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何謂CPU?
2010年10月29日 Admin
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電腦毫無疑問地成為現代人生活中不可或缺的一環,不論在工作上、學習上或者是娛樂上,電腦都扮演著相當重要的角色。在一台電腦中,最重要的就是CPU,它決定了電腦的性能以及電腦的運作效率。在本文中將初步的介紹CPU,關於它的基本架構以及性能的衡量,還有CPU的歷史流程和各家廠商之間的競爭關係。另外我們在購賣CPU時應該要有什麼概念。最後,針對CPU未來的發展趨勢作一番預測。

一、CPU的介紹
CPU就是所謂的中央處理器或中央處理單元,也就是CentralProcessingUnit的縮寫。CPU是驅動整個電腦運作的中心樞紐,又稱電腦的心臟,其內部包括控制單元、算術及邏輯單元、暫存器或記憶單元。當電腦系統開始運作時,CPU從記憶體內,讀取操作它的軟體的指令與資料,透過ALU運算出結果後存回記憶體,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會因其硬體架構如資料/指令格式、分配、解碼、介面與運作方式的不同有差異,而且用途也可能不一。

二、CPU的基本架構
算術及邏輯運算單元(ALU):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(memory):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):接受輸入的資料或程式,以供進一步處理。
如:鍵盤、滑鼠等。
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。

三、衡量CPU的性能
1.內部運算架構(Architexture):例如說這顆CPU的內部設計,是scalar,還是超純量(superscalar)的設計;有無內建快取記憶體,指令、資料與記憶體的讀寫設計等,都會影響整個CPU的運作效能。
2.位元處理能力:例如8位元、16位元的CPU。通常這跟CPU內部暫存器、資料匯流排或指令寬度有關。就Intel的定義,8086/286的通用暫存器(General Purpose Registers)GPR是16位元,所以它們算是16位元的CPU;386/486以至於Pentium、PentiumPro,也是32位元的CPU,因為CPU核心的GPR只有32位元。
3.記憶體容量:我們說這顆CPU的記憶體控制範圍有多少MB,像386/486等32位元的CPU,其最大記憶體容量有2的32次方等於4096MB=4GB。
4.工作時脈(clock):每個CPU工作時脈越高,執行指令的單位時間(cycle)越小,速度就越快。例如說Intel486DX-33,是以33MHz(=33,000,000Hz/每秒鐘)為工作時脈,它其與同類型的486DX-25(24MHZ工作時脈)相比較,前者速度就比後者快上約33%。
5.IC製程:目前有BiCMOS與CMOS兩類。一般是以若依線路精密度來分,是以微米(micron,=10的負6次方M,也就是百萬分之一公尺)。目前最新的CPU製程為0.13um。

四、CPU的歷史概況
在西元1970年代,CPU是一塊由數十或數百個IC所組成的電路基板,體積相當大,後來因積體電路的發展,讓CPU所有的處理元件得以濃縮在一片小小的晶片當中,也有人稱CPU為微處理機(MicroProcessor)。
從1970年Intel的第一顆CPU(編號4004,108KHz工作時脈)開始,CPU可以說經歷了數代的演進,其中在1978年時,AMD(超微)也加入了CPU的市場。
    就Intel的歷史而言,於1978年,位於美國的Intel公司第一次生產出擁有16位元的微處理器,並且將這顆微處理器命名為i8086。這款產品使用的指令集人們稱之為x86指令集。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」。於1981年,個人電腦(Personal Computer)開始興起,INTEL公司亦開始研究一些新製程的中央處理器(cpu),不斷的去進行改進及測試,使中央處理器(cpu)的速度愈來愈快,愈來愈進步。以下便是intel公司曾經推出過市場的CPU,可以看見INTELCPU的發展演進:

第一代:可以說是最舊的CPU型號---8086,8088、AT/XT
第二代:INTEL公司經過改良的CPU型號---80286
第三代:80386
第四代:80486(*第一代至第四代都是以數字(80?86)來命名的,但到了第五代,亦改以Pentium命名*)
第五代:Pentium、PentiumMMX(Pentium的意思是586。)
第六代:PentiumPro、PentiumⅡ、Celeron(Socket370)
第七代:IntelMerced
第八代:Pentium3(Socket370)
第九代:Pentium4(Socket423/478)

而AMD 的歷史發展 ( 1997年開始 )
推出CPU 的年份     CPU 的型號 
1997                  K6-2
1999                  K6-III
1999                  Athlon(K7)
2000                 Athlon (Cu)
Duron
2000                 Athlon Thunderbird
2001                 Athlon 4  , Athlon MP

五、CPU的技術
CPU時脈
CPU時脈或稱CPU頻率二字,我們常常會聽到一些人討論CPU的內頻、外頻、倍頻與超頻,這些名詞與CPU時脈有何關係?所謂「內頻」就是CPU晶片的內部時脈,也就是指CPU本身的執行速度,例如﹕PentiumIII800,內頻就是800MHz﹔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。而「外頻」則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,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。至於「倍頻」就是內頻與外頻間比例倍數,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。

CPU的工作電壓
許多電腦考慮昇級時,其中的一項困難就是解決CPU工作電壓的不同,就以Pentium級CPU為例,早期生產PentiumCPU工作電壓是5V,容忍範圍為上下5%,也就是4.75V~5.25V。從PentiumCPU-75演進到PentiumCPU-90,由於製程改變,工作電壓從5V而改採3.3V,如果想從CPU-75昇級至CPU-90,電壓問題便形成瓶頸。為了讓CPU有較大的彈性具備自動調適電壓的功能,PentiumPro的設計時在CPU晶片上有四條輸出腳位,即VID0、VID1、VID2、VID3,經由不同設定可輸出16種不同電壓準位。後期製造的PentiumCPU則採用兩種電壓設計,將CPU電壓設計成核心電壓(Vcore)及實際工作電壓(Vi/o),一般實際工作電壓比核心電壓高些。

英特爾里程最新超執行緒(Hyper-Threading)技術
超執行緒技術讓軟體將一顆處理器“視為”兩顆處理器
英特爾公司2005年推出內含創新的超執行緒(Hyper-Threading,HT)技術的新款Intel®Pentium®4處理器3.06GHz。HT技術不僅讓新等級的高效能桌上型電腦能同時且迅速地執行多種應用程式,同時也能使採用多重執行緒模式的程式達到更高的效能。HT技術能提升電腦效能達25%。

什麼是超執行緒技術?
HT技術能在兩方面為電腦使用者提升效能:運用多執行緒軟體,或是在多工作業環境中執行軟體。採用多執行緒技術所撰寫的應用程式會將含HT技術的3.06GHzPentium4處理器視為兩顆處理器。HT技術讓處理器能同時處理兩條執行緒,而不是僅能處理一條執行緒。此外,在多工環境中運作的應用程式亦可受益,在Windows*XP*或Linux*等作業系統下執行時,它能同時運作二套或更多的軟體。在上述兩方面都能達到更高的效能,並縮短電腦使用者的等待時間。

Pentium4的各種版本
Pentium4推出新版本、也就是所謂的533FSB的NorthwoodP4、他在核心架構上與先前的400FSB版NorthwoodP4全然相同、僅加大其記憶體與匯流排的頻寬長度、雖然表面上看來似乎沒有什麼了不起、但是對於極為仰賴較高記憶體頻寬的Pentium4架構而言、無疑是一次整體效能的大提升,而且配合上目前DDR記憶體的規格不斷的翻新,由最原始的DDR200一路攀升至今已經有國內知名DRAM廠勝創科技搶先推出了DDR400的記體模組、兩者搭配之下確實有著不小的吸引力,這點我們留待後續實際測試的時候再來討論,先來看看目前幾個Pentium4版本的主要差異吧!

處理器名稱 Pentium4423 Pentium4478 Pentium4478A Pentium4478B
核心 Willamette423 Willamette478 NorthwoodA NorthwoodB
封裝腳位 PGA423 mPGA478 mPGA478 mPGA478
匯流排頻寬 400Mhz 400Mhz 400Mhz 533Mhz
L2快取大小 256K 256K 512K 512K
時脈 1.3G~2.0G 1.6G~2.0G 1.5G~2.6G 2.26G~????
製程 .18μ .18μ .13μ .13μ

由上列的簡略表格可以看出、同樣是稱為Pentium4處理器、確有著許多微妙差異存在,由最早推出的Willamette核心版P4到即將公佈的533外頻Northwood核心的P4、其製程已經全面轉換到.13微米、匯流排的頻寬也大幅提昇到了533Mhz(QDR)、而記憶體部分可以依照主機板晶片組的不同、來搭配DDR266/333/400或是雙通道的PC-600/700/800/1066RDRAM、對於Pentium4這類的對於記憶體頻寬極度倚重的系統而言、可以非常有效的提升整體效能,這點可以由目前一些知名媒體(雜誌/網站)對於533FSB版Pentium4所做的測試看出來。

六、CPU製造商
生產CPU的大型廠商分別有英特爾(intel)及其死敵AMD,兩間都是十分出名的CPU廠商。而其他的廠商則比較不出名,他們分別是Cyrix(新瑞仕)、IDT(艾迪特) (上述兩家已被威盛併購) 及RISE(瑞思)。


資料來源:奇摩知識   摘自:清華大學電機系06級華班 911828   謝長澤      2003.6.15





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