EDA简明教程课题4
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发布时间：2022-04-22 03:06
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时间：2024-03-12 18:32
CPU是*处理单元(Central Processing Unit)的缩写，它可以被简称做微处理器(Microprocessor)，不过经常被人们直接称为处理器(Processor)。不要因为这些简称而忽视它的作用，CPU是计算机的核心，其重要性好比心脏对于人一样。
实际上，处理器的作用和大脑更相似，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，而主板芯片组则更像是心脏，它控制着数据的交换。CPU的种类决定了你使用的操作系统和相应的软件，CPU的速度决定了你的计算机有多强大，当然越快、越新的CPU会花掉你更多的钱。
如今，Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机——PC的大半江山，所以《CPU演义》系列文章将着重介绍这些CPU以及有关它们的制造过程、运行方式、性能、种类等知识。无论是Intel或AMD的CPU，还是你可能听说过的其他一些 CPU(比如iMac或SGI工作站所使用的CPU)，它们都有很多的相似之处。
CPU的核心
从外表看来，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不过，你看到的不过是CPU的外衣——CPU的封装。而内部，CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片(其英文名称为die，核心)，如图1。在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。
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需要说明的是，线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系统更稳定，CPU得以运行在更高的频率下，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。
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随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用，未来的处理器将采用导电特性更好的铜连线，AMD在刚刚推出的K7系列的新成员——Thunderbird(雷鸟)的高频率版本中已经开始采用铜连线技术。
CPU的封装
在通过了几次严格的测试以后，已经置备出各种电路结构的硅片就可以送封装厂进行切割，划分成单个处理器的die并置入到封装中。封装可不仅仅是件漂亮的外衣。由于有封装的保护，处理器核心与空气隔离可以避免污染物的侵害。除此以外，良好的封装设计还有助于芯片散热。同时，它是连接处理器和主板的桥梁。
封装技术也在不断发展，目前最常见的是PGA(Pin－Grid Array，针栅阵列)封装(图2是奔腾CPU有针脚一面)，通常这种封装是正方形的，在*区周围均匀的分布着三～四排甚至更多排引脚，引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔。随着CPU总线宽度增加、功能增强，CPU的引脚数目也不断增多，同时对散热、电气特性也有更高的要求，演化出了SPGA(Staggered Pin－Grid Array，交错针栅阵列)，PPGA(Plastic Pin－Grid Array，塑料针栅阵列)。
奔腾Ⅲ Coppermine采用了一种独特的FC－PGA(Flip Chip Pin－Grid Array，反转芯片针栅阵列)封装，见图3。它把以往“倒挂”在封装基片下的核心翻转180度，稳坐于封装基片之上，这样可以缩短连线，并有利散热。不过这并非Intel的什么创世之举，当年AMD在K6处理器中就采用了类似的技术(是从IBM买的专利)，只不过由于被一块金属上盖“掩护”起来而不为人知,新Socket A系列CPU也采用的是类似技术。
CPU的接口
对应于不同架构的CPU，与主板连接的接口类型常各不相同。
586时代最常见的是Socket 7插座，如图4。它是方形多针角零插拔力插座，插座上有一根拉杆，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芯片了。Socket 7插座适用于Intel Pentium、Pentium MMX、AMD K5、K6、K6－2、K6－Ⅲ、Cyrix 6X86、X86 MX、MⅡ等处理器。
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Slot 1插槽(如图6)是Intel的专利技术，它是一个狭长的242引脚的插槽，可以支持采用SEC(Single－Edge connector,单边连接器)封装技术的Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ和Celeron处理器。Intel首创的SEC封装实际上是一个固定在子卡上的PGA封装
Intel第一块CPU 4004,4位主理器,主频108kHz,运算速度0.06MIPs(Million Instructions Per Second, 每秒百万条指令),集成晶体管2,300个,10微米制造工艺,最大寻址内存0 bytes,生产曰期1971年11月.
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8008,8位主理器,主频200kHz,运算速度0.06MIPs,集成晶体管3,500个,10微米制造工艺,最大寻址内存16KB,生产曰期1972年4月.
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8080,8位主理器,主频2M,运算速度0.MIPs,集成晶体管6,000个,6微米制造工艺,最大寻址内存KB,生产曰期1974年4月.
8085,8位主理器,主频5M,运算速度0.37MIPs,集成晶体管6,500个,3微米制造工艺,最大寻址内存KB,生产曰期1976年.
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8086,16位主理器,主频4.77/8/10MHZ,运算速度0.75MIPs,集成晶体管29,000个,3微米制造工艺,最大寻址内存1MB,生产曰期1978年6月.
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8088,8位主理器,主频4.77/8MHZ,集成晶体管29,000个,3微米制造工艺,最大寻址内存1MB,生产曰期1979年6月.
80286,16位主理器,主频6/8/10/12~25MHZ,运算速度最高2.66MIPs,集成晶体管134,000个,3微米制造工艺,最大寻址内存16MB,生产曰期1982年.
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80386DX,32位主理器,主频16/20/25/33MHZ,运算速度最高达10MIPs,集成晶体管275,000个,1.5微米制造工艺,最大寻址内存4GB,生产曰期1985年10月.
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80386SX,16位主理器,主频MHZ,运算速度6MIPs,集成晶体管134,000个,3微米制造工艺,最大寻址内存16MB,生产曰期1988年.
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80486DX,DX2,DX4,32位主理器,主频25/33/50/66/75/100MHZ,总线频率33/50/66MHZ,运算速度20~60MIPs,集成晶体管1.2M个,1微米制造工艺,168针PGA,最大寻址内存4GB,缓存8/16/32/KB,生产曰期19年4月.
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Pentium,位主理器,主频60/66/75/100/120MHZ(P54),133/150/166/200MHZ(P54C),总线频率60/66MHZ,运算速度90~240MIPs,集成晶体管3.1~3.5M个,1微米制造工艺,273或296针,最大寻址内存4GB,缓存16/256/512KB,生产曰期1993年3月.
Pentium MMX(MMX: Multi-Media Extensions,增加57条多媒体指令),位主理器,主频150/150/166/200/233MHZ(P55C),总线频率66MHZ,运算速度达到435MIPs,集成晶体管4.1~4.5M个,1微米制造工艺,SOCKET7接口,最大寻址内存4GB,缓存16/256/512KB,生产曰期1993年3月.
Pentium Pro,位主理器,主频133/150/166/180/200MHZ,总线频率66MHZ,运算速度达到300~440MIPs,集成晶体管5.5M个,1微米制造工艺,387针Socket8接口,最大寻址内存GB,缓存16/256kB~1MB,生产曰期1995年11月.
Pentium II,位主理器,主频200/233/266/300/333/350/400/450MHZ,总线频率66/100MHZ,运算速度达到560~770MIPs,集成晶体管7.5M个,1微米制造工艺,全新SLOT1接口,最大寻址内存GB,L1缓存16kB,L2缓存512KB,生产曰期1997年3月.(233~333MHz, 2.8V Klamath核心, 66MHz FSB; 350~450MHz, 2.0V Deschutes核心, 100MHz FSB)
Pentium II Xeon(至强),位主理器,主频400/450MHZ,总线频率100MHZ,全新SLOT2接口,最大寻址内存GB,L1缓存16kB,L2缓存512KB~2MB,生产曰期1998年.
Celeron一代, 主频266/300MHZ(266/300MHz w/o L2 cache, Covington芯心 (Klamath based),300A/333/366/400/433/466/500/533MHz w/128kB L2 cache, Mendocino核心 (Deschutes-based), 总线频率66MHz,0.25微米制造工艺,生产曰期1998年4月)
Pentium III,位处理器,主频450/500MHZ(Katmai核心: 2.0V, 100MHz总线频率, 512kB L2 cache,slot1接口),533MHZ~1.13GHZ(Coppermine核心: 1.6V, 100/133MHz总线频率, 256kB L2 cache,Socket 370),0.25~0.18微米制造工艺,生产曰期1999~2000年.
Pentium III Xeon,分为早期的Tanner核心(0.25微米制造工艺,256KB缓存),后来的Cascades核心(总线频率133MHZ,L2缓存2MB,0.18微米制造工艺),生产曰期1999年.
Pentium III (Tulatin核心),主频1.13G~1.4G,总线频率133MHZ, L2缓存512K,Socket370接口, 0.13微米制造工艺,分为服务器版(S)和笔记本移动版(M),生产曰期2001年.
Celeron二代,主频533MHZ~1GHZ(Coppermine核心: 1.6V, 总线频率66/100MHZ, L2缓存128K,Socket 370),0.18微米制造工艺,生产曰期2000年.
Celeron三代(Tulatin,图拉丁核心),主频1GHZ~1.3GHZ,总线频率100MHZ,0.13微米制造工艺，Socket370接口,256k的二级缓存，绝对不怕压坏的核心，低功耗，发热量小等优势一改赛扬II的种种缺陷，超频性能绝佳, 2002年生产.
Pentium 4 (Willamette核心,423针),主频1.3G~1.7G,FSB400MHZ,0.18微米制造工艺,Socket423接口, 二级缓存256K,生产曰期2000年11月.
Pentium 4 (478针),至今分为三种核心:Willamette核心(主频1.5G起,FSB400MHZ,0.18微米制造工艺),Northwood核心(主频1.6G~3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工艺, 二级缓存512K),Prescott核心(主频2.8G起,FSB800MHZ,0.09微米制造工艺,1M二级缓存,13条全新指令集SSE3),生产曰期2001年7月.
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Pentium MMX(MMX: Multi-Media Extensions,增加57条多媒体指令),位主理器,主频150/150/166/200/233MHZ(P55C),总线频率66MHZ,运算速度达到435MIPs,集成晶体管4.1~4.5M个,1微米制造工艺,SOCKET7接口,最大寻址内存4GB,缓存16/256/512KB,生产曰期1993年3月.
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Pentium Pro,位主理器,主频133/150/166/180/200MHZ,总线频率66MHZ,运算速度达到300~440MIPs,集成晶体管5.5M个,1微米制造工艺,387针Socket8接口,最大寻址内存GB,缓存16/256kB~1MB,生产曰期1995年11月.
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Pentium II,位主理器,主频200/233/266/300/333/350/400/450MHZ,总线频率66/100MHZ,运算速度达到560~770MIPs,集成晶体管7.5M个,1微米制造工艺,全新SLOT1接口,最大寻址内存GB,L1缓存16kB,L2缓存512KB,生产曰期1997年3月.(233~333MHz, 2.8V Klamath核心, 66MHz FSB; 350~450MHz, 2.0V Deschutes核心, 100MHz FSB)
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Pentium II Xeon(至强),位主理器,主频400/450MHZ,总线频率100MHZ,全新SLOT2接口,最大寻址内存GB,L1缓存16kB,L2缓存512KB~2MB,生产曰期1998年.
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Celeron一代, 主频266/300MHZ(266/300MHz w/o L2 cache, Covington芯心 (Klamath based),300A/333/366/400/433/466/500/533MHz w/128kB L2 cache, Mendocino核心 (Deschutes-based), 总线频率66MHz,0.25微米制造工艺,生产曰期1998年4月)
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Pentium III,位处理器,主频450/500MHZ(Katmai核心: 2.0V, 100MHz总线频率, 512kB L2 cache,slot1接口),533MHZ~1.13GHZ(Coppermine核心: 1.6V, 100/133MHz总线频率, 256kB L2 cache,Socket 370),0.25~0.18微米制造工艺,生产曰期1999~2000年.
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Pentium III Xeon,分为早期的Tanner核心(0.25微米制造工艺,256KB缓存),后来的Cascades核心(总线频率133MHZ,L2缓存2MB,0.18微米制造工艺),生产曰期1999年.
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Pentium III (Tulatin核心),主频1.13G~1.4G,总线频率133MHZ, L2缓存512K,Socket370接口, 0.13微米制造工艺,分为服务器版(S)和笔记本移动版(M),生产曰期2001年.
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Celeron二代,主频533MHZ~1GHZ(Coppermine核心: 1.6V, 总线频率66/100MHZ, L2缓存128K,Socket 370),0.18微米制造工艺,生产曰期2000年.
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Celeron三代(Tulatin,图拉丁核心),主频1GHZ~1.3GHZ,总线频率100MHZ,0.13微米制造工艺，Socket370接口,256k的二级缓存，绝对不怕压坏的核心，低功耗，发热量小等优势一改赛扬II的种种缺陷，超频性能绝佳, 2002年生产.
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Pentium 4 (Willamette核心,423针),主频1.3G~1.7G,FSB400MHZ,0.18微米制造工艺,Socket423接口, 二级缓存256K,生产曰期2000年11月.
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Pentium 4 (478针),至今分为三种核心:Willamette核心(主频1.5G起,FSB400MHZ,0.18微米制造工艺),Northwood核心(主频1.6G~3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工艺, 二级缓存512K),Prescott核心(主频2.8G起,FSB800MHZ,0.09微米制造工艺,1M二级缓存,13条全新指令集SSE3),生产曰期2001年7月.
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Intel服务器CPU产品简史
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在计算机的CPU领域，Intel是勿庸置疑的领导者，虽然AMD和VIA等厂商也不断有新品杀出，与Intel形成激烈的竞争，但是，在服务器领域，Intel绝对占有不可动摇的优势，可以说，Intel能够有今天的地位，下面这些划时代的产品有着不可磨灭的功劳：
服务器CPU的雏形：Pentium Pro
在Pentium处理器取得了巨大的成功之后，1995年秋天，英特尔发布了Pentium Pro处理器。Pentium PRO是英特尔首个专门为32位服务器、工作站设计的处理器，可以应用在高速辅助设计、机械引擎、科学计算和医疗等领域，主频有150/166/180和200MHz四种。英特尔在Pentium PRO的设计与制造上又达到了新的高度，总共集成了550万个晶体管，并且整合了高速二级缓存芯片，性能比Pentium更胜一筹：
1)将L2cache与CPU封装在一起——“PPGA封装技术”（L2cache在486和Pentium中都是设置在主板上），两个芯片之间用高频宽的总线互连，连接线路也被安置在封装中。这使得内置的L2cache能更容易地运行在更高的频率上（如Pentium Pro 200MHz CPU的L2 Cache的运行频率与CPU相同），从而大大提高程序的执行速度。
2）外部地址总线扩展至36位，处理器的直接寻址能力GB，为将来发展留下余地。
3）采用动态执行技术，这是Pentium处理器技术的又一次飞跃。该技术通过预测程序流程并分析程序的数据流，可选择最佳的指令执行顺序。意即指令不必按程序为它规定的顺序执行，只要条件具备就可以执行，从而使程序达到更高的运行效率。
Pentium Pro的先进设计思想，为以后的微处理器的研制打下了良好的基础。
至强的诞生：Pentium II Xeon
1998年英特尔发布了Pentium II Xeon(至强)处理器。Xeon是英特尔引入的新品牌，当时Intel公司为了区分服务器市场和普通个人电脑市场，决定研制全新的服务器CPU，命名也跟普通CPU做了一些明显的区分，称为Pentium II Xeon，取代之前所使用的Pentium Pro品牌。这个产品线面向中高端企业级服务器、工作站市场；是英特尔公司进一步区格市场的重要步骤。Xeon主要设计来运行商业软件、因特网服务、公司数据储存、数据归类、数据库、电子，机械的自动化设计等。
Pentium II Xeon处理器不但有更快的速度，更大的缓存，更重要的是可以支持多达4路或者8路的SMP对称多CPU处理功能，它采用和Pentium II Slot1接口不同的Slot 2接口，必须配合专门的服务器主板才能使用。
巨大的成功：Pentium III Xeon
1999年，英特尔发布了Pentium III Xeon处理器。相信大家都还记得，采用“铜矿”核心的奔腾3处理器那几年是如何的风光，至今都还被誉为一代经典产品，而作为Pentium II Xeon的后继者，除了在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了Pentium III处理器新增的70条指令集，以更好执行多媒体、流媒体应用软件。除了面对企业级的市场以外，Pentium III Xeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。Intel还将Xeon分为两个部分，低端Xeon和高端Xeon。其中，低端Xeon和普通的Coppermine一样，仅装备256KB二级缓存，并且不支持多处理器。这样低端Xeon和普通的Pentium III的性能差距很小，价格也相差不多；而高端Xeon还是具有以前的特征，支持更大的缓存和多处理器。
前赴后继：Pentium 4 Xeon
2001年英特尔发布了Xeon处理器。英特尔将Xeon的前面去掉了Pentium的名号，并不是说就与x86脱离了关系，而是更加明晰品牌概念。Xeon处理器的市场定位也更加瞄准高性能、均衡负载、多路对称处理等特性，而这些是台式电脑的Pentium品牌所不具备的。Xeon处理器实际上还是基于Pentium 4的内核，而且同样是位的数据带宽，但由于其利用了与AGP 4X相同的原理－－“四倍速”技术，因此其前端总线有了巨大的提升，表现更是远胜过Pentium III Xeon处理器。Xeon处理器基于英特尔的NetBurst架构，有更高级的网络功能，及更复杂更卓越的3D图形性能，另一方面，支持至强的芯片组也在并行运算、支持高性能I/O子系统(如SCSI磁盘阵列、千兆网络接口)、支持PCI总线分段等方面更好地支持服务器端的运算。
位开拓者：Itanium(安腾)处理器
2001年，一款基于IA-平台的服务器产品——HP与Intel携手研发的安腾（Itanium）处理器隆重发布了。Itanium处理器是英特尔第一款位元的产品，具有位寻址能力和位宽的寄存器，所以我们称它为位CPU。由于具有位寻址能力，它能够使用1百万TB的地址空间，足以运算企业级或超大规模的数据库任务；位宽的寄存器可以使CPU浮点运算达到非常高的精度。其实IA--处理器还具有显性并行性 、分支预测、投机装载等特性，这些技术都是为顶级、企业级服务器及工作站而设计的，指令级并行性可促进最优化的软件指令结构，从而使处理器能够在相同时间内执行更多的指令。 推测:推测技术允许提前载入数据，甚至在代码分支发生以前进行。通过尽早从内存载入数据，推测技术可以避免内存等待时间。预测技术避免了许多代码分支，以及因相关的数据分支预测错误而导致的性能下降。IA-还允许处理器上有更多的空间用于执行指令－－更多的执行单元、更多的寄存器和更多的高速缓存。随着处理器技术的发展为这些执行资源提供更多的空间，IA-的性能将相应地得到增长。
在Itanium处理器中体现了一种全新的设计思想，完全是基于平行并发计算而设计(EPIC)。对于最苛求性能的企业或者需要高性能运算功能支持的应用(包括电子交易安全处理、超大型数据库、电脑辅助机械引擎、尖端科*算等)而言，Itanium处理器很好的满足了用户的要求。
续写辉煌：Itanium 2(安腾2)处理器
2002年英特尔发布了Itanium 2处理器。代号为McKinley的Itanium 2处理器是英特尔第二代位系列的产品。安腾2处理器高速缓存系统最重要的创新就是将大容量的3级高速缓存集成到处理器硅核上，而不是作为系统主板的一个芯片。这不仅加快了数据检索速度，同时可将3级高速缓存和处理器内核间的整体通信带宽提高近3倍。加之其它在高速缓存效率方面的众多改进，使得处理器内核即使在高度复杂的内存密集型交易中也能高速运行。因此，Itanium 2可以适用于运算要求更苛刻的场合，并提供给高阶服务器与工作站各种平台与应用支持。
Itanium 2处理器是以Itanium架构为基础所建立与扩充的产品。提供了二位元的相容性，可与专为第一代Itanium处理器优化编译的应用程序兼容，并大幅提升了50%～100%的效能。Itanium 2具有6.4GB/sec的系统总线带宽、高达3MB的L3缓存，据英特尔称Itanium 2的性能，足足比Sun
PentiumII/III
DS2PPentiumIIXeon
Tanner0.25μm版PentiumIIIXeon。KatmaiSlot2接口
Cascades0.18μm版PentiumIIIXeon
Pentium4
Foster0.18μm版Xeon(Willamette)
FosterMPHyper-Threading对应大容量服务器版Xeon
Gallatin0.13μm版Xeon
Prestonia服务器和工作站用0.13μm版Xeon
Nocona2003年登场的新型CPU
IA-
参考资料：s
