第2章 中央处理器

CPU是现代计算机最核心的部件，又称为微处理器（Micro Processor），由运算器和控制器组成。对于微机而言，CPU的规格与频率常被用来作为衡量一台微机性能强弱的重要指标，人们常以它来判定微机的档次。随着CPU不断的发展，现在CPU仍朝着多核、多线程的方向发展。

2.1 晶体管的诞生与摩尔定律

1.晶体管的诞生

1947年12月16日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家——威廉·肖克利（William Shockley）（如图2-1所示）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）成功地制造出第一个晶体管，改变了人类的历史。到了1950年，William Shockley开发出双极性接面晶体管（Bipolar Junction Transistor），也就是现在俗称的晶体管，而第一款采用晶体管技术并商业化的装置于1953年上市，是一款助听器。这3位科学家共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它首先在通信工具方面得到及时、普遍的应用。

由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，为制造像高速电子计算机之类的高精密装置奠定了基础。

图2-1 威廉·肖克利

2.摩尔定律

Intel公司的创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）（如图2-2所示）通过长期的对比、研究后发现，CPU中的部件（我们现在所说的晶体管）在不断增加，其价格也在不断下降。“随着单位成本的降低以及单个集成电路集成的晶体管数量的增加；到1975年，从经济学来分析，单个集成电路应该集成65000个晶体管。”Intel此后几年的发展都被摩尔提前算在了纸上，使人们大为惊奇，“摩尔定律”也名声大振。为了让人们更直观地了解摩尔定律，摩尔及其同事总结出一句极为精练的公式—“集成电路所包含的晶体管每18个月就会翻一番”。

图2-2 戈登·摩尔

按照摩尔所说，芯片上集成的晶体管数量大约每18个月就将翻一番。这意味着，只有不断提高工艺，增加晶体管集成度，才能提升芯片主频和性能。之后的芯片内集成的晶体管数量也证实了他的这句话，并且发展速度还在加快。从芯片制造工艺来看，在1965年推出的10μm（微米）处理器后，经历了6μm、3μm、1μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、0.09μm、0.065μm，0.045μm，0.032μm，0.022μm，而0.022μm的制造工艺将是目前CPU的最高工艺。每当新一代CPU问世时，人们都会热衷于讨论它采用了多少微米或纳米制程。的确，每一次制程（或制造工艺）的进步都会对芯片制造业产生举足轻重的影响。

这一定律揭示了信息技术进步的速度。尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，摩尔定律仍应该被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。预计定律将持续到至少2015年或2020年。然而，2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经在2013年年底放缓，之后的时间里晶体管数量密度预计只会每3年翻一番。2015年7月，根据《金融时报》的报道，英特尔CEO科再奇（Brian Krzanich）警告称，摩尔定律即将走向终结。

2.2 微处理器的发展历史

Intel x86架构从1978年到现在已经经历了近40年，x86架构的CPU处处影响着如今的微机用户。下面以Intel公司为主线，介绍CPU的发展历史。

Intel公司 成立于1968年，总部位于美国加利福尼亚州的圣克拉拉市。Intel这个英文单词是由“集成/电子（Integrated Electronics）”两个英文单词组合成的，Intel公司是x86体系CPU最大的生产厂家，是世界上最大的半导体生产公司。

超微半导体（Advanced Micro Devices，AMD）公司 于1969年成立，总部位于美国加利福尼亚州桑尼维尔。其在台式机CPU市场上的占有率仅次于Intel，是全球第二大处理器生产商。

2.2.1 4位处理器

在20世纪60年代，计算机通常都是笨重的庞然大物。集成电路的出现改变了计算机这一形象。Intel公司的工程师根据需求把传统的运算器和控制器集成在一块大规模集成电路芯片上，于1971年11月15日发布了该公司的第一款微处理器，也是全球第一款商用微处理器——Intel4004，如图2-3所示。4004的字长为4bit（位），采用10μm制造工艺，16针DIP封装，芯片核心尺寸为3mm×4mm，共集成有2300个晶体管，时钟频率为108kHz，运算能力为6万次/s，包括寄存器、累加器、算术逻辑部件、控制部件、时钟发生器及内部总线等。

2.2.2 8位处理器

1972年，Intel公司研制出8008处理器，字长为8bit，晶体管数量3500个，速度200kHz。8008的性能是4004的两倍，如图2-4所示。

1974年Intel研制出8008的改进型号8080，集成度提高约4倍，每片集成了6000个晶体管，主频为2MHz，采用6μm制造工艺，如图2-5所示。

图2-3 Intel4004处理器

图2-4 Intel 8008处理器

图2-5 Intel 8080处理器

其他公司生产的微处理还有Motorola 6502/6800，以及1976年Zilog公司的Z80。当年，爱德华·罗伯茨用8080作为CPU制造了第一台“牛郎星”个人计算机，不过严格来说这样的计算机只是个玩具。

2.2.3 16位处理器

1.Intel 8086/8088处理器

1978年6月8日，Intel公司推出了首枚16位微处理器i8086，如图2-6所示。i8086集成2.9万个晶体管，采用3μm制造工艺，时钟频率为4.77MHz，内部数据总线（CPU内部传输数据的总线）、外部数据总线（CPU外部传输数据的总线）位宽均为16bit，地址总线位宽为20bit，可寻址1MB内存。8086的诞生标志着x86架构的开始，到今天它仍然是所有x86兼容处理器的基础。

不过这款16位处理器的高昂价格阻止了其在微机中的应用。于是，1979年，Intel又推出了8086的简版—8位的8088处理器，如图2-7所示。8086和8088内部数据总线位宽均为16bit，而8088的外部数据总线位宽为8bit。因为当时的大部分设备和芯片都是8bit的，8088的外部数据总线传送、接收8bit数据，能与这些设备相兼容。8088采用40针的DIP封装，工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz，处理器核心集成了大约2.9万个晶体管。在8088的架构上，已经可以运行较复杂的软件，因此使研制商用微机成为可能。1981年，IBM公司将8088处理器用于其研制的IBM PC中，从而开创了全新的微机时代。

2.Intel 80286处理器

1982年，Intel推出了80286处理器，其内部包含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位宽皆为16bit，地址总线位宽为24bit，可寻址16MB内存。80286有两种工作方式：实模式和保护模式。如图2-8所示是Intel 80286处理器的外观。IBM公司将Intel 80286处理器用在IBM PC/AT中。

图2-6 Intel 8086处理器

图2-7 Intel 8088处理器

图2-8 Intel 80286处理器

2.2.4 32位处理器

1.Intel 80386处理器

1985年，Intel发布80386DX处理器，如图2-9所示。其内部包含27.5万个晶体管，工作频率为16MHz，后来逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz和40MHz。80386DX的内部和外部数据总线位宽都为32bit，地址总线位宽也为32bit，可以寻址到4GB内存，并可以管理64TB的虚拟存储空间。除具有实模式和保护模式以外，还增加了一种“虚拟86”的工作模式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。

除Intel公司生产80386芯片外，还有AMD、Cyrix、IBM、TI等公司也生产与80386兼容的芯片。摩托罗拉公司在此期间开发出了68030CPU，用于Apple微机。

图2-9 Intel 80386DX处理器

2.Intel 80486处理器

1989年，Intel推出了Socket1接口的486处理器，如图2-10所示。80486为32位微处理器，集成了125万个晶体管，其时钟频率从25MHz逐步提高到33～50MHz。80486将80386和80387数字协处理器以及一个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技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。

AMD、Cyrix、IBM、TI等公司也推出了与80486兼容的CPU芯片，如图2-11所示。

图2-10 Intel 80486DX处理器

图2-11 其他80486CPU芯片

处理器的频率越来越快，但是PC外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了处理器主频的进一步提高。在这种情况下，从80486开始首次出现了处理器倍频技术，该技术使处理器内部工作频率为处理器外部总线运行频率的2倍或4倍，486DX2与486DX4的名字便是由此而来的，如图2-12所示。例如80486DX2-66，处理器的频率是66MHz，而主板的外频是33MHz，即CPU内频是外频的2倍。

80486处理器首次采用了Socket接口架构，通过主板上的处理器接口插座与处理器的插针接触。不过由于是第一次采用这种架构，所以486处理器时代存在着多种Socket处理器接口，如Socket1、Socket2与Socket3等，所以从那时开始就可以升级CPU，而不是像以前那样，将CPU直接焊接在主板上。也是自从那时开始，DIY（Do It Yourself）成为可能。

图2-12 Intel 80486DX4

3.Intel Pentium处理器

1993年，Intel公司发布了Pentium处理器。Pentium处理器集成了310万个晶体管，最初推出的初始频率是60MHz与66MHz，后来提升到233MHz以上。Pentium产品经历了3代，处理器的接口分别采用Socket 4、Socket 5和Socket 7。Pentium处理器的外观如图2-13所示。

其他公司与Pentium属于同一级别的CPU有AMD K6与Cyrix 6x86MX等，如图2-14和图2-15所示。

图2-13 Pentium

图2-14 AMD K6

图2-15 Cyrix6x86MX

4.Intel Pentium Ⅱ处理器

1997年Intel公司发布的Pentium Ⅱ处理器集成了750万个晶体管，整合了MMX指令集，时钟频率为233～333MHz，处理器接口也从Socket7转向Slot1，如图2-16所示。

同期，AMD公司和Cyrix公司分别推出了同档次的AMD K6-2和CyrixM Ⅱ处理器，如图2-17和图2-18所示。

图2-16 Pentium Ⅱ

图2-17 AMD K6-2

图2-18 Cyrix M Ⅱ

5.Intel Pentium Ⅲ

1999年，Intel公司发布了Pentium Ⅲ处理器，如图2-19所示。它采用0.25μm制造工艺，集成950万个晶体管，采用Slot1接口，系统总线频率为100MHz或133MHz，新增加了SSE指令集，初始主频为450MHz。其后Intel相继发布了主频为500～600MHz的多个不同版本。

2000年3月，AMD公司领先于Intel公司推出了1GHz的Athlon（K7）微处理器，其性能超过了Pentium Ⅲ，如图2-20所示。

图2-19 Pentium Ⅲ（Slot1接口）

图2-20 AMD Athlon（K7）

为了降低成本，后来的Pentium Ⅲ都改为Socket370接口，时钟频率有667MHz、733MHz、800MHz、933MHz和1GHz等，其外观如图2-21所示。

同期，AMD公司推出了速龙（Athlon），如图2-22所示。它采用462针的Socket A接口，时钟频率为700MHz～1.4GHz，内建MMX和增强型3DNow!技术。

图2-21 PentiumⅢ（Socket接口）

图2-22 Athlon

6.Intel Pentium 4处理器

Intel公司在2000年11月发布了Pentium 4处理器，采用Socket 423接口，0.18μm制造工艺，有4200万个晶体管，主频为1.4～2.0GHz。后期的Pentium 4处理器均改为Socket 478接口，0.13μm制造工艺，集成了5500万个晶体管，主频为1.8～2.4GHz，如图2-23所示。

同期，AMD公司推出了Athlon XP，如图2-24所示，仍采用Socket A接口，以全面对抗Pentium 4。Athlon XP具有当时最强大的浮点单元设计和优秀的整数计算单元，广泛测试显示，Pentium 4需要多付出300～400MHz的工作频率才可以获得与Athlon XP相当的性能。

2004年6月Intel推出了LGA775接口的Pentium 4、Celeron D及Pentium 4EE处理器。LGA775接口处理器的外观如图2-25所示。

图2-23 Socket 478架构的Pentium 4

图2-24 Athlon XP

图2-25 LGA775 Pentium 4

2.2.5 64位处理器

对x86架构进行扩展，从而实现同时兼容32位和64位运算，这一理念是由AMD率先提出的。事实证明，2003年AMD发布的针对桌面Athlon 64以及服务器/工作站的Opteron处理器，取得了非常大的成功，兼容32/64位运算，使平台过渡顺利而稳定。

1.AMD Athlon64系列

2003年9月，AMD发布了桌面64位Athon64系列处理器（也称K8架构）。K8有许多架构方面的改进，重点则是在将北桥芯片中的内存控制器整合到了处理器内部。K8架构的很多设计理念非常超前，并且提供了出色的性能，K8在很多应用上都领先当时的Intel Pentium D。Athlon 64初始实际频率为2.0GHz，PR值为3200+，如图2-26所示。

2.Intel Pentium 4 64位系列

Intel公司于2005年2月发布了桌面64位处理器，LGA775接口，并冠以6XX系列的名称，后来推出的Pentium 45XX系列、入门的CeleronD中也引入64位技术。

Intel与AMD的64位技术有惊人的相似之处。但是K8在一开始就是为64位而设计的。而Intel的Prescott的64位功能是后来补充的，所以其效率不高。

图2-26 Athlon64

2.2.6 64位双核、四核处理器

1.Intel桌面双核、四核处理器

Intel在2005年4月发布了桌面双核处理器Pentium D，具有64位技术，LGA775接口，频率分别为2.8GHz、3.0GHz及3.2GHz。

2006年7月，Intel发布了新一代的全新的微架构桌面处理器——酷睿2（Core 2），并且宣布正式结束Pentium时代。Core 2桌面双核处理器分为酷睿2双核（Core 2 Duo，Duo代表多核）和Core 2极品版（Core 2 Extreme）两种。Core 2采用65nm制造工艺，LGA775接口，其外观如图2-27所示。

Intel于2006年11月发布了四核桌面处理器，分为两大系列：酷睿2四核（Core 2 Quad）以Q开头；酷睿2四核极品版（Core 2 QuadExtreme）以QX开头。Core 2 Quad系列有Q6xxx和Q9xxx两个系列，频率从2.4～2.83GHz，分别采用65nm和45nm制造工艺，LGA775接口。Core 2 QuadExtreme系列有QX6xxx（65nm制造工艺）和QX9xxx（45nm制造工艺）两个系列，LGA775接口，主频3.0GHz，前端总线频率1333MHz。

2009年6月，Intel发布了基于Nehalem微构架的Core i7（四核，LGA 1366接口）、Core i5（四核，LGA 1156接口）。

图2-27 Core 2处理器

2.AMD桌面双核、四核处理器

2005年5月，AMD发布了第一款64位双核CPU——基于K8架构的Athlon 64 X2系列（包括4800+、4600+、4400+及4200+等），Socket939接口。

2007年11月，AMD发布了基于全新K10架构的四核Phenom处理器系列，采用65nm工艺、Socket AM2+接口，其外观如图2-28所示。

2009年6月，AMD推出了K10.5架构的双核、四核处理器Phenom ║、Athlon ║，接口为AM3，采用先进的45nm SOI制作工艺。AMD基于Socket AM3（938）接口，45nm制造工艺，K10.5架构的CPU产品分为两大系列：Phenom（羿龙） ║和Athlon（速龙） ║。采用原生六核、四核或两核设计，CPU内同时内置DDR2和DDR3内存控制器，可支持两种内存，支持HT3.0总线，支持4.0GT/s16位连接，提供最高16GB/s的输入/输出带宽，主频为2.6～3.2GHz。

图2-28 Phenom处理器

2.2.7 Inte l64位新一代多核处理器

自2006年Core 2处理器发布后，Intel公司就以“Tick-Tock”钟摆模式有规律地更新处理器，按照Intel的计划，每两年进行一次架构大变动：Tick年更新制作工艺，Tock年更换处理器的微架构，如图2-29所示。

图2-29 Intel CPU的“Tick-Tock”模式及CPU的代号

2009年为Tock年，采用45nm的全新Nehalem微架构发布了第一代Core i7/i5。

2010年为Tick年，工艺更新到32nm，微构架改名为Westmere，发布了Core i3处理器。

2011年为Tock年，采用32nm的全新Sandy Bridge微架构，发布了第二代智能Core i3/i5/i7。

2012年是Tick年，工艺更新到22nm，微构架改名为Ivy Bridge，发布了第三代智能酷睿处理器Core i7/i5/i3和Pentium。它只是Sandy Bridge的改进版，并非全新微架构。

2013年是Tock年，采用22nm的全新Haswell微架构，发布了第四代智能酷睿处理器。Haswell与Ivy Bridge虽然都为22nm，但内部架构已经完全不同，是一个全新的体系。

2014年是Tick年，Intel第五代酷睿（代号Broadwell）由于工艺发展遇到了困难而不得不推迟。2015年1月发布全新的Broadwell平台，全新的14nm制程。2016年5月发布了新一代采用14nm制程的Broadwell-E处理器。

2015年是Tock年，采用14nm的全新的Skylake架构，8月发布了第六代Core i处理器。

但在14nm工艺阶段，Intel的Tick-Tock战略逐渐失效，之后的10nm、7nm工艺也将面临推迟。

1.Intel第一代Core i系列处理器

2010年1月，Intel公司发布了Core i系列处理器，Core是核心、芯片的意思，而i则是智能、智慧（Intelligence）的意思，它们相比以往的CPU更加智能，Intel公司称它们为智能处理器。Core i分为旗舰版、高端、中级、低级、入门级等5个系列，分别是六核的Core i7 Extreme Edition（旗舰版）、四核的Core i7、四核或两核的Core i5、两核的Core i3、Pentium，分别对应5个级别的用户，采用45nm制造工艺，分别采用LGA 1366接口和LGA 1156接口。Intel Core i系列的标识如图2-30所示。i5-600系列基于Westmere架构，核心代号为Clarkdale，采用32nm CPU+45nm GFX制造工艺，是Intel公司PC史上第一款集成显卡的CPU。Intel Core i5-600的外观如图2-31所示。第一代Core i系列对应的主板芯片组是IntelH55/H57。

图2-30 Intel Core i系列的标识

图2-31 Core i5-600

2.Intel第二代Core i系列处理器

2011年1月Intel公司发布了第二代Core i系列处理器Core i7/i5/i3/Pentium，命名为“第二代智能酷睿处理器”，分为高端、中、低、入门级4个系列，均采用全新的32nm制造工艺的Sandy Bridge微架构。第二代Core i7/i5/i3/Pentium采用了全新的标识，如图2-32所示。

在命名方式上，第二代Core i7/i5/i3采用了新的命名方式，以第二代Core i72600为例，如图2-33所示，“Core”是处理器品牌，“i7”是定位标识，“2600”中的“2”表示第二代，“600”是该处理器的型号。型号后面的字母有4种：不带字母、K、S、T。不带字母的是标准版；“K”是不锁倍频版，面向超频用户；“S”是节能版，默认频率比标准版稍低，但睿频幅度与标准版一样；“T”是超低功耗版，默认频率比睿频幅度更低，更为节能。

图2-32 Intel第二代Core i系列的标识

图2-33 Intel第二代Core i系列的命名方式

第二代Core i均内置了显示卡（GPU），CPU和GPU真正封装在同一晶片上，GPU已成为第二代Core i内部的一个处理单元，Intel称之为“核心显示卡”。核心显示卡有HD Graphics 2000和HD Graphics 3000两种版本，两款显示卡均支持DirectX 10.0特效、OpenGL 2.0运算、3D技术。

第二代Core i产品采用LGA 1155接口，搭配的主板有3种，分别是P67、H67和H61。

如图2-34所示是Intel Core i3 2100的外观，CPU部分采用原生双核设计，通过超线程技术提供4个线程，CPU部分不支持睿频加速技术，但核心显示卡支持睿频。核心显示卡为HD Graphics 2000，具备6个处理单元（EU），默认频率850MHz，可睿频到1.1GHz，支持DX 10.1技术。CPU和核心显示卡共享3MB缓存，TDP为65W。

图2-34 Core i32100

3.Intel第三代Core i系列处理器

2012年4月，Intel公司发布了第三代Core i系列处理器Core i7/i5/i3和Pentium，命名为第三代智能酷睿处理器。把工艺更新到22nm，带来了Ivy Bridge，它只是Sandy Bridge的改进版，并非全新微架构。第三代Core i3/i5/i7内置新一代核心显卡，有两种型号的核心显卡，高端型号命名为HD Graphics 4000，主流型号命名为HD Graphics 2500，这是Ivy Bridge最大的改进部分。第三代产品与第二代相同，采用LGA 1155接口，两者兼容。

第三代Intel Core i7/i5/i3的命名方式基于第二代，其4个数字序列中的第一个数字升级为3，例如Intel Core i33220。如图2-35所示是Intel Core i33220的外观。

4.Intel第四代Core i系列处理器

2013年6月Intel公司发布了Haswell架构的第四代智能酷睿处理器Core i7/i5/i3/Pentium，分别为高端、中、低、入门级4个系列。Haswell架构使用了新的产品Logo和外包装。Logo图标改成了Windows 8风格，外包装使用与Logo图片相同的天蓝色，如图2-36所示。2014年9月发布了Haswell升级版Haswell Refresh（Haswell-R），只是升级了主频，其他没有变化。

图2-35 Core i33220

图2-36 第四代智能酷睿使用全新Logo、包装及处理器的外观

第四代智能酷睿处理器的命名方式采用基于一种字母数字方案，即以品牌及其标识符开头，随后是代编号和产品系列。4个数字序列中的第一个数字表示处理器的代编号，接下来的三位数是SKU编号。在适用的情况下，处理器名称末尾有一个代表处理器系列的字母后缀。以Core i7-4770K为例，“Core”是处理器品牌，“i7”是定位标识，“4770”中的“4”代表第四代，“770”是具体型号，“K”代表不锁倍频版。

第四代智能酷睿CPU性能与上一代产品差距不大，主要特性：采用Haswell新架构，22nm工艺制造，晶体管数量是14亿个，而且集成了完整的电压调节器；新的指令集，Haswell添加了新的AVX指令集，改善AES-NI的性能；核心显卡更新为HD Graphics 4400/4600，支持DX11.1、OpenCL1.2，优化3D性能，支持HDMI、DP、DVI、VGA接口标准。第四代Core i系列CPU接口更换为LGA 1150，不兼容旧平台，对应全新的8系列主板，包含H81/B85/H87/Z87四个芯片组，全线整合了原生USB 3.0、SATA 3.0接口。如图2-37所示是Intel Core i3-4130处理器的外观及用CPU-Z测试得到的数据。

图2-37 Intel Core i3-4130处理器的外观及用CPU-Z测试得到的数据

5.Intel第五代Core i系列处理器

2014年，Intel第五代酷睿（代号Broadwell）由于工艺发展遇到了困难而不得不推迟。2015年1月Intel发布了第五代Core酷睿处理器，主要面向笔记本电脑、台式机，以及二合一计算机产品（即PC和平板二合一的超级本产品）。

第五代酷睿Broadwell属于“Tick-Tock”战略中“Tick”这一步，意为架构不变，制程改进。第五代酷睿i最大的改变是采用14nm的制程工艺。除了从22nm升级到14nm的变化之外，处理器的架构基本保持不变，第五代酷睿Broadwell和第四代酷睿Haswell一样，处理器内部设计依然保留了内置FIVR全集成式电压调节模块，而不像第六代酷睿Skylake那样将“FIVR整体移除”，这就是所说的处理器的架构基本保持不变的所在。

Intel第五代Broadwell处理器包含4类核芯显示卡型号，分别为GT1、GT2、GT3与GT3（28W）。其中GT3（28W）性能最高，为Intel Iris Graphics 6100或Iris Pro Graphics6200，拥有48个执行单元，并且自带128MB增强动态随机存取存储器（eDRAM）的显示缓存；其次是GT3，也就是Intel HD Graphics6000，拥有48个执行单元，但是频率略低；然后是GT2，即Intel HD Graphics5500，拥有24个执行单元，低端i3为23个执行单元；最后是GT1，对应的是Intel HD Graphics，被削减的仅有12个执行单元，性能较低。

第五代Broadwell不支持DDR4内存，还是双通道DDR3。第五代使用的是LGA 1150接口，与第四代一样，兼容9系主板。第五代Broadwell桌面版只有两款产品，分别是i7-5775C、i5-5675C，搭载IrisPro6200核显，是Intel有史以来核显最强悍的桌面处理器，TDP均为65W。如图2-38所示是Intel Core i5-5675C处理器的外观及用CPU-Z测试得到的数据。

图2-38 Intel Core i5-5675C处理器的外观及用CPU-Z测试得到的数据

第五代智能酷睿处理器的命名方式基于第四代，以Core i7-5775C为例，“Core”是处理器品牌，“i7”是定位标识，“5775”中的“5”代表第五代，“775”是具体型号，“C”代表不锁倍频版。“C”后缀，与之前的“K”系列大同小异，都能够自由超频，不同的是Broadwel内置了代号为“Crystalwell”第4级缓存eDRAM，所以Intel另起了后缀，让“C”成为它的专属。

由于Skylake处理器不支持X99主板，Intel于2016年5月发布了新一代采用14nm制程的Broadwell-E系列处理器，采用LAG2011-3接口，包括i7-6950X、i7-6900K、i7-6850K和i7-6800K，内核分别为10、8、6、6个，内核时钟分别为3.00、3.30、3.60、3.40GHz。如图2-39所示是i7-6950X处理器。

6.Intel第六代Core i系列处理器

2015年8月5日，Intel第六代Core i（代号Skylake）架构处理器正式发布。Skylake采用14nm工艺新架构，性能更强，超频潜力更大；核芯显卡增强，升级为第九代核显；接口改变，使用LGA 1151接口，不兼容旧平台；同时支持DDR4和DDR3L（低电压）。由于原先从Haswell时代开始整合的电压调节器，将从Skylake开始移除，重新由整合到主板上。

另外，Intel首次在Skylake身上配备72个执行单元的GPU，核显规格进一步提升，Iris 550比Haswell架构的HD4600核显性能提升超过35%，但低于Broadwell架构的Iris 6200，毕竟两者不在同一级别上。同时解码能力也会得到进一步加强，支持JPEG、JMPEG、MPEG2、VC1、WMV9、AVC、H.264、VP8、HEVC/H.265硬解，支持最新版本的DirectX、OpenGL和OpenCL API等。

第六代Core i的命名方式同样基于第四代。首批上市的型号分别是Core i5/i7系列，其中Core i7-6700K是四核八线程设计，默认主频为4.0GHz，通过睿频加速最高频率可以达到4.2GHz，8MB的三级缓存，支持DDR3L-1600、DDR4-2133内存，外观如图2-39所示，具体参数见表2-1。搭配Skylake处理器推出的，是Z170芯片组。

图2-39 Intel Core i7-6700K处理器的外观及用CPU-Z测试得到的数据

表2-1 Skylake i7-6700K和i5-6600K的参数

2.2.8 AMD64位新一代多核处理器

AMD每年也推出了新的CPU产品，2011～2014年AMD APU代号如图2-40所示。

2011年AMD发布了核心代号为Llano的第一代APU产品，采用32nm工艺制作，FM1接口。CPU单元基于K10.5架构，内置HD 6000D系列独显核心。

2012年AMD发布了核心代号为Trinity的第二代APU产品，CPU升级到32nm推土机架构，接口更换为FM2。内置HD 7000D独显核心，并首次增加了A10系列型号。

图2-40 2011～2015年AMD APU代号

2013年AMD发布了核心代号为Richland的第三代APU产品，这一代属于Trinity的小幅度增强版，沿用FM2接口。CPU/GPU架构都与Trinity相同，GPU更换成HD8000D命名。

2014年AMD发布了核心代号为Kaveri的第四代APU产品，基于28nm工艺制作，采用了新一代模块化核心Steamroller，接口升级为FM2+。GPU核心为桌面级Radeon R7。

2014年5月发布了移动版的低功耗APU Beema/Mullins，28nm制造工艺。这个版本被AMD称为第五代APU。第五代没有桌面版产品。

2015年5月发布第六代桌面版APU Godavari，Godavari是对上一代Kaveri架构的改进，依然延续了28nm的工艺制程。第六代APU基于“挖掘机”核心和第三代次世代图形核心（GCN）架构设计。

APU（Accelerated Processing Units，加速处理器）是AMD收购ATI之后提出的，它把CPU与GPU的功能融合在一起，封装在一个核心里，是CPU与GPU两种异架构芯片真正融合后的产品，也是微机中两个最重要处理器的融合，相互补充，实现异构计算加速以发挥最大性能。AMD A系列面向桌面主流市场，A系列APU是AMD公司近几年来最重要的产品之一。AMD A系列APU微架构由5部分融合而成：CPU、GPU、北桥、内存控制器和输入/输出控制器。自从APU上市之后，AMD把重点放到了GPU图形单元，走出了与Intel迥然不同的路线，在整合市场上占据明显优势。

1.AMD第一代APU系列处理器

AMD公司于2011年6月发布了研发代号为Llano的AMD A系列APU产品。AMD A系列采用32nm制造工艺，CPU单元基于K10.5架构，内置HD 6000D系列独显核心。全新的FM1接口，不兼容AM3/AM3+ CPU。AMD A系列APU的配套主板是A75和A55。AMD A系列根据CPU核心数目和GPU级别，被划分为A8（四核）、A6（四核）和A4（双核）3个系列，其产品标识如图2-41所示。主频为2.1～2.9GHz。AMD A系列命名为“3系列”，具体型号有A8-3800/3700、A6-3600/3500、A4-3300，外观如图2-42所示。

AMD公司于2011年9月发布了推土机（Bulldozer）微架构，代号Zambezi核心的新一代处理器FX系列，AMD FX系列是高端、旗舰级CPU，面向高端桌面市场。Bulldozer微架构是AMD K10之后的最新一代CPU微架构，Bulldozer微架构的重大改进主要有：采用32nmSOI制造工艺，全新的模块化设计。AMD FX系列根据CPU的核心数目划分为FX-8000、FX-6000和FX-4000系列，分别代表八核、六核和四核，其中旗舰级的FX-8000系列将成为桌面级第一款八核心CPU。FX系列采用新的封装接口Socket AM3+（向下兼容），可搭配900系列芯片组主板，支持双通道DDR31866MHz内存。

图2-41 AMD A、FX系列的产品标识

图2-42 A6-3600

2.AMD第二代APU系列处理器

2012年6月，AMD发布了第二代APU（代号Trinity），CPU单元引入模块化打桩机架构，第二代APU采用32nm工艺制造，主频为3.4～4.2GHz，GPU部分为HD7560D。第二代APU家族成员由双核的A4、A6和四核的A8、A10组成，命名为“5系列”，处理器具体型号有A10-5800/5700、A8-5600/5500，A6-5400、A4-5300，外观如图2-43所示。第二代APU采用FM2接口，主板可以搭配对应的A55/A75/A85X芯片组，它们所支持的SATA3、USB 3.0已经逐步成为标准配置。

图2-43 A10-5700

3.AMD第三代APU系列处理器

2013年6月，AMD Richland架构APU上市，AMD将其称为“增强版打桩机核心”，与Trinity同步销售。Richland无论架构还是制程工艺都与Trinity相同，采用FM2接口，基于32nm工艺制作，基础频率突破4.0GHz，命名为“6系列”。新的系列包括双核和四核产品，散热设计功耗（Thermal Design Poloer，TDP）分别为65W和100W。RichlandAPU依旧分为A4、A6、A8和A10四大系列，Richland架构APU有A10-6800K、A10-6700、A8-6600K、A8-6500、A6-6400K等型号（A10、A8为四核，A6为双核），均集成了HD8000D系列独显核心。此外，Richland支持DDR3-2133内存以及无线显示技术，无线显示技术可以将PC中的画面直接传输到手机、平板电脑、电视等终端。AMD A10-6800K处理器的外观如图2-44所示。

图2-44 A10-6800K

4.AMD第四代APU系列处理器

2014年1月，AMD发布了第四代APU产品Kaveri APU，命名为“7系列”。KaveriAPU采用了新一代模块化核心Steamroller“压路机架构”，制造工艺28nm，CPU接口FM2+；拥有4个CPU核心和8个GPU图形单元，共计12个计算核心（Compute Cores）；CPU频率为3.7～4.0GHz，二级缓存4MB，内存支持DDR3-2400。

第四代Kaveri APU，采用全新的HAS架构，加入hUMA、Mantle、AMD TrueAudio三大革新技术，融合新一代压路机核心处理器和GCN架构R7系列独显核心，不仅让APU的图形性能爆发式提升50%之多，还同时带来了Mantle、TureAudio、DirectX 11.2、Windows 8.1和PCI-E 3.0等众多新技术、新规格的支持，TDP为95～45W动态调整。

KaveriAPU改用新的FM2+接口，对应芯片组为新推出的A88X、A78。FM2+主板向下兼容FM2 APU，也就是说，A88X、A78主板同样可以安装现有的Richland、Trinity APU，但反过来FM2主板无法安装FM2+接口处理器。

如图2-45所示是AMD A10-7850K处理器的外观、包装。

图2-45 AMD A10-7850K处理器的外观、包装

5.AMD第五代APU系列处理器

AMD于2014年5月发布了移动版的低功耗APU Beema/Mullins，28nm制造工艺。这个版本被AMD称为第五代APU。第五代没有桌面版产品。

6.AMD第六代APU系列处理器

2015年5月10日，AMD全新第六代桌面版APU产品线正式发布。第六代桌面版APU采用Godavari架构，Godavari是对上一代Kaveri架构的改进，依然延续了28nm的工艺制程。第六代APU基于“挖掘机”核心和第三代次世代图形核心（GCN）架构设计，提供多达12个计算核心（4个CPU+8个GPU）。最多拥有4个挖掘机架构x86核心，集成的Radeon显卡基于GCN 1.1架构，集成双通道DDR3内存控制器，支持异构系统架构。

Godavari APU的新版LOGO标识，包括FX、A10、A8。新标识的整体设计和当前的基本一致，不过周边底色从黑色变成了白色，中间背景从纹理变成了硅芯片内核的样子。最关键的变化在于底部，增加了一个“6TH GENERATION”（第六代）的标注（如图2-46所示），这在APU乃至是AMD处理器历史上还是第一次。印上六代标识的意图很清晰，就是为了有更好的市场推广。

如果只计算AMD A系列APU，Godavari正好也是第六代，之前的五代分别是Llano、Trinity、Richland、Kaveri、Beema/Mullins。今后在产品包装盒、OEM规格表等地方，AMD也会突出这是第六代APU。FX系列也是APU家族的。

第六代在型号命名上变为Ax-8050系列，都是以50作为数字部分的结尾，包括A10-8850K、A10-8750、A8-8650K、A8-8650、A6-8550K、Athlon X4 870K、Athlon X4 850、A10 Pro-8850B、A10 Pro-8750B、A8 Pro-8650B、A6 Pro-8550B、A4 Pro-8350B。如图2-47所示是A10-8550K的外观。

作为第6代APU，Godavari保留了Kaveri上的4个Steamroller x86核心。核显方面，Godavari采用了GCN1.1架构的RadeonGPU、流处理器数量多达512个、内置双通道DDR3内存控制器、支持HSA架构、并且沿用（兼容）FM2+接口。A88X、A78主板同样可以安装第六代APU系列处理器。

图2-46 AMD A10-7850K处理器的外观、包装

图2-47 A10-8550K

2.3 CPU的分类、结构和主要参数

CPU的分类、结构和主要参数的学习对理解CPU的技术指标很有帮助。

2.3.1 CPU的分类

按照分类项目的不同，CPU有以下多种分类方法。

1.按CPU的生产厂家分类

按CPU的生产厂家分，CPU可分为Intel CPU、AMD CPU等。

2.按CPU的位数分类

CPU的位数是指CPU中通用寄存器的数据宽度，即CPU一次可以运算的位数。按CPU的位数可分为4位、8位、16位、32位和64位。

3.按CPU的接口分类

按CPU的接口分，Intel系列分为Socket LGA 1156、LGA 1155、LGA 1150、LGA 1151等，AMD系列分为Socket AM2、Socket AM2+、Socket AM3、FM1、FM2、FM2+等。

4.按CPU的核心数量分类

按CPU的核心（内核）数量分类，可分为单核、双核、三核、四核、六核、八核等，未来将向多核CPU发展。例如，Intel i5-4670、AMD A10-7800是四核，Intel i3-4130、AMD A4-7300是双核。

5.按CPU型号或标称频率分类

每个CPU都有一个型号或标称频率，同一档次系列的CPU按照型号或标称频率又分为不同规格，例如，Intel i7-4770K（3.5GHz）、AMD A10-7850K（3.7GHz）。

6.按CPU的研发（核心）代号分类

同一系列的CPU，按其研发或核心代号的不同，又分为多种版本或代号。不同的代号采用不同的技术，将直接影响到CPU的性能。一般来说，版本越新，性能越好。例如，Intel第一代Core i7/i5采用45nm制造工艺的Nehalem微架构，第二代Core i3/i5/i7采用32nm制造工艺的Sandy Bridge微架构，第三代Core i7/i5/i3采用22nm制造工艺的Ivy Bridge微架构，第四代Core i7/i5/i3采用22nm制造工艺的Haswell微架构，第五代Core i7/i5/i3采用14nm制造工艺的Broadwell微架构，第六代Core i7/i5/i3采用14nm制造工艺的Skylake微架构。

7.按适合安装的主板芯片组分类

CPU型号、档次不同，配套的主板芯片组也不相同，即便是相同的CPU接口，有些也不能通用。

8.按应用场合（适用类型）分类

针对不同用户的需求、不同的场合，CPU被设计成各不相同的类型。CPU按适用类型或应用场合分为桌面（台式）版、移动版和服务器版。

●桌面版。桌面版也就是台式微机使用的CPU，是本书主要介绍的内容。

●移动版。移动版CPU主要用在笔记本电脑中，其特点是发热量小、节电。移动版用CPU都包含有独特的节能技术。

●服务器版。服务器版CPU主要应用于服务器和工作站，此类CPU在稳定性、处理速度、多任务等方面的要求都高于桌面版CPU。

2.3.2 CPU的外部结构

CPU的外观和结构都非常相似，从外部看CPU的结构，主要由两个部分组成：一个是内核，另一个是基板。下面以如图2-48所示的两款四核CPU为例（AMD A10-7850K和Intel Core i7-6700K），介绍CPU的外部结构。

图2-48 CPU的外部结构（上图为AMD A10-7850K，下图为Intel Core i7-6700K）

1.CPU的核心

核心（也称内核）是CPU最重要的组成部分。CPU中间凸起部分就是核心（Die），是CPU硅晶片部分。目前，绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式，也就是说，CPU内核在硅芯片的底部被翻转后封装在陶瓷电路基板上，这样能够使CPU内核直接与散热装置接触。CPU内核的另一面通过覆盖在电路基板上的引脚与外界电路连接。

由于CPU的核心工作强度很大，发热量也大，而且CPU的核心非常脆弱，为了核心的安全，同时为了帮助核心散热，现在的CPU一般在其核心上加装一个金属盖。金属盖不仅可以避免核心受到意外伤害，同时也增加了核心的散热面积。

2.CPU的基板

CPU基板就是承载CPU核心用的电路板，它负责核心芯片与外界的数据传输。在它上面常焊接有电容、电阻，还有决定CPU时钟频率的桥接电路。在基板的背面或者下沿，有引脚或者卡式接口，它是CPU与外部电路连接的通道，同时也起着固定CPU的作用。

早期的CPU基板都是采用陶瓷制成的，而最新的CPU有些已改用有机物制造，它能提供更好的电气和散热性能。

3.CPU的编码

在CPU编码中，都会注明CPU的名称、时钟频率、二级缓存、前端总线、核心电压、封装方式、产地、生产日期等信息，但是AMD公司与Intel公司标记的形式和含义有所不同。如图2-49所示是Intel Core i7-6700K上刻印的标识，如图2-50所示是AMD A10-7800上刻印的标识。

图2-49 Intel Core i7-6700K上刻印的标识

图2-50 AMD A10-7800上刻印的标识

4.CPU的接口

CPU通过接口与主板连接。CPU采用的接口方式有引脚式、触点式、卡式等。目前，CPU的接口主要是引脚式和触点式，对应到主板上就有相应的接口类型，不同类型的CPU有不同的CPU接口。目前主流处理器的接口如下。

（1）Intel的处理器接口

从2004年6月Intel公司发布触点式CPU接口标准以来，发布的CPU均采用触点式。Intel LGA封装的触点式CPU如图2-51所示。根据CPU型号的不同，又分为LGA 775、LGA 1366、LGA 1156、LGA 1155、LGA 1150、LGA 1151等。

（2）AMD的处理器接口

AMD一直采用引脚式CPU接口，AMD Socket封装的引脚式CPU如图2-52所示。根据CPU型号的不同，又分为Socket FM1、Socket FM2、Socket FM2+、Socket AM3等。

图2-51 Intel触点式接口的CPU

图2-52 AMD引脚式接口的CPU

2.3.3 CPU的接口插座

CPU必须安装在接口类型相同的主板上，目前主流的CPU接口插座采用Socket形式，Socket接口是方形零插拔力（Zero Insert Force，ZIF）接口，接口上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU。下面分别介绍目前Intel和AMD主流的CPU接口插座。

1.Intel的LGA CPU接口插座

Intel LGA（Land Grid Array）CPU插座没有引脚插孔，采用的是非常纤细的弯曲的弹性金属丝，通过与CPU底部对应的触点相接触。由于CPU的表面温度很高，所以LGA插座为金属制造，在插座的盖子上还卡着一块保护盖。LGA插座最初是Intel在2004年6月发布Pentium 4的CPU接口标准。

（1）LGA 1156接口

Intel LGA 1156接口是2010年1月Intel公司发布的支持第一代Nehalem/Clarkdale Core i3/i5/i7 CPU的接口标准，LGA 1156接口插座如图2-53所示。

图2-53 LGA 1156接口插座

（2）LGA 1155接口

Intel LGA 1155接口是2011年1月Intel公司发布的支持第二代Sandy Bridge Core i3/i5/i7 CPU的接口标准，其结构、大小与LGA 1156相似。LGA 1155接口插座如图2-54所示。第三代Core i3/i5/i7 CPU也采用LGA 1155接口。

图2-54 LGA 1155接口插座

（3）LGA 1150接口

Intel LGA 1150接口是2013年6月Intel公司发布的支持第四代Haswell Core i3/i5/i7 CPU的接口标准。LGA 1150接口插座如图2-55所示。第五代Broadwell Core i3/i5/i7 CPU也使用LGA 1150接口。

（4）LGA 1151接口

Intel LGA 1151接口是2015年8月Intel公司发布的支持第六代SkylakeCore i3/i5/i7 CPU的接口标准。LGA 1151接口插座如图2-56所示。

图2-55 LGA 1150接口插座

图2-56 LGA 1151接口插座

（5）LGA 2011 V3接口

2011年8月，Intel发布了LGA 2011-0接口的Sandy Bridge-E处理器，芯片组为X79。2014年8月，Intel发布了采用LGA 2011-3接口的Haswell-E处理器，芯片组为X99。2016年5月发布了最新一代采用LAG2011-3接口，14nm制程的Broadwell-E系列处理器。

LGA 2011拥有多达2011个针脚的LGA 2011接口，是Intel高端桌面、工作站和服务器的CPU接口标准。LGA 2011-3接口不向下兼容LGA 2011-0。LGA 2011-3接口插座如图2-57所示。

图2-57 LGA 2011-3接口插座

2.AMD的Socket CPU接口插座

AMD的Socket CPU接口插座有引脚插孔，通过把CPU引脚插入插座的方式相接触。

（1）FM1接口

FM1接口是2011年6月AMD公司发布的第一代APU（Llano）的接口标准。Socket FM1接口插座的外观如图2-58所示。

图2-58 Socket FM1接口插座

（2）FM2接口

FM2接口是2012年10月AMD公司发布的第二代APU（Trinity）的接口标准，同时也支持第三代APU。Socket FM2接口插座的外观如图2-59所示。

图2-59 Socket FM2接口插座

（3）FM2+接口

FM2+接口是2014年1月AMD公司发布的第四代APU（Kaveri）的接口标准。Socket FM2+接口插座的外观如图2-60所示。第六代APU（Godavari）也采用FM2+接口。

图2-60 Socket FM2+接口插座

2.3.4 CPU的主要参数

CPU的技术参数有许多，主要参数如下。

1.代号、核心架构、名称

为了便于对CPU设计、生产、销售的管理，在研发过程中，厂商就会给它们一个研发代号用于称呼。例如，AMD A10-7850K的核心类型为Kaveri（如图2-61所示），Intel Core i7 4770K的核心类型是Haswell（如图2-62所示）。

核心架构简单来说就是CPU核心的设计方案。影响CPU性能的因素可以分为工艺因素和架构因素。半导体工艺水平决定了芯片的集成度和可达到的时钟频率，而CPU的架构则决定了在相同集成度和时钟频率下CPU的执行效率。工艺因素和架构因素是相互制约和影响的。更新CPU架构能有效地提高CPU的执行效率。例如，按照Intel的计划，每两年进行一次架构大变动，“Tick”年实现制作工艺进步，“Tock”年实现架构更新。第四代Core i系列采用了Haswell新架构，有时微架构和产品的研发代号会同名，其研发代号也命名为Haswell。

图2-61 AMD A10-7850K的参数

图2-62 Intel Core i7 4770K的参数

产品上市前，厂商会从给CPU一个正式名称。名称是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个系列型号，而系列型号则是区分CPU性能的重要标识。同一档次系列的CPU按照型号或标称频率又分为不同规格，Intel和AMD公司对CPU型号的命名方式是不同的。

2.主频

CPU的主频也叫CPU核心工作的时钟频率（CPU Clock Speed），单位是MHz、GHz，在单核时代它是决定CPU性能的最重要指标。目前流行CPU的主频有3.0GHz、3.2GHz、3.4GHz、3.8GHz、4.0GHz等。在CPU的包装盒上都会标出这些重要参数，如图2-63所示。

图2-63 CPU包装上盒会标出的主频、缓存等重要参数

CPU的主频并不是其运算的速度，CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号振荡的频率，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频与实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量表示两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU流水线的各方面的性能指标（如缓存、指令集、CPU的位数等）。

3.总线速度（外频）

由于CPU发展速度远远超出主板总线、内存等配件的速度，因此为了能够与主板、内存的频率保持一致，就要降低CPU的频率，即无论CPU内部的主频有多高，数据一出CPU，都将降到与主板系统总线、内存数据总线相同的频率，这就是外频和倍频的概念。

CPU的外频通常为系统总线的工作频率（系统时钟频率），单位是MHz、GHz，是由主板提供的系统总线的基准工作频率，是CPU与主板之间同步运行的时钟频率。实际运行过程中的主板系统总线频率、内存数据总线频率不但由CPU的频率决定，而且还受到主板和内存频率的限制。例如，从图2-61和图2-62中可以看出，总线速度都是100MHz。

4.倍频

CPU的倍频，全称是倍频系数。由于CPU主频不断提高，渐渐地提高到其他设备无法承受的速度，因此出现了分频技术（主板北桥芯片的功能）。分频技术就是通过主板控制芯片将CPU主频降低，使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。倍频是CPU的运行频率与系统外频之间的倍数，也就是降低CPU主频的倍数。理论上倍频从1.5到无限，目前流行CPU的倍频为7.5×～25×，以0.5为一个间隔单位。三者的关系：

CPU的主频（核心运行的频率）=外频×倍频

在相同的外频下，倍频越高，CPU的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU意义不大。因为CPU与系统之间数据传输的速度是有限的，这将会造成CPU从系统中得到数据的速度不能够满足CPU运算的速度。如果在外频一定的情况下，提高倍频也是可以的，但是对于锁频的CPU，不能提高倍频。所谓“超频”，就是通过提高外频或倍频来提高CPU实际运行频率。

5.高速缓存（高速缓冲存储器）（Cache）

Cache是一种速度比主存更快的存储器，其功能是减少CPU因等待低速主存所导致的延迟，以改进系统的性能。Cache在CPU和主存之间起缓冲作用，Cache可以减少CPU等待数据传输的时间。CPU需要访问主存中的数据时，首先访问速度很快的Cache，当Cache中有CPU所需的数据时，CPU直接从Cache中读取。因此，Cache技术直接关系到CPU的整体性能。

Cache一般分为一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）及三级缓存（L3 Cache）。

三级缓存工作原理：L1 Cache储存着CPU当前使用频率最多的数据，而当空间不足时，一些使用频率较低的数据就转移到L2 Cache中；而当将来再次需要时，则从L2 Cache中再次转移到L1 Cache中；新加入的L3 Cache延续了L2 Cache的角色，L2 Cache将溢出的数据暂时寄存在L3 Cache中。

L1 Cache建立在CPU内部，与CPU同步工作，CPU工作时首先调用其中的数据，对性能影响较大。Cache均由静态随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）组成，结构较复杂。在CPU核心面积不能太大的情况下，L1 Cache的容量不可能做得太大，其容量通常为32～256KB。

L2 Cache是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种。内部L2 Cache的运行速度与主频相同，而外部L2 Cache的速度则只有主频的一半。L2 Cache的容量也会影响CPU的性能，其容量通常为512KB～6MB。

为了进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能，新推出的CPU内部集成了L3 Cache。如图2-64所示是第4代Intel Haswell处理器架构中的L3 Cache。

6.x86指令集

x86指令集是Intel公司为其第一块16位CPUi8086专门开发的指令集，其简化版i8088使用的也是x86指令，同时为提高浮点数据处理能力而增加了x87处理器，以后就将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。由于Intel x86系列及其兼容CPU（如AMD Athlon XP）都使用x86指令集，所以就形成了今天庞大的x86系列及其兼容CPU阵容。

图2-64 拥有L3 Cache的四核CPU

7.多媒体扩展指令集

CPU多媒体扩展指令集指的是CPU增加的多媒体或者3D处理指令。这些扩展指令可以提高CPU处理多媒体和3D图形的能力，有多媒体扩展指令（Multi-Mediae Xtension，MMX）、单一指令多数据流扩展（Streaming SIMD Extensions，SSE）、SSE2、3DNow!、SSE3、SSE4等。

8.字长及64位技术

CPU在单位时间内能一次同时处理的二进制数的位数叫字长或位宽。所以，32位字长的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据，Pentium 4和Athlon XP都是32位的。

64位技术是指CPU中通用寄存器的数据宽度为64位，采用64位指令集可以一次传输、运算64位的数据。目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术和Intel公司的IA-64技术。

●AMD64位技术。AMD64的64位技术是在原来32位x86指令集的基础上加入了x86-64扩展64位x86指令集，使之在硬件上兼容原来的32位x86软件，并同时支持x86-64的扩展64位计算，使得这款芯片成为真正的64位x86处理器。

●EM64T技术。Intel的64位扩展技术（Extended Memory 64-bit Technology，EM64T）是Intel IA-32（Intel Architectur-32extension）架构的扩展。Intel为支持EM64T技术的处理器设计了两大模式：传统IA-32模式（Legacy IA-32 Mode）和IA-32e扩展模式（IA-32e Mode）。在传统IA-32模式下，处理器作为一颗标准的32位处理器运行；在IA-32e扩展模式下，EM64T被激活，处理器运行在64位模式下。

目前所有主流CPU均支持x86-64技术，但要发挥其64位优势，必须搭配64位操作系统和64位软件。

9.核心数

虽然提高频率能有效提高CPU性能，但受限于制造工艺等物理因素，提高频率便遇到了瓶颈，于是Intel/AMD只能另辟蹊径来提升CPU性能，双核、多核CPU便应运而生。目前主流CPU有双核、三核、四核和六核。

多核心处理器就是在一块CPU基板上集成多颗处理器的核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来的处理器。在服务器领域，多核心早已经实现。

10.工作电压

工作电压是指CPU核心正常工作所需的电压。CPU的工作电压是根据CPU的制造工艺而定的。一般制造工艺数值越小，核心工作电压越低，电压一般在1.3～3V。提高CPU的工作电压可以提高CPU工作频率，但是过高的工作电压会使CPU发热，甚至烧坏CPU。而降低CPU电压不会对CPU造成物理损坏，但是会影响CPU工作的稳定性。

11.制造工艺

CPU制造工艺是指生产CPU的技术水平，通过改进制造工艺来缩短CPU内部电路与电路之间的距离，使同一面积的晶圆上可实现更多功能或更强性能。制造工艺也称为制程宽度或制程，一般用μm或nm表示。nm的数字表示处理器内部晶体管之间连线宽度，电路连接线宽度值越小，制造工艺就越先进，单位面积内集成的晶体管就可越多，CPU可以达到的频率越高，CPU的体积会更小。在1965年推出10μm处理器后，经历了6μm、3μm、1μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、0.09μm、0.065μm、0.045μm（45nm）、32nm、22nm、14nm，目前CPU的最高制造工艺是14nm。

制造工艺是高性能芯片的参照标准之一，在更高的制造工艺下，相同单位面积下可以容纳更多的晶体管，而晶体管数量的增多直接提升了性能。同时由于单位体积的减小，以及新材料的大量应用，更为先进的工艺制程下制造的芯片产品耗电量以及发热量也会得到很好的控制，这也是为什么新一代工艺制程的产品会比前一代产品在功耗上有更好表现的原因之一。

12.封装技术

封装是指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，用户看到的体积和外观并不是真正的CPU核心的大小和面貌，而是CPU核心等元件经过封装后的产品。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热功能的作用，封装后的芯片也更便于安装和运输。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、PQFP、PGA、BGA到FC-PGA，技术指标一代比一代先进。目前封装技术适用的芯片频率越来越高，散热性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减少，可靠性也越来越高。

13.节能技术

随着CPU的性能越来越强大，也带来了更高的功耗，为减少CPU在闲置时的能量浪费，Intel和AMD公司推出了各自降低CPU功耗的技术：Intel公司的智能降频技术（Enhanced Intel SpeedStep Technology，EIST）和AMD公司的冷又静（C&Q、CNQ或C′n′Q，Cooland Quiet）技术。它们都是在CPU空闲时自动降低CPU的主频，从而降低CPU功耗与发热量，达到节能目的。目前Intel和AMD全系列CPU都支持各自的节能技术。

无论是Intel还是AMD的节能技术，均需要在BIOS设置中找到EIST（Intel CPU）或C′n′Q（AMDCPU）的选项开启才有效。

14.热设计功耗（TDP）

TDP是指CPU负荷最大时释放出的热量，单位是W，主要是给散热器厂商的参考标准。高性能CPU同时也带来了高发热量，例如，Phenom ║ X4 965，其TDP达到了140W，而主流级的Athlon ║ X2 250只有65W，对散热器的要求显然不同。值得注意的是，CPU的TDP并不是CPU的实际功耗，CPU的实际功耗小于TDP。

15.超线程技术

因为操作系统是通过线程来执行任务的，增加CPU核心数目就是为了增加线程数，一般情况下它们是1∶1对应关系，也就是说四核CPU一般拥有4个线程。但Intel引入超线程（Hyper-Threading，HT）技术后，使核心数与线程数形成1∶2的关系，如四核Core i7支持八线程（或叫作八个逻辑核心），大幅提升了多任务、多线程性能。

超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有HT功能的“实体”处理器变成两个“逻辑”处理器，而逻辑处理器对于操作系统来说跟实体处理器并没什么两样，因此操作系统会把工作线程分派给这“两颗”处理器去并行计算，减少了CPU的闲置时间，提高CPU的运行效率。

虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不像两个真正的CPU那样，每个CPU都有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂时停止，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续，因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。

超线程技术只需要增加很少的晶体管数量，就可以在多任务的情况下提供显著的性能提升，比再添加一个物理核心划算得多。所以，在新一代主流CPU上多采用HT技术。

同步多线程（Simultaneous Multi-Threading，SMT）出自于HT技术，借助QPI等技术，已发展为更具前景的“第三代超线程技术”。

16.IntelTurboBoost技术

睿频加速技术（TurboBoost）是Core ix系列中的最重要技术之一，它能根据CPU的负载情况智能调整频率。因为目前真正支持多核、多线程的软件和游戏相对来说仍是少数，普通多核CPU运行单/双线程的任务时，会造成性能浪费，而睿频加速能改变这个现象，它会关闭闲置核心、提高负载核心的频率，保证CPU有最佳的性能表现。而第二代睿频加速技术有两个很大的改进，即CPU和GPU都可以睿频，而且可以一起睿频；第二代睿频不再受TDP限制，而是受内部最高温度控制，可以超过TDP提供更大的睿频幅度，不睿频时却更节能。

17.AMDTurboCore技术

AMD在Phenom ║ X6系列中引入的类似Intel Turbo Boost技术称为Turbo Core，AMD在A系列APU中引入了第二代Turbo Core。AMD在第二代Turbo Core中引入了APM模块，它会监测APU的功耗、温度及当前任务的负载情况，判断下一步CPU和GPU的加速动作，降低用不上的CPU核心或GPU的频率，把能源留给正在执行任务的核心，智能地提高其频率，只要功耗不超过TDP（热设计功耗），加速便一直有效。例如，上网时，一般情况只用到一到两个核心，此时GPU与其他CPU核心会降频，正在使用的那两个核心的频率会大幅度提升。例如，在运行3D游戏时，只用到两个核心，但GPU要满载，用不上的两个CPU核心就会降频，正在使用的核心频率会提升，但幅度相对较小，此时APU的功耗和温度会比上网时高。

18.虚拟化技术

CPU的虚拟化技术（Virtualization Technology，VT）就是单CPU模拟多CPU，并允许一个平台同时运行多个操作系统，应用程序都可以在相互独立的操作系统内运行而互不影响，从而提高工作效率。在Windows 7中安装Windows XP模式就是一个很好的例子，当需要使用Windows XP时直接调用，不需要重启切换系统，这点对于程序员来说是非常有用的。

虚拟化可以通过软件实现，如果CPU硬件支持，执行效率会大大提升，其中Windows 7的Windows XP模式则是必须要CPU的虚拟化技术支持。目前Intel/AMD绝大部分CPU都支持虚拟化技术，但对于普通用户而言，虚拟化技术没有实质作用。如果要用到虚拟化技术，需要先在BIOS开启该技术。

2.3.5 CPU的选购

目前，CPU的主频已不是整机性能的决定因素，内存大小、硬盘速度、显示卡速度等对整个微机的性能都起作用，因此盲目追求CPU的高频率并不可取。另外，CPU是所有微机配件中降价速度最快的部件，所以选择CPU时以够用为原则。在购买CPU时应该注意：首先要明确购机的目的，是用来进行三维图形处理还是玩游戏，是仅用来文字处理、上网还是另有其他特殊的用途；其次，要对自己的经济实力有所了解；最后，对自己的计算机水平要有清醒的认识，即是初学者还是熟练用户。

在微机系统中，CPU应该是最先选购的配件，因为只有确定CPU后，才能选购主板、内存等其他配件。各品牌CPU在软件上完全兼容，AMD平台和Intel平台没有任何区别。至于是选AMD还是选Intel，完全是个人的偏好。

CPU的购买群体一般可以分为下面4种。

1）公司、学校、家庭等办公用户。一般公司、学校、家庭的微机主要用来处理数据、上网，大多数用户都属于这一类型。建议选购价格在700～1000元左右的主流CPU。

2）大中学生或初学者。因CPU更新和降价都较快，大、中学生及初学者对微机性能的要求会随着学习的进展而增加，所以建议先选购低端的CPU，以后再选购更加先进的产品，同样的支出，比“一步到位”能购买到更好的产品。建议选购价格在500元左右的低端CPU。

3）多媒体和三维图形处理用户。多媒体运算需要强大的CPU、内存与硬盘作后盾，因此建议选用价格在1000元以上的高端CPU。

4）游戏用户。3D游戏对各个部件的性能要求都很高，特别是CPU的浮点性能与显示卡的像素填充率。许多游戏软件针对3DNow!进行了特别优化。推荐使用价格在1000元以上的高频率的CPU。

2.4 CPU散热器

随着CPU频率的不断提高，其耗电量也在不断攀升，随之而来的便是其发热量的上升，CPU的散热问题变得越来越重要，散热器已成为与CPU配套的重要配件。

2.4.1 CPU散热器的分类

CPU散热器根据散热原理可分为风冷式、热管散热式、水冷式、半导体制冷和液态氮制冷等几种。当前最常用的散热器采用风冷式或风冷式+热管，风冷散热器如图2-65所示，热管散热器如图2-66所示。

图2-65 风冷散热器

图2-66 热管散热器

2.4.2 CPU散热器的结构和基本工作原理

1.风冷散热器的外部结构和基本工作原理

风冷散热器主要由散热片、风扇、电源插头和扣具构成，如图2-67所示。其中，风扇电源插头大多是两芯的，一红一黑，红色是+12V，黑色为地线。有些是三芯，是在原来两线基础上加入了一条蓝线（或白线），主要用于侦测风扇的转速。

风冷散热器的工作原理很简单，它是利用散热底座吸收CPU工作时产生的热量，并传导至散热片上，依靠散热器上部高速转动的风扇加快空气对流，带走散热片的热量。因其结构简单，制造成本低，技术成熟，所以较多地被CPU散热器所采用，是现在最常用的散热器。

图2-67 风冷散热器的结构

2.热管散热器的外部结构和基本工作原理

热管散热器分为有风扇主动式和无风扇被动式散热器两种，其结构如图2-68所示。

图2-68 热管散热器的结构

热管散热器的工作原理就是利用液体的蒸发与冷凝来传递热量，是一种高效的传热元件。金属管（一般为铜）两段密封起来，充入工作液，抽成真空，就成为一只热管。当一段受热时，工作液吸热而汽化，蒸汽在压差作用下流向另一端，并且释放出热量，重新凝结成液体。液体靠重力重新流回受热端，完成一次循环。如此循环就把热量从热源传到冷源。微机散热器中应用的热管属常温热管，工艺成熟，热管内的液体为水。需要注意的是，热管并不是一个散热设备，它只是起传递热量的作用，因此热管数量和散热效果没有直接关系。一款好的热管散热器产品，应该是采用适当数量的热管，配合设计优秀的底座和散热片，这样才能将热管导热快的优势完全发挥出来。热管散热器具备散热效果好、整体成本较低的优点，因此也逐渐被中、高端的CPU采用。

2.4.3 CPU散热器的主要参数

常见的风冷散热器一般由风扇和散热块两部分组成，风扇的参数有转速、风量、噪声等，散热块包含了所用材质、工艺等，这两个重要部分的设计、结合，将直接影响到散热器的散热效能。风冷式散热器的主要参数如下。

1.风扇

风扇对整个散热效果起决定性的作用，其质量的好坏往往决定了散热器的效果、噪声和使用寿命。散热风扇由轴承（电动机）和叶片两大部分组成，常见风扇的外观如图2-69所示。

图2-69 风扇

风扇的主要参数如下。

●风扇轴承类型：风扇的轴承是散热器的关键部件，风扇的轴承和叶片的设计，直接影响到散热器的噪声大小。常见的风扇轴承类型主要有油封轴承（UFO Bearing）、单滚珠轴承（1 Ball+1Sleeve）、双滚珠轴承（2 Ball Bearing）、液压轴承（Hydraulic）、磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）、纳米陶瓷轴承（NANO Ceramic Bearing）、来福轴承（Rifle Bearing）、汽化轴承（VAPO Bearing）、流体保护系统轴承（Hypro Wave Bearing）等。常见风扇轴承类型的标签如图2-70所示。

图2-70 常见风扇轴承类型的标签

a）油封轴承 b）单滚珠轴承 c）双滚珠轴承 d）磁悬浮轴承

●风扇口径：即风扇的通风面积，风扇的口径越大，排风量也就越大。

●风扇转速：同样尺寸的风扇，转速越高，风量也越大，冷却效果就越好。

●风扇排风量：即体积流量，是指单位时间内流过的气体的体积，排风量越大越好。

●风扇的噪声：风扇转速越高，风量越大，产生的噪声也越大。散热技术发展到现在，塞铜技术、热导管的引入等都能大大提高散热器的散热效率，而不再依靠提高风扇转速来提升散热速度。近年来，市场越来越注重静音效果，所以主流散热器风扇转速都控制在2000～3000r/min。

2.散热块

散热块由底座和鳍片（或称鳃片）两个部分组成。通过散热块的底座把CPU核心处的热量传导到面积巨大的鳍片上，最终将热量散发到空气中。散热块越大，散热性能越好。

散热块的材料主要为铜和铝。铝及铝合金的散热性能好，铜的导热性能好，把这两种材质有机地结合起来，使整体散热效能获得提升。另外，为了防止铜材氧化，还使用了新的镀镍技术。常见的散热块如图2-71所示。

散热片的制造工艺主要有铝挤压工艺、塞铜技术、折叶技术、回流焊接技术和热管工艺，如图2-72所示。散热片的体积越大，散热效果越好。

图2-71 散热块

图2-72 采用不同制造工艺生产的铝质散热片

有些散热块底部会粘贴一块导热硅胶，第一次使用时，导热硅胶被CPU高温熔化后填满CPU和散热片之间的微小间隙，然后在散热片的作用下温度很快降下来，于是CPU就和散热片通过导热硅胶紧密地连接起来了。

3.热管数量和直径

热管的作用是吸收CPU的热量并传递到散热片，因此热管的数量和直径大小就直接影响散热性能。一般散热器的热管为2～3根，直径6mm；高端为5～6根，直径8mm。

4.扣具

散热器的扣具是固定散热片和CPU插槽的，是散热器的重要配件之一。扣具设计的优劣将直接影响到安装的难易以及散热的效果。由于CPU的封装不同，散热器扣具设计是随CPU类型而定的。散热器底部和CPU表面所形成的压力越大，扣具越紧密，散热片与CPU表面的接触面积就越大，散热效果也越好。

常见的散热器的扣具有3种设计，如图2-73所示。第1种是Intel LGA平台的原装散热器扣具，安装拆卸都很简便，但是压力不够；第2种是经过改进的“背板+螺钉固定”扣具，散热效果比第一种好；第3种是AMD散热器的扣架，这种设计形成的压力比较适中，安装拆卸都很方便，所以AMD处理器都普遍采用这种设计。

图2-73 常见的散热器扣具

2.4.4 CPU散热器的选购

选购散热器的注意事项如下。

如果购买的是盒装CPU，其包装中一般都会附带一个原装散热器，只要不超频使用CPU，完全不需要另外购买散热器。

目前，桌面级处理器的主流平台主要有Intel LGA 775/1366/1156/1155和AMD Socket AM2/AM2+/AM3，这两种平台要使用各自的散热器。市场上也有全系列散热器，适合所有平台。在购买散热器时必须特别注意，以免购入不合适的产品而无法使用。

购买时要明确主要用途。例如，用于超频的，就必须将散热器的性能放在第一位，噪声以及功耗作为次要的选择。如果是一位音乐爱好者或者需要长时间工作，噪声、功耗才是首先需要考虑的。所以，用户要同时兼顾散热性能和静音效果。

2.5 实训——CPU的安装、拆卸与检测

2.5.1 CPU的安装、拆卸

CPU有Intel LGA 775/1156/1366和AMD Socket AM2/AM2+/AM3两种平台，安装方法也有所区别，本节将介绍Intel CPU平台的安装，AMDCPU平台的安装将在第11章介绍。

虽然Intel目前有LGA 775/1156/1366架构CPU，但它们的安装和拆卸方法都相同。下面以安装LGA 775架构的CPU为例，介绍安装方法。

1）首先扳开固定杆，将上盖打开，如图2-74所示。

图2-74 扳开固定杆并打开上盖

2）取下Socket T插槽上的黑色塑料保护盖，如图2-75所示。

3）把CPU平放在Socket T插槽内，如图2-76所示。由于有防呆缺口，所以方向不正确是放不进去的。

图2-75 取下黑色塑料保护盖

图2-76 放入CPU

4）把上盖盖上，并且扣上固定杆，如图2-77所示，CPU的安装就完成了。

5）安装散热器。Socket T的固定方式是以4根塑料卡榫直接扣在主板上，因此LGA 775 CPU插座周围并没有散热器的固定座，只有4个孔预留在PCB上面，如图2-78所示。

图2-77 固定CPU

图2-78 散热器的固定孔

6）将风扇盖在CPU上方，并将散热器扣环压入主板孔位，向下压紧扣环，以锁定散热器，如图2-79所示。

图2-79 固定散热器

7）最后将风扇电源线安装在主板上，CPU、风扇安装完成。

若需取下散热器和CPU，先要用螺钉旋具把扣环依逆时针方向转动以移除风扇，然后再按与安装相反的顺序取下CPU。

2.5.2 查看CPU信息

虽然从处理器的外观以及CPU编号上可以分辨出CPU的大致情况，但是如果希望知道某块CPU更详细的参数，尤其为了避免受到一些不法商家蒙骗，则需要检测CPU。检测方法有两种：一种是在安装了需检测CPU的微机中运行检测程序；另一种是根据CPU上的编号，在互联网上查询。

CPU-Z是一个通过CPU的ID号来检测CPU详细信息的免费工具软件，可以支持目前市场上所有的CPU产品。该软件可以提供全面的CPU相关信息报告，包括处理器的名称、厂商、时钟频率、核心电压、超频检测、CPU所支持的多媒体指令集，并且还可以显示出关于CPU的L1、L2缓存的资料（大小、速度、技术），支持双处理器。该软件不仅可以检测CPU的信息，还可以检测包括主板、内存等信息。

CPU-Z可以在Windows 9x/Me/2000/XP下直接运行，不需要安装。执行CPU-Z后，显示一个对话框，其中列出了当前CPU的主要参数，分为3部分。

第1部分为处理器（Processor）的类型，包括处理器名称（Name）、内核代号（Code Name）、封装（Package）、制造工艺（Technology）、规格（Specification）、系列（Family）、型号（Model）、步进（Stepping）、指令集（Instructions）。

第2部分为处理器的频率（Clocks）参数，包括内核时钟（Core Speed，即CPU的主频）、倍频（Multiplier）、Bus Speed（总线速度，即外频）、FSB/QPI/HT/DMI总线频率。

第3部分为处理器的缓存（Cache）情况，包括一级数据缓存（L1 Data）、一级指令缓存（L1 Code）、二级缓存（Level 2）、三级缓存（Level 3）。在缓存（Caches）选项卡可显示更详细的缓存信息。

2.6 思考与练习

1.上网搜索有关CPU发展简史的文章（搜索关键词：CPU发展简史）。

2.上网查找Intel睿频智能加速技术（Turbo Boost Technology）的原理和工作方式。

3.请到计算机配件市场咨询当前主流CPU的型号、价格等信息。

4.上网搜索有关CPU选购原则的内容。假设分别要配置高档游戏型、家庭娱乐型和普及型3台微机，请分别为其选择合适的CPU型号和价格（搜索关键词：CPU选购原则、配置清单）。

5.掌握CPU的型号及安装方法，了解CPU与主板的匹配情况。

6.用CPU-Z、WCPUID、CPUInfo、HWiNFO32等测试程序，测试所使用CPU的信息。

7.热管散热器的工作原理是什么？请用图示表示（搜索关键词：热管工作状况示意图）。