cpu-第7章

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III系列，以及现在的CeleronD系列等等；AMD方面也有早期的Duron由于可以依靠连接金桥而修改为Athlon和AthlonXP而风靡一时，中期的Barton核心AthlonXP2500＋和现在的64位Sempron2500＋都以超频性能著称。这些低端产品其修改后和超频后的性能也并不比同时期主流的高端型号差，性价比非常高。
　　　多媒体指令集
　　　　　CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，如Intel的MMX（MultiMediaExtended）、SSE、SSE2（Streaming…Singleinstructionmultipledata…Extensions2）和AMD的3DNow！等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为〃CPU的指令集〃。
　　　1、精简指令集的运用
　　　　　在最初发明计算机的数十年里，随着计算机功能日趋增大，性能日趋变强，内部元器件也越来越多，指令集日趋复杂，过于冗杂的指令严重的影响了计算机的工作效率。后来经过研究发现，在计算机中，80％程序只用到了20％的指令集，基于这一发现，RISC精简指令集被提了出来，这是计算机系统架构的一次深刻革命。RISC体系结构的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高VLSI器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。
　　　　　RISC指令集有许多特征，其中最重要的有：
　　　指令种类少，指令格式规范：RISC指令集通常只使用一种或少数几种格式。指令长度单一（一般4个字节），并且在字边界上对齐，字段位置、特别是操作码的位置是固定的。
　　　寻址方式简化：几乎所有指令都使用寄存器寻址方式，寻址方式总数一般不超过5个。其他更为复杂的寻址方式，如间接寻址等则由软件利用简单的寻址方式来合成。
　　　大量利用寄存器间操作：RISC指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器操作，只以简单的Load和Store操作访问内存。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过1个，访问内存的操作不会与算术操作混在一起。
　　　简化处理器结构：使用RISC指令集，可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，而不必像CISC处理器那样使用微程序来实现指令操作。因此RISC处理器不必像CISC处理器那样设置微程序控制存储器，就能够快速地直接执行指令。
　　　便于使用VLSI技术：随着LSI和VLSI技术的发展，整个处理器（甚至多个处理器）都可以放在一个芯片上。RISC体系结构可以给设计单芯片处理器带来很多好处，有利于提高性能，简化VLSI芯片的设计和实现。基于VLSI技术，制造RISC处理器要比CISC处理器工作量小得多，成本也低得多。
　　　加强了处理器并行能力：RISC指令集能够非常有效地适合于采用流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能。目前常用的处理器内部并行操作技术基本上是基于RISC体系结构发展和走向成熟的。
　　　　　正由于RISC体系所具有的优势，它在高端系统得到了广泛的应用，而CISC体系则在桌面系统中占据统治地位。而在如今，在桌面领域，RISC也不断渗透，预计未来，RISC将要一统江湖。
　　　2、CPU的扩展指令集
　　　　　对于CPU来说，在基本功能方面，它们的差别并不太大，基本的指令集也都差不多，但是许多厂家为了提升某一方面性能，又开发了扩展指令集，扩展指令集定义了新的数据和指令，能够大大提高某方面数据处理能力，但必需要有软件支持。
　　　MMX指令集
　　　　　MMX（MultiMediaeXtension，多媒体扩展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集中包括有57条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的益处在于，当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改便可以轻松地执行MMX程序。但是，问题也比较明显，那就是MMX指令集与x87浮点运算指令不能够同时执行，必须做密集式的交错切换才可以正常执行，这种情况就势必造成整个系统运行质量的下降。
　　　SSE指令集
　　　　　SSE（StreamingSIMDExtensions，单指令多数据流扩展）指令集是Intel在PentiumIII处理器中率先推出的。其实，早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的KNI（KatmaiNewInstruction）指令集，这个指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多传媒称之为MMX指令集的下一个版本，即MMX2指令集。究其背景，原来〃KNI〃指令集是Intel公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称，而所谓的〃MMX2〃则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对〃KNI〃的评价，Intel公司从未正式发布过关于MMX2的消息。
　　　　　而最终推出的SSE指令集也就是所谓胜出的〃互联网SSE〃指令集。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。SSE指令与3DNow！指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow！技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。SSE兼容MMX指令，它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。
　　　SSE2指令集
　　　SSE2（StreamingSIMDExtensions2，Intel官方称为SIMD流技术扩展2或数据流单指令多数据扩展指令集2）指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。相比于SSE，SSE2使用了144个新增指令，扩展了MMX技术和SSE技术，这些指令提高了广大应用程序的运行性能。随MMX技术引进的SIMD整数指令从64位扩展到了128位，使SIMD整数类型操作的有效执行率成倍提高。双倍精度浮点SIMD指令允许以SIMD格式同时执行两个浮点操作，提供双倍精度操作支持有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。除SSE2指令之外，最初的SSE指令也得到增强，通过支持多种数据类型（例如，双字和四字）的算术运算，支持灵活并且动态范围更广的计算功能。SSE2指令可让软件开发员极其灵活的实施算法，并在运行诸如MPEG…2、MP3、3D图形等之类的软件时增强性能。Intel是从Willamette核心的Pentium4开始支持SSE2指令集的，而AMD则是从K8架构的SledgeHammer核心的Opteron开始才支持SSE2指令集的。
　　　SSE3指令集
　　　SSE3（StreamingSIMDExtensions3，Intel官方称为SIMD流技术扩展3或数据流单指令多数据扩展指令集3）指令集是Intel公司在SSE2指令集的基础上发展起来的。相比于SSE2，SSE3在SSE2的基础上又增加了13个额外的SIMD指令。SSE3中13个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域，例如媒体和游戏。这些新增指令强化了处理器在浮点转换至整数、复杂算法、视频编码、SIMD浮点寄存器操作以及线程同步等五个方面的表现，最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。Intel是从Prescott核心的Pentium4开始支持SSE3指令集的，而AMD则是从2005年下半年Troy核心的Opteron开始才支持SSE3的。但是需要注意的是，AMD所支持的SSE3与Intel的SSE3并不完全相同，主要是删除了针对Intel超线程技术优化的部分指令。
　　　3DNow！（3Dnowaiting）指令集
　　　　　3DNow！是AMD公司开发的SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，并被AMD广泛应用于其K6…2、K6…3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow！指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。
　　　　　与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同，3DNow！指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。后来在Athlon上开发了Enhanced3DNow！。这些AMD标准的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。因为受到Intel在商业上以及PentiumIII成功的影响，软件在支持SSE上比起3DNow！更为普遍。Enhanced3DNow！AMD公司继续增加至52个指令，包含了一些SSE码，因而在针对SSE做最佳化的软件中能获得更好的效能。
　　　什么是CPU外频
　　　什么是CPU外频？
　　　外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是MHz（兆赫兹）。在早期的电脑中，内存与主板之间的同步运行的速度等于外频，在这种方式下，可以理解为CPU外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。对于目前的计算机系统来说，两者完全可以不相同，但是外频的意义仍然存在，计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘以一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。
　　　说到处理器外频，就要提到与之密切相关的两个概念：倍频与主频，主频就是CPU的时钟频率；倍频即主频与外频之比的倍数。主频、外频、倍频，其关系式：主频＝外频×倍频。
　　　在486之前，CPU的主频还处于一个较低的阶段，CPU的主频一般都等于外频。而在486出现以后，由于CPU工作频率不断提高，而PC机的一些其他设备（如插卡、硬盘等）却受到工艺的限制，不能承受更高的频率，因此限制了CPU频率的进一步提高。因此出现了倍频技术，该技术能够使CPU内部工作频率变为外部频率的倍数，从而通过提升倍频而达到提升主频的目的。倍频技术就是使外部设备可以工作在一个较低外频上，而CPU主频是外频的倍数。
　　　在Pentium时代，CPU的外频一般是60/66MHz，从PentiumⅡ350开始，CPU外频提高到100MHz，目前CPU外频已经达到了200MHz。由于正常情况下外频和内存总线频率相同，所以当CPU外频提高后，与内存之间的交换速度也相应得到了提高，对提高电脑整体运行速度影响较大。
　　　外频与前端总线（FSB）频率很容易被混为一谈。前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次，它更多的影响了PCI及其他总线的频率。之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里（主要是在Pentium4出现之前和刚出现Pentium4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（QuadDateRate）技术，或者其他类似的技术实现这个目的。这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X，它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。
　　　一个CPU默认的外频只有一个，主板必须能支持这个外频。因此在选购主板和CPU时必须注意这点，如果两者不匹配，系统就无法工作。此外，现在CPU的倍频很多已经被锁定，所以超频时经常需要超外频。外频改变后系统很多其他频率也会改变，除了CPU主频外，前端总线频率、PCI等各种接口频率，包括硬盘接口的频率都会改变，都可能造成系统无法正常运行。当然有些主板可以提供锁定各种接口频率的功能，对成功超频有很大帮助。超频有风险，甚至会损坏计算机硬件。
　　　Intel双核CPU
　　　PentiumD和PentiumEE目前具有以下产品：
　　　PentiumD8X0系列：
　　　目前有820（2。8GHz）、830（3。0GHz）和840（3。2GHz）三款产品，都基于Smithfield核心，实际上就是将两个Pentium4处理器所采用的Prescott核心封装在一起。这三款产品都采用800MHzFSB、90nm制造工艺、每核心1MB二级缓存、全部采用Socket775接口、都支持硬件防病毒技术EDB和64位技术EM64T，除了PentiumD820之外都支持节能省电技术EIST。
　　　PentiumD8X5系列：
　　　目前只有805（2。66GHz）一款产品，同样基于90nm制造工艺的Smithfield核心，只不过前端总线降低到533MHzFSB，采用Socket775接口、每核心1MB二级缓存、支持硬件防病毒技术EDB和64位技术EM64T，但不支持节能省电技术EIST。
　　　PentiumEE8XX系列：
　　　目前只有840（3。2GHz）一款产品，同样基于90nm制造工艺的Smithfield核心，采用800MHzFSB、每核心1MB二级缓存、Socket775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T和节能省电技术EIST。
　　　PentiumD9X0系列：
　　　目前有920（2。8GHz）、930（3。0GHz）、940（3。2GHz）和950（3。4GHz）四款产品，都基于65nm制造工艺的Presler核心，实际上就是将两个Pentium4处理器所采用的CedarMill核心封装在一起。采用800MHzFSB、每核心2MB二级缓存、Socket775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T、节能省电技术EIST以及虚拟化技术IntelVT。
　　　PentiumEE9XX系列：
　　　目前有955（3。46GHz）和965（3。73GHz）两款产品，同样基于65nm制造工艺的Presler核心，前端总线频率提升到1066MHzFSB，每核心2MB二级缓存、Socket775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T以及虚拟化技术IntelVT，但不支持节能省电技术EIST。
　　　PentiumD9X5系列：
　　　按照Intel的产品路线图，即将推出PentiumD915（2。8GHz）和925（3。0GHz），同样基于65nm制造工艺的Presler核心，与PentiumD9X0系列相比，除了都不支持虚拟化技术IntelVT以及PentiumD915不支持节能省电技术EIST之外，其它的技术特性和参数都完全相同。
　　　值得注意的是，Intel的PentiumD和PentiumEE与AMD的双核心处理器Athlon64X2和Athlon64FX系列相比，都是独立式二级缓存，除了协调单元前者在CPU外部（依赖于主板），而后者在CPU内部（不依赖于主板）之外，本质上并无重大区别，相对来说都比较简单只需要为两个核心添加一个协调单元即可。所谓的“真假双核”纯属无稽之谈，严格点看的话，这二者都不是真正意义上的完全的双核心处理器，只不过都是双核心处理器中最简单的类型罢了。
　　　需要注意的是，无论是PentiumD还是PentiumEE，由于都必须依赖主板北桥芯片来负责两个核心之间的协调工作，因此必须要特定的主板芯片组才能支持，目前有Intel的945P、945G、945PL、945GZ、955X、975X以及其它芯片组厂商的双核心芯片组，例如ATIRadeonXpress200（RC410）、ATIRadeonXpress（RXC410）、nVIDIAnForce4SLIIE、nForce4SLIXE、nForce4SLIX16IE、nForce4