cpu基础知识及分类.ppt

CPU简介 内容概要一 CPU简介二 CPU基本结构三 CPU制造流程四 CPU封装五 CPU的相关指标六 当前CPU的技术特点七 双核CPU八 四核CPU九 三核CPU十 ARM微处理器十一 ARM微处理器系列 一 CPU简介 中央处理器 英文CentralProcessingUnit CPU 是一台计算机的运算核心和控制核心 按照其处理信息的字长可以分为 八位微处理器 十六位微处理器 三十二位微处理器以及六十四位微处理器等CPU厂商主要有Intel AMD VID CPU功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据 功能主要包括 1 指令顺序控制 控制程序中指令的执行顺序2 操作控制 CPU要根据指令的功能 产生相应的操作控制信号 发给相应的部件 从而控制这些部件按指令的要求进行动作3 时间控制 对各种操作实施时间上的定时4 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算 或进行其他的信息处理 二 CPU基本结构 CPU由运算器 控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及状态的总线构成运算逻辑部件 运算逻辑部件 可以执行定点或浮点算术运算操作 移位操作以及逻辑操作 也可执行地址运算和转换寄存器部件 包括通用寄存器 专用寄存器和控制寄存器 分别用于保存指令中的寄存器操作数和操作结果 执行一些特殊操作 用来指示机器执行的状控制部件 要负责对指令译码 并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号 三 CPU制造流程 切片 粘片 压焊 塑封 电镀 管教加工四 CPU封装CPU的封装有DIP QFP PGA BGA CSP MCMDIP 双列直插式封装QFP 塑料方型扁平式封装 四面管腿 一般为正方形PGA 在芯片的内外有多个方阵形的插针 每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列BGA 球栅阵列封装CSP 减小了芯片封装外形的尺寸MCM 多芯片模块系统 五 CPU的相关指标 1 主频 外频和倍频主频 CPU运算时的工作频率外频 系统总线的工作频率倍频 cpu外频与主频相差的倍数 主频 外频 倍数 2 内存总线速度指CPU二级高速缓存和内存之间的通信速度 二级 L2 缓存是为协调内存和CPU的运行速度的 3 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4 工作电压CPU正常工作所需的电压5 超标量一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令6 L1高速缓存 一级高速缓存 CPU内置高速缓存可以提高运行效率7 前端总线 FSB 频率前端总线 FSB 频率 即总线频率 是直接影响CPU与内存直接数据交换速度外频与前端总线 FSB 频率的区别 前端总线的速度指的是数据传输的速度 外频是CPU与主板之间同步运行的速度 六 当前CPU的技术特点 1 制造的工艺 更细的线宽原有晶体管门电路更大限度的缩小 在同样的面积内可以集成更多的晶体管 能耗降低 CPU也更省电2 封装方式 socket架构主流CPU按其安装插座规范可分为Socketx和Slotx两大架构 以Intel处理器为例 Socket架构的CPU中分为Socket370 Socket423和Socket478三种 分别对应IntelPIII Celeron处理器 P4Socket423处理器和P4Socket478处理器 Slotx架构的CPU中可分为Slot1 Slot2两种 分别使用对应规格的Slot槽进行安装slot1插座说socket478插座3 缓存 全速L2Cache缓存就是可以进行高速数据交换的存储器 它先与内存与CPU交换数据 因此速度极快 又称为高速缓存 与处理器相关的缓存有L1Cache 片内缓存 和L2Cache 二级缓存 L2Cache全内置并与处理器同频工作是大势所趋 而这也正是决定CPU处理性能的一个关键所在 七 双核CPU 1 核心 Die 又称为内核 是CPU最重要的组成部分 CPU中心那块隆起的芯片就是核心 双内核应该具备两个物理上的运算内核 双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心 从而提高计算能力 最近逐渐热起来的 双核 概念 主要是指基于X86开放架构的双核技术2 处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量 因此增加一个内核 处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍 优点 多核心处理器带来的直接优势是可以降低随着单核心处理器频率的不断上升而增大的热量和功耗 多核心处理器有助于为将来更加先进的软件提供卓越的性能 缺点 随着物理内核数量的增加 CPU内核之间的通讯量和系统用于资源同步及维护的开销也会逐渐上升 双核处理器在成本上相对于单核心处理器也没有优势 同时大量的晶体管也带来了更大的功耗和发热量 八 四核CPU 四核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有四个一样功能的处理器核心 换句话说 将四个物理处理器核心整合入一个核中 四核里面是由两个双核组成 每个双核是共享4M的L2的 从理论上去看 在两者均未达到满载的时候 成绩应该相差不大 而双方都同时达到满载时 四核的成绩应该比双核好上一倍 与双核心系统相比 四核计算机在高负载情况下的耗电与热度要略高一些 但在正常情况下大多数四核处理器的功耗要低于双核处理器的功耗 并且获得较高的性能提升物理四核相对于物理双核提升的幅度最大值为80 左右 超线程四核相对于物理双核提升的最大幅度为40 左右 两者的提升幅度相差约为一倍 九 三核CPU 三核产品最早是由AMD公司研发的三核心处理器的缓存优势更明显 虽然损失了一个核心 但共享的三级缓存并未受到影响 只是原先由四个核心分享 现在则成了三个 因此每个核心可以访问的三级缓存容量可以在系统满载的时候增多8 33 有利于提高对缓存敏感的程序的性能 四核心处理器现在的普及率还相当低 据MercuryResearch统计 2007年第二季度出货的桌面处理器中只有不到2 是四核心 应用程序对多核心的优化也严重不足 而且三核心架构并不陌生 Xbox360主机里就是三核心的IBMPowerPC 目前核心做的多的是inteli7 980X3 33G主频6核心12线程moreIntel酷睿i79CPU主频 3330MHz智能加速 3600MHz插槽类型 LGA1366制作工艺 32纳米二级缓存 6 256KB三级缓存 12MB核心数量 六核心核心类型 Gulftown线程数 十二线程总线类型 QPI总线6 4GT s 十 ARM微处理器 ARM微处理器凭借强大的处理能力和极低的功耗 ARM功能的增强和完善 某些方面可以取代原先X86架构的单片机 特别是工控领域 ARM公司设计了许多处理器 它们可以根据使用内核的不同划分到各个系列中 系列划分是基于ARM7 ARM9 ARM10 ARM11内核的 还设计了大量高性能 廉价 耗能低的RISC处理器ARM微处理器及技术的应用 无线通讯领域 目前已有超过85 的无线通讯设备采用了ARM技术 ARM以其高性能和低成本 在该领域的地位日益巩固 网络应用 随着宽带技术的推广 采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势 此外 ARM在语音及视频处理上进行了优化 并获得广泛支持消费类电子产品 ARM技术在目前流行的数字音频播放器 数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用成像和安全产品 现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术 手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术 十一 ARM微处理器系列 1 ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器 最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用 ARM7微处理器系列具有如下特点 1 具有嵌入式ICE RT逻辑 调试开发方便 2 极低的功耗 适合对功耗要求较高的应用 如便捷式产品 3 代码密度高并兼容16位的Thumb指令集 4 对操作系统的支持广泛 包括WindowsCE Linux PalmOS等 5 指令系统与ARM9系列 ARM9E系列和ARM10E系列兼容 便于用户的产品升级换代 6 主频最高达130MIPS 告诉的运算能力能胜任绝大多数的复杂应用 7 能够提供0 9MIPS MHZ的三级流水线结构ARM系列微处理器的主要应用领域为 工业控制 Interbnet设备 网络和调制解调器设备 移动电话等多种多媒体和嵌入式应用ARM7系列微处理器包括 ARM7TDMI ARM7TDMI S ARM720T ARM7EJ 其中ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器 属低端ARM处理器核 2 ARM9微处理器系列ARM9系列微处理器在高性能和低消耗特性方面提供最佳的性能 具有以下特点 1 5级整数流水线 指令执行效率更高 2 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集 3 支持32位的高速AMBA总线接口 4 全性能的MMU 支持WindowsCE Linux PalmOS等多种主流嵌入式操作系统 5 MPU支持实时操作系统 6 支持数据Cache和指令Cache 具有更高的指令分数据处理能力ARM9系列微处理器主要应用于无线设备 仪器仪表 安全系统 机顶盒 高端打印机 数字照相机和数字摄像机等 ARM9系列微处理器包含ARM920T ARM922T和ARM940T三种类型 以适用于不同的应用场合 3 ARM9E系列ARM9系列的下一个处理器是基于ARM9E S内核的 为综合处理器 适用单一的处理器内核提供了微控制器 DSP Java应用系统的解决方案 极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度 ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力 很适合于那些需要同时适用DSP和微控制器的应用场合 主要特点 1 支持DSP指令集 适合于需要告诉数字信号处理的场合 2 5级整数流水线 指令执行效率更高 3 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集 4 支持32位的高速AMBA总线接口 5 支持VFP9浮点处理协处理器 6 全性能的MMU 支持WindowsCE Linux PalmOS等多种主流嵌入式操作系统 7 MPU支持实时操作系统 8 支持数据Cache和指令Cache 具有更高的指令和数据处理能力 9 主频最高可达300MIPSARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备 数字消费品 成像设备 工业控制 存储设备和网络设备等领域ARM9E系列微处理器包括ARM926EJ S ARM946E S和ARM966E S三种类型 以适用于不同的应用场合 4 ARM10E微处理器系列ARM10e紫烈微处理器既有高性能 低功耗的特点 由于采用了新的体系结构 与同等的ARM9器件相比较 在同样的时钟频率下 性能提高的近50 同时ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式 使其功耗极低 主要特点如下 1 支持DSP指令集 适合于需要告诉数字信号处理的场合 2 6级整数流水线 指令执行效率更高 3 支持32位ARM指令集和16位thumb指令集 4 支持32位的告诉AMBA总线接口 5 支持VFP10浮点处理协处理器 6 全性能的MMU 支持WindowsCE Linux PalmOS等多种主流嵌入式操作系统 7 支持数据Cache和指令Cache 具有更高的指令和数据处理能力 8 主频最高可达400MIPS 9 内嵌并行读 写操作部件ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备 数字消费品 成像设备 工业控制 通信和信息系统等领域ARM10E系列微处理器包括ARM1020E ARM1022E和ARM1026EJ S三种类型 以适用于不同的应用场合 5 SecurCore微处理器系列SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计 提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案 因此 SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗 高性能的特点外 还具有其独特的优势 即提供了对安全解决方案的支持SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外 还在系统安全方面具有如下的特点 1 带有灵活的保护单元 以确保操作系统和应用数据的安全 2 采用软内核技术 防止外部对其进行扫描探测 3 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器SecurCore系列微处理器主要用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统 如电子商务 电子政务 电子银行业务 网络和认证系统等领域SecurCore系列微处理器包含SecurCoreSC100 SecurCoreSC110 SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四种类型 已适用于不同的应用场合 6 StrongARM微处理器系列InterStrongARMSA 1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器 它融合了Inter公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率 采用在软件商兼容ARMv4体系结构 同时采用具有Inter技术有点的体系结构InterStrongARM处理器是便捷式通讯产品和消费类电子产品的理想选择 已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品 7 Xscale处理器Xscale是基于ARMv5TE体系结构的解决方案 是一款全性能 高性价比 低功耗的处理器 它支持16位的Thumb指令和DSP指令集 已使用在数字移动电话 个人数字助理和网络产品等场合 Xscale处理器是Inter目前主要推广的一款ARM微处理器 8 ARMCortex应用程序处理器 ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名Cortex系列属于ARMv7架构 这是ARM公司最新的指令集架构 ARMv7架构定义了三大分工明确的系列 A 系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用 R 系列针对实时系统 M 系列对微控制器Cortex应用程序处理器在高级工艺节点中可实现高达2GHz 标准频率的卓越性能 从而可支持下一代的移动Internet设备应用包括 智能手机 智能本和上网本 电子书阅读器 数字电视 家用网关和各种其他产品Cortex M系列处理器主要是针对微控制器领域开发的 在该领域中 既需进行快速且具有高确定性的中断管理 又需将门数和可能功耗控制在最低 Cortex R系列处理器的开发则面向深层嵌入式实时应用 对低功耗 良好的中断行为 卓越性能以及与现有平台的高兼容性这些需求进行了平衡考虑应用包括 Cortex M系列 微控制器 混合信号设备 智能传感器 汽车电子和气囊Cortex R系列 汽车制动系统 动力传动解决方案 大容量存储控制器 联网和打印 经典ARM处理器ARM11 系列 基于ARMv6架构的高性能处理器ARM9 系列 基于ARMv5架构的常用处理器ARM7 系列 面向普通应用的经典处理器ARM经典处理器适用于那些希望在新应用中使用经过市场验证的技术的组织 这些处理器提供了许多的特性 卓越的功效和范围广泛的操作能力 适用于成本敏感型解决方案 这些处理器每年都有数十亿的发货量 因此可确保设计者获得最广泛的体系和资源 从而最大限度地减少集成过程中出现的问题并缩短上市时间 ARM专家处理器SecurCore 面向高安全性应用的处理器FPGACores 面向FPGA的处理器ARM专家处理器旨在满足特定市场的苛刻需求 SecurCore处理器在安全市场中用于手机SIM卡和识别应用 集成了多种既可为用户提供卓越性能 又能检测和避免安全攻击的技术 ARM还开发面向FPGA构造的处理器 在保持与传统ARM设备兼容的同时 方便用户产品快速上市 此外 这些处理器具有独立于构造的特性 因此开发人员可以根据应用选择相应的目标设备 而不会受制于特定供应商