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1.4.1 CPU (微处理器)(1-2)

时间:2020-07-16   访问量:1079

CPU (即Central Processor Unit的缩写,也叫中央处理器)是计算机中最主要的部分,计算机的所有资料、信息都需要它来处理,因它的重要性,也就有了计算机的“心脏”之称,如图1-8所示。

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图1-8

1.CPU的发展CPU从最初发展至今已经有20多年的历史,这期间,按照其处理信息的字长,CPU可分为:4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器。下面按其性能的明显不同分为两个阶段。

第一阶段: 80X86系列。

1978年Intel 公司首次生产名为i8086,内外总线均为16位的微处理器,同时还生产出与之相配合的数字协处理器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的指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087,所以人们把这些指令集统称为X86指令集。此后Intel推出的新-代 CPU产品,均兼容原来的X86指令。为了更好地使用和控制大量8位的外设,一年后,Intel公司推出了内部总线为16位,外部总线为8位的8088芯片。1981年,8088芯片首次被用于IBM PC机当中,开创了全新的微机时代,也正是从8088开始,PC机(个人计算机)的概念开始流行起来。所以可以说,8088就是第一代的CPU。

1982年Intel公司推出了划时代的最新产品80286芯片,虽然它仍旧是16位结构,但是在CPU的内部已含有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。从80286开始,CPU的工作方式也演变出两种:实模式和保护模式。

1985 年Intel 公司推出了80386 芯片,它是80X86系列中的第一种32位微处理器, 较之以前的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。它除实模式和保护模式外,还增加了一种叫虚拟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。

除了标准的80386芯片,也就是以前经常说的80386DX外,出于不同的市场和应用考虑,Intel 又陆续推出了一些其他类型的80386芯片: 80386SX、80386SL和80386DL等。其中80386SX就相当于简化了的80386,性能与80386类似,价格仅为80386的三分之一,但它没有内置的协处理器,因此不能执行浮点运算指令,如果用户需要进行浮点运算时,还必须另外购买昂贵的80387协处理器。80386SL和80386DL则主要用于便携机和节能型台式机。因为两者皆增加了一种新的工作方式:系统管理方式(SMM)。所以当进人这种方式后,CPU就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其他部件暂停工作,甚至停止运行,进入“休眠”状态。

第二阶段:奔腾系列。

1993年性能优异,功能强大的新一代586处理器问世,为摆脱486名称混乱的局面,最大的CPU生产商Intel公司把自己新一代的产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。同时AMD和Cyrix也分别推出了K5和6X86处理器以对付芯片巨人,但由于Pentium的性能最佳,Intel 公司逐渐占据了大部分市场。而且也就是从Pentium起,新一代的CPU内开始集成一级缓存。

1997年初为改善PC机在图形、视听及通信方面的功能,Intel公司推出采用MMX技术的新款奔腾处理器PentiumMMX,也就是常说的多能奔腾。据测试表明:采用MMX后,对不同种类的应用性能提高了50% 400%,尤其对图形、图像、动画、音频数据处理的改进更为明显,对计算机的总体性能提高了10%~20%。

同年Intel的Pentim I、AMD的K6相继上市,时隔不久,Cyrix的6X86MX也开始在市场销售,市场逐渐形成“三足鼎立”的局面。198年,PI赛扬、K6-2、MII更是杀得你死我活。为趁机把AMD公司和Cyrix一举歼灭,从P如构,然而Intel公司这次却失算了。渐老化的Socket7接口的市场,转而力推先进的Slotl随着全球PC需求量的日益增加,AMD的I K6-2?处理器一下子填补了Intel公司在低端产品这一领域的空白,而且AGP技术、100MHz外频,这些原质生只有在Slot1 上才能实现的技术,在AMD公司的努力下,在Socket71 的接口上也可以实现。仅此一项,AMD公司抢走国俱不重改当初制定的发展方向,重新30%的零售市场份额。迫于竞争的压力,Intel 公司不得不名口的低端处理器Celeron, 中文重视低端市场,于1998年4月推出第一款Socket370名称为赛扬II。

1999年AMD公司开始走下坡路,市场销量很不乐观。Cyrix公司更是在这场CPU大战中失败,同年6月,被主板芯片厂商VIA(威盛)收购。经过一段时间的反复调整,1999年8月,AMD公司凭借者款低价高质Atlon (中文名称:速龙)的发布,终于第一次在同频竞争中性能全面超越Imel 公司,成为最快的处理器,占据了市场的主动权。伴者21世纪的钟声,AMD与Inel公司又开始了新-轮的速度之争。2001年,曾经的“巨人”又再受挫。先是Intel公司抢先推出了主频为1G以上的处理器,但刚一面市就因为设计的问题而全部回收。结果首个千M之“芯”还得让给了AMD.随后Petium4的开发也是历经磨难,几次推迟发布日期。此时AMD的产品好像滚滚的江水,-款接着一款,市场的占有率越来越高。

但是毕竞Intel 的实力勿庸置疑,进入2002年,Intel 全面推广Pentium 4,随着Pentium4的价格不断下降,Pentum 4越来越被大众所接受。同时Inel推出了全新的采用478架构的Pentim 4。同原先的wllamette内核的Pentium 4相比, Northwood 内核Pentium 4有了不少的改进。Northwood的生产工艺采用了最新的0.13微米;虽然Northwood内核的Pentium4晶体管数从4200万个增加到了5500 万个,然而它的核心尺寸却从217mm2减小到了146mm2,相信这都应该归功于0.13 微米的新工艺。此外,Northwood 内核Pentium 4的二级缓存容量也有了成倍的增长,从原先的256K一跃扩充到了512K,这对性能的提升将会起到不小的作用。面对新Pentium 4的推出AMD也没有坐视不理,2001 年底,AMD推出基于Palomino核心的桌面电脑用处理器Athlon XP新系列处理器。XP的意思是可以以很好的性能支持微软新推出的操作系统WindowsXP。不同于以往的标识方式,处理器后面跟的数字不再是处理器的实际频率,而据AMD称这是表示处理器的实际性能,也是为了和以前采用Thunderbird核心的处理器区分开来。
究竟谁能成为最终的赢家,AMD? Inte!? 还是其他什么厂商?无论是谁,随着竞争的激烈,各家公司都不得不拼尽全力地研制最新、最快、最好的处理器产品,这些对用户无疑都是好消息。

2. CPU中采用的新技术

● MMX和SSE ( Streaming SIMD Extensions )
Intel 为传统X86指令集增加了一系列新指令一在奔腾和奔腾1里叫MNX,在奔腰中里则叫做s.它们都能以SIND方式处理数据。SSS其实就是KNT(Karn 街NerInstuto)指令,随着奔腾川的面市,KNI正式定名为SSE了.

MMX指令可对整数执行SIMD (单指令多数据)运算SSE指令则增加了对浮点数的
SIMD运算能力。利用MMX和ssE,一条指令可同时对2个以上的数据流执行计算。假设原先为使用声音效果时每秒需执行529000条指令,显示一幅图像时每秒需执行7088008条指令,而现在每秒只需分别执行264600条和23592960条即可,因为产生声音时,同样的指令可同时对左、右声道发生作用。显示图像时, 红、绿、蓝通道均可使用相同的指令控制。
MMX和SSE的作用还不止于此。假定颜色深浅在0到255之间变化(24位色深)。为显示出阴暗或照明效果,在调节光线强度时,这个值完全可能低于0或超过255。如果用8位保存,这两种情况就分别叫做“下溢”和“上溢”。所以必须将数值限制到0-255间,否则会产生混乱的显示。在没有MMX或SSE的情况下,必须在软件里对这种情况进行判断与纠正。但由于在指令中使用了跳转指令(jump),会明显减慢某些处理器的速度。而在MMX或SSE问世以后,只需用范围限制算法执行指令即可。值会被“ 强制”位于正确的范围之间,程序会流畅执行下去,用户感觉不出程序的任何变化。

但是MMX并没有带来游戏性能的显著提升,而SSE在这方面却有卓越表现。比如玩Quake时,3D物件均由多边形构成,而这些多边形以一-系列点的形式保存。每个点都有对应的3轴坐标。如限制成只用整数, 便不能精确地表示这些位置 (如每 个坐标轴使用16立,那么只能得到65536个坐标点),造成图形显示非常糟糕。自奔腾开始,Intel 各型处理器的浮点运算能力非常强大,游戏开发者几乎都情愿选用浮点运算。由于MMX不能对浮点进行操作(从MMX切换到浮点模式时,还会造成性能的瞬间剧降),所以MMX并不能将游戏提速至比设备驱动程序更高的一个水准。假如用3D加速卡做图形渲染,游戏中完成的运算(模拟、3D变形、照明等)会耗去约90%的处理器时间。也就是说,MMX只为处理器留出了10%的时间来做其他工作,这还是在使用了3D卡的前提下。

SSE有效解决了这个问题,除保持原有的MMX指令外,它又新增了70 条指令,在加快浮点运算的同时,也改善了内存的使用效率,使内存速度显得更快-些。 对游戏性 能的改善十分显著,可以说令人震惊!想想现在需要一个400MHz以上的处理器,才能使VooDoll、Riva TNT或Rage 128等显示卡发挥至最高帧频,便可清楚理解这一点。 按Intel的说法,SSE对下述几个领域的影响特别明显: 3D几何运算及动画处理、图形处理(如Photoshop )、视频编辑/压缩/解压(如MPEG和DVD )、语音识别( ViaVoice仍然只是玩具,因为一般每说20个字,它就会听错一个)以及声音压缩和合成。

SIMD技术可对一-条命令的多个数据同时进行处理,它能一次性处理64位任意分割的数据。

● SSE2指令集

SSE2指令集是Intel在Pentium4上投入了很大精力的地方,也是继Pentium 11 PentiumXeon(款专门用于服务器的 CPU)之后的次重大革命,此项技术有助于大幅度 提高多媒体指令的执行效率,使系统播放DVD、MP3 等文件的译码、压缩等工作最佳化。 可以肯定SES2能大幅度提高CPU的浮点运算能力,不过要发挥s2的作用,同样质要有2持s2的软件来配合。Ss2包括144条新的SIMD (单指令多数据)指令,能处理128位、SIMD的整数和双精度浮点数据,还有一些缓存和内存控制指令。发软件时能够像应用

SSE2的问题是需要重新用新的指令编写软件,一旦厂商在开发MMX和SSE指令那样迅速推广SSE2指令,必然会带来更好的执行效果: SSE2 指令的整数市分将便视须编解码、语音处理、 加密解密、 图形处理等应用得益,S2指令的浮点都分将提高3D管戏、数字媒体创作、金融分析、工程设计、科学计算等的执行效率。3DNow!技术

3DNow技术指令集是AND公司为加强K6系列对图像、游戏的处理能力而专门推出的指令系列,它包括21个指令,支持“单指令多数据" (SIMD)的浮点运算。有关指令集可以执行SIMD整数运算数据预取以及更快的MMX至浮点交换等功能。为了提高MPEG解码能力,3DNow!指令还包括一个特定的 SIMD整数指令,方便为“像素动作”提供补偿。若采用称为“预取” 的3DNow!新指令,便无需另外耗费时间读取有关数据,这个指令可确保有关数据在有需要时已存放在_ -级高速缓存中。为了缩短MMX与X87编码之间交换时间,3DNow!指令亦包括快人/快出多媒体状态( FEMMS)指令,省去这两个功能单元之间进行交换时所需的大部分工作。3DNow!技 术是一个开放式的标准,可支持IEEE 754单精度类型的数据。
3DNow!技术采用了SIMD技术,因此可以提高三维图像处理的性能。每。指令可执行两个单精度浮点运算,而且AMD-K6-2处理器的微架构可在两个暂存器的执行通道内以每一时钟周期执行高达两个3DNow!指 令的速度进行作业。换言之,每一时钟周期可执行四个浮点运算(加、减、乘、除)。由于3DNow!指令采用与MMX同样的浮点堆叠,因此3DNow!可以无需与MMX交换工作。

虽然3DNow!技术采用MMX暂存器,其编码与MMX指令类似,而且可同步执行MMX指令,但这毕竟是种截然 不同的技术。MMX技术的主要功能在于改善进行光栅化所需的弊数运算希集的工作。但当MMX技术推向市场时,图像加速卡技术的发展已超过系统的其他部分。虽然MX技术可以提高整数运算的性能,尤其是整数运算密集的工作如影槐售扶及回放,但事实证明,现在先进的维图像加速已可为三维应用程序提供最高的性他。而Io0术则可提高通道的运作性能,尤其是初期运算通道浮点远算资集的前阶段。

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