7插座式封裝,但支持100MHz的外頻,而K6-3也運行在Super 7構架的主板上。


Socket370

是INTEL專為賽揚Celeron配備的具有370條針狀引線(與Socket 7插座不相容)的CPU插槽,只比socket7的多了一圈的接腳。

Intel曾一度希望其擁有專利保護的Slot 1架構能拉開AMD和Cyrix的差距,從而獨享CPU市場,但事實上卻反而為對手創造了生存空間。因以solt 1來推出celeron沒法大量地降低成本。沒法攻佔以AMD 為首的低價電腦市場。故SOCKET 370便應運而生。

通過轉換卡,Socket 370 CPU也可以安裝在具有Slot 1插槽的主板上。


slot A

是AMD一種和Intel PⅡ在尺寸和結構上相容的接口方式,與AMD推出的-Athlon K7處理器配合。從外觀看,Slot A與Slot 1一樣,不過它們在主板上的裝設完全反向,電氣指標也完全不同,所以兩者完全不兼容,為K7所設計的晶片組或主板將不能使用Intel的 CPU。


Socket A

又叫做Socket 462因為他有462根針腳,主要是支援AMD的Athlon XP,Athlon MP及Duron處理器,目前AMD主要的CPU都有支援,和socket A相對應,Intel也推出了Socket 478來支援P4的處理器。


Socket 478

主要是支援目前P4的CPU雖然和AMD的Socket A一樣是目前在採用的規格但Socket 478的大小要比Socket A小多了。

在Socket 478以前,其實還有一種叫Socket 423的插槽,也是支援P4的,但沒過多久就被Socket 478給汰換掉了。


編按:

目前AMD最新推出Socket 939腳位的CPU

Intel最新推出腳位的CPU


CPU的內部

 CPU的內部還細分成了幾個部分,包括控制單元、算術及邏輯單元、暫存器和記憶單元。

  算術及邏輯運算單元(ALU):進行加、減、乘、除及比較、選擇、判斷等運算。

  控制單元(CU):翻譯程式中的指令的解碼功能及協調控制各部門依指令執行使電腦自動化處理資料。

  記憶單元:儲存目前正要被處理運算的程式或資料,容量以KB為單位。

  輸入單元(Input,I/P):接受鍵盤、滑鼠等等輸入的資料或程式,以供進一步處理。

  輸出單元(Output,O/P):負責將CPU處理結果輸出,輸出於各種輸出設備上,如:印表機、磁 碟機等。

  暫存器(Register):暫時儲存資料,如用來儲存運算的累積器。其功能與記憶體相似。

   CPU內部較重要的暫存器:

    1.程式計數器PC (Program Counter):負責儲存CPU下一次所要執行的記憶體位址。

    2.指令暫存器IR (Instruction Register):負責儲存CPU所要執行的指令。

    3.堆疊指標器SP (Stack Pointer):負責儲存CPU目前使用的堆疊位址。

    4.位址暫存器MAR:負責儲存CPU所要存取記憶體資料的位址。


CPU的速度、型號

速度單位: MHZ 和 GHZ 都是CPU的速度單位,在單位前的數字越大,速度越快

換算公式: 1GHZ=1000MHZ  所以1.2GHZ跟1200MHZ是一樣的.只是單位 的不同.

命名通則: (出產公司名稱+型號+速度+速度單位)

 例子一 = (   Intel + Pentium 4 + 2200+   MHZ   )

 例子二 = (     AMD +Athlon XP+ 2000+ + MHz   )


CPU的歷史

1978年,美國Intel公司首次生產出16位元的微處理器,並命名為i8086,它們都具有十六位元的暫存器,可以定址到 1 MB 的空間,那時是以 PC/XT 為第一部十六位元個人電腦。這款產品使用的指令集人們稱之為x86指令集。

隨後的 PC/AT 是以 80286 為 CPU,它一樣是十六位元的資料匯流排與暫存器,但是具有二十四位元的位址匯流排,可定址到16 MB的空間。以後,Intel陸續生產出更先進和更快速的新型CPU,這些新型的CPU都兼容原來的x86指令集,被稱為「x86系列CPU」隨後 Intel 推出了純三十二位元的 CPU 80386DX,它提供了三十二位元的暫存器、三十二位元的內部與外部資料匯流排、三十二位元 4 GB (二的三十二次方) 定址空間。

另外,Intel 也推出了一個簡易版的 80386SX,具有相同的三十二位元內部資料匯流排,但是 CPU 對外的資料匯流排只有十六位元,定址匯流排則與 80286 一樣為二十四位元。接在 80386 之後的當然稱為 80486,同樣的也分為 80486DX、80486SX,後者不具有算術處理器的能力,其餘的匯流排寬度一樣都是三十二的競爭者紛紛出現,AMD 推出 Am486DX、Am486SX 加入市場,而Cyrix 也推出 Cx486DX 湊一腳,強調相同的運算速度,價格卻低 20% 到30%,因此 Intel 又推出內部時脈比外部時脈為快的 80486DX2、80486DX4 的產品,如此一樣的主機板時脈,但卻可以得到更高的處理速度。

除了 Intel、AMD、Cyrix 之外,IBM 也製造和 80486 相容的 CPU,Motorola 公司也製造 Macintosh 電腦所使用的 PowerPC CPU,而在其它工作站市場上,以 DEC (Digital) 的 Alpha 系列 CPU 與 Sun 公司的MicroSPARC、SuperSPARC、UltraSPARC 系列較為有名。

到了 Pentium、PentiumPro、Pentium II、Pentium III 時代,同樣三十二位元的暫存器、三十二位元的內部資料匯流排與定址匯流排,但是外部 CPU 與主機板其它元件的資料流通,此刻算術處理器都已經是內建在 CPU 內部了,而 PentiumPro、Pentium II、Pentium III 還將第二層的快取記憶體 (L2 cache) 放入 CPU 內部。在這個等級,AMD 和 Cyrix 所推出的競爭產品分別稱為 5k86、k6 與5x86、6x86、MediaGX。 從1978年Intel製造出第一顆i8086以來的短短二十年,Intel CPU已經發展到了Pentium 4處理器

CPU的演進:

第一代 8086、8088、AT/XT

第二代 80286

第三代 80386

第四代 80486

第五代 Pentium、Pentium MMX、AMD K5/K6、Cyrix 6x86 MX

第六代 Pentium Pro、Pentium Ⅱ、Celeron、AMD K6-2、Cyrix M2、IDTWinChip/WinChip-2

第七代 Intel Merced、AMD K7、IDT WinChip-3、Pentium 3

目前: Pentium 4 、Athlon XP


CPU的性能

主頻 (內頻)

主頻又叫做內頻,這個說明白了就是CPU本身的執行速度,就是CPU晶片的內部時脈,例如﹕Pentium III 800,內頻就是800MHz,Pentium III 600EB、K7 550 等等說的都是CPU的主頻,也就是CPU的工作頻率。但是並不是說CPU的工作頻率越快就越好,因為CPU的速度還跟它的外頻、倍頻以及CACHE大小等指標密切相關。因為在一般電腦系統中,除了CPU內部核心採用內頻速度運作,幾乎沒有其它元件能達到這種速度。


外頻

外頻是指主機板上匯流排上的頻率,通常是以CPU速度的幾分之一運作,這個指標和電腦的系統總線的速度是一致的,其實在很早以前,大約是286之前的時代,那時還沒有倍頻的概念,CPU的主頻和系統總線的速度是一樣的。但是隨著電腦技術的發展,CPU速度越來越快,記憶體、硬碟等配件逐漸跟不上CPU的速度了,而倍頻的出現解決了這個問題,它可以使記憶體等部件仍然工作在相對較低的系統總線頻率下,而CPU的速度可以透過倍頻來提升。所以從那時起,CPU主頻的計算方法就變成了:主頻=外頻X倍頻。例如﹕外頻速度為66MHz或100MHz,從數據上可知CPU通常以快上數倍的時脈與外部元件同步進行工作。


倍頻

倍頻是指CPU的內頻和外頻之間相差的倍數,倍頻數越高,CPU的主頻也就越高(當然跟外頻也有關係),一般來說,提高CPU的主頻有兩種方法,提高倍頻或外頻。因為前端總線(指CPU到晶片組之間的總線)通常都是CPU獲取數據的瓶頸,所以通常提高外頻比提高倍頻更能有效地改善系統性能。 例如﹕內頻100MHz、外頻50MHz,倍頻為2﹔假如內頻100MHz、外頻66MHz,那麼倍頻為1.5


緩存(CACHE)大小及速度

緩存大小也是CPU的重要指標之一,而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大,緩存的作用簡單地講,就是用來儲存一些常用或即將用到的數據或指令,當需要這些數據或指令的時候直接從緩存中讀取,這樣比到記憶體甚至硬碟中讀取要快得多,能夠大幅度提升CPU的處理速度。但是由於CPU晶片面積和成本的因素來考慮,緩存不可能很大。

緩存也有速度之分,一般來說集成在CPU核心內部的(比如celeron II等)緩存速度均為全速,也就是和CPU的速度一致;而放在CPU核心外部的緩存(比如PENTIUM II、III等)就有CPU主頻的半速或2/5 速等等不同的速度了。


製程

早期的80486、PENTIUM等CPU的製程相對很低,僅為0.35微米或 0.6微米。後來的PENTIUM II、PIII、賽揚達到了0.25微米,而賽揚II等CPU的製程為0.18微米,製程越先進,CPU的功耗和發熱 也就越小,還能夠極大地提高CPU的集成度和主頻,一般來說0.25微米製程的CPU極限頻率(就是主頻)在600MHZ上下,不過現在已經進步到了0.13微米製程了,像是Athlon XP 2200+和Pentium4以上的都已經是0.13微米製程了若要想再提高速度只有再改進製程了。


工作電壓

CPU工作需要電能,所以CPU也有一個額定電壓。早在286時代,CPU的工作電壓為5V,這直接關係到CPU的發熱和功耗問題,進一步影響到CPU 的壽命。隨著製程的不斷提高,CPU的工作電壓也逐漸下降。提高工作電壓,能夠加強CPU內部的信號,使CPU工作得更加穩定,所以在超頻時一般都適當地增加電壓,以提高超頻的成功率,但是增加電壓會使CPU發熱量增大,縮短CPU的使用壽命。


市面上最常見的CPU廠商

Intel和AMD--------PC的CPU之中佔有率最高的兩家

Intel

Intel一直是PC 的CPU製造商的龍頭老大,從pentium到現在的pentium4都是市場上的主流,Intel擁有強大的研發、製造的技術力。也一直是市場上佔有率最高的廠商,Intel CPU的特性是"穩定、工作溫度低、低耗電量,不過價格卻也一直都是最高的,相較之下AMD就便宜多了


AMD

AMD和INTEL相互競爭,也在CPU市場佔有一席之地,雖然起步比INTEL晚,不過還是有不少的支持者,AMD在市場的佔有率算是第二名。AMD的CPU標榜著高效能&價格比,強調能以更少的金錢買到同樣強大的CPU。但一般而言,AMD的CPU的工作溫度往往比INTEL的CPU高得多,直接威脅到作業系統的穩定,也比較耗電。採用AMD CPU的電腦若是沒有完善的散熱系統,會很容易就當機,甚至造成電腦元件的損毀。


其他廠商

IBM利用其設計與生產的優勢,結合Motorola在晶片的生產技術與電源供應等技術,及Apple電腦在作業環境的強勢,三家公司(簡稱AIM)在1991年初成立Power PC(Performance Optimize Wuth Enhenced Rise Performance Chips)聯盟,決定採用RISC(精簡指令集)架構,以大幅加速電腦常用的基本指令,開發出新標準,希望能與Intel為主的X86產品相抗衡。

PDA用CPU是以Motorola以及Intel兩家廠商較大。Motorola的PDA用CPU主要採用者為Palm陣營的成員,Palm自設立之初便是以Motorola的CPU做為產品設計的主軸。目前Palm的產品從低價機種到提供無線通訊功能的PalmⅦ,都是採用Motorola的系統CPU,一來其價格較Intel的便宜,二來因其時脈速度不高,可有低耗電量的好處。

微軟則是Intel系列CPU的主要支持者。

ARM生產的processors則多用於PC外較低功率的電器用品, 如PDA, scanner, printer, camera, etc.


CPU超頻

超頻是什麼?

所謂超頻就是指電腦用戶,通過調整主機板上的微處理器(CPU)的外頻、倍頻以及電壓,來把CPU本身所設定的頻率推高,直至把CPU本身潛在的能運行的最高速度,發揮到極限並穩定地運行各式各樣的應用程式,以令電腦能以
最小的代價,達到最高的電腦效能。以Pentium 133為例,核心頻率是133MHz,外頻如果是用66MHz的話,倍頻即是2X(兩倍).以上是標準的設定方法,不過如果把外頻設定成75MHz,核心頻率便會增加至150MHZ,又或者是將倍頻設定成2.5,核心頻率便會增加至166MHz.將主機板的外頻或者是倍頻增加,令核心頻率改變便是我們平常在說的[超頻]了.


為何要超頻?

超頻其實是最直接,最便宜(因為免費!)的電腦升級方法,不需要更換任何電腦零件,只要改變主機板的設定,便可以為CPU升級了!

CPU是整部電腦的核心,如果CPU超頻成功,最大收益的其實是外頻.因為周邊一向是電腦整體速度的瓶頸,以Slot-1的主機板為例.

使用Celeron時,標準外頻是66MHz;使用P-II時(350MHz以上),標準外頻是100MHz.如果使用Celeron 300A,將外頻設定成100MHz的話就會超成450MHz(100x4.5).CPU即可超頻成450MHz,而周邊的速度就能即時提升三分之一!

不過並不是單單能大幅超起CPU的頻率,便可以把它叫做超頻,在進行超頻的時候,還必須要注意以下幾點:

  1. 電腦能順利由開機,以至直接進入作業系統,例如Windows 98或 Windows NT ,在這期間並沒有任何不穩定的情況。

  2. 當作業系統能順利進入後,大家必須要開啟一些應用程式,而且這些程式必須能夠穩定而且持續地使用一段比較長的時間,例如使用Microsoft Office 或 Photoshop 等等 。 而使用期間並沒有不穩定的情況或者當機的情況發生。

一般時間約能使用超過4小時以上比較適宜。

不過目前現有處理器很多都鎖住了倍頻,因此目前有許多超頻大多透過調整外頻速度,如果要調整倍頻的話,有些還要改變晶片上的電路。雖然效能能夠提升,不過超頻卻也有些嚴重的問題。首先,將處理器壓到它的極限速度來運做,會讓處理器更熱,所以需要有更好的散熱設備。為了解決問題有時候你還需要把處理器的核心電壓提高。但是如果把電壓加得太高的話,可能沒超成反而毀了處理器。


電腦超頻成功的條件:

1. 一顆能超上去的微處理器(CPU),如果CPU的情況不是很好的話,其他設備再怎麼優良也是徒然。

2. 一塊既穩定又能支援較高速度CPU的主板(包括有高外頻、倍頻以及相容的電壓)。

3. 一款耐超的記憶體。

4. 一塊高速而且又能應付超頻後AGP槽極高傳輸量的顯示卡。

5. 一款強力的散熱風扇或是其他的散熱裝置(水冷etc.)。

6. 其他電腦周邊設備的影響,例如機殼、CD-ROM、顯示器。

7. 超頻的技術要夠好

Discussion and Conclusions

 

其實在開始寫這個project之前也沒想到原來CPU有這麼多東西可以寫,不過在慢慢看了些資料之後,才發現原來還有很多東西我之前都不知道,像是CPU內部和外部的規格,以前都是別人幫忙買電腦的,對這些名詞都是有聽沒有懂,不過寫了這篇報告之後,至少多了解了一些了,本來想要在超頻這個主題在多寫一些的,但是找了資料後發現超頻其實是非常複雜的,而且不同的CPU超頻的方法也不相同,沒有辦法三言兩語就說完,只好大概的介紹一下,以後有機會在深入去研究。不過超頻聽起來還是很吸引人,可以用較少的價錢得到較高的性能,如果有錢的話,我想我也會來試試看超頻吧,想必一定很好玩才是。


References

Tom's 硬體指南 http://www.big5.tomshardware.com/

CNET http://taiwan.cnet.com/

AMD http://www.amd.com/us-en/

AMD台灣站http://www.amdtwn.com.tw/

Intel台灣站http://www.intel.com/tw/big5/

超頻者天堂http://www.oc.com.tw/

IBM http://www.ibm.com/tw/

Arm http://www.arm.com/

INTEL和AMD自100 MHz到3066 MHz的65款CPU效能比較圖




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發表於:2005-04-09 12:48

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