中央处理单元.ppt

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1、著作權所有 旗標出版股份有限公司第第 2 章章中央處理單元1本章提要本章提要n2-1 CPU 的功用n2-2 CPU 的工作原理n2-3 CPU 的分類22-1 CPU 的功用的功用n什麼是 CPUnCPU 在電腦中扮演的角色3什麼是什麼是 CPUnCPU 的全名是 Central Processing Unit(中央處理單元),也就是一般人俗稱的處理器處理器(Processor)；它在整部電腦的重要性,就宛如大腦之於人的地位一般！nCPU 負責系統中資料的運算(例如：加、減、乘、除)與邏輯判斷(例如大於、等於、小於)等核心工作,是電腦中最重要、最複雜的一個元件,電腦若沒有了 CPU,將無法正

2、常運作！4什麼是什麼是 CPUnCPU 除了計算的工作外,還必須指揮、協調其它元件之間執行、搭配的步調,我們也才得以順利操作、使用電腦上的所有軟硬體。n所以 CPU 的能力往往是用來評斷電腦執行效能的主要指標！5什麼是什麼是 CPU6CPU 在電腦中扮演的角色在電腦中扮演的角色n在第一章我們曾經提過電腦的五大單元,其中 CPU 就包含了控制單元控制單元及算術算術/邏輯單邏輯單元元兩大單元,其地位可見一斑！我們再來複習一下電腦的五大單元：7CPU 在電腦中扮演的角色在電腦中扮演的角色8CPU 在電腦中扮演的角色在電腦中扮演的角色n電腦的運作必定包含輸入輸入運算運算輸出輸出這 3 個過程。n舉例來

3、說,我們將自己的名字用鍵盤輸入到電腦,電腦螢幕便將名字顯示出來,這些輸入與輸出的過程對我們而言很容易理解,但是運算呢？我們的操作(如按滑鼠左鈕 2 下這個動作)要怎麼運算呢？9CPU 在電腦中扮演的角色在電腦中扮演的角色n其實對 CPU 而言,我們對電腦的操作會轉成一連串的指令,而探究指令的本質,其實就是數字資料(0 和 1)的組合,實際上在電腦中的所有的資料、指令都是數字。而將數字拿來做數學運算本來就是再正常不過的了!n接下來我們會一探 CPU 的內部結構,並理解電腦的運作是怎麼從輸入、經過運算、到最後產生輸出。102-2 CPU 的工作原理的工作原理n在了解 CPU 的工作原理之前,我們先

4、從 CPU 的結構開始認識起。112-2-1 CPU 的構造的構造nCPU 的構造包含了控制單元控制單元(CU,Control Unit)、算術算術/邏輯單元邏輯單元(ALU Arithmetic/Logic Unit)、暫存器暫存器(Register)等,並透過匯流排匯流排(Bus)來溝通：12CPU 的構造的構造#快取記憶體(Cache Memory)雖然也會設置在 CPU 內部,不過就傳統 CPU 的結構(Architecture)來說,快取記憶體並不屬於 CPU 的一部份。13控制單元控制單元n控制單元控制單元(Control Unit)負責控制資料流和指令流。n當我們輸入指令(如鍵盤

5、或滑鼠的操作)時,控制單元會讀取並解譯指令,以便將需要運算的資料送到算術算術/邏輯單元邏輯單元進行運算,並將運算完成的資料流或指令流,送到輸出或輸入單元。n其實說穿了,控制單元的主要任務就是在控制控制輸出與輸入而已。14算術算術/邏輯單元邏輯單元n算術算術/邏輯單元邏輯單元(Arithmetic/Logic Unit),從字面上來理解就是負責算術運算及邏輯運算。簡單地說,算術運算就是加、減、乘、除等運算,而邏輯運算則是 AND、OR、NOT 等運算,這些都是數學上再熟悉不過的運算方法了。15暫存器暫存器n暫存器暫存器(Register)是 CPU 內部用來暫時存放資料的地方,是相當重要的一個元

6、件。n暫存器其實就是記憶體,也是位於記憶體階層的最上層,主要是為了配合 CPU 的高速運算而設置。16暫存器暫存器n雖然暫存器的存取速度相當快,但因成本太高,所以通常只能配置幾個位元組(Bytes)的容量。每個暫存器的大小(寬度)也決定了 CPU 所能處理的字組(Word)大小。#字組(Word)是一個單位,表示 CPU 在一個指令週期(詳細後述)所處理的資料量。若 CPU 一次能處理 32 位元大小的字組,則這個 CPU 就稱為 32 位元 CPU。17暫存器暫存器nCPU 裏的暫存器有很多個,依功能的不同會分別配置在控制單元及算術/邏輯單元中。n通常,對程式設計者而言,一個 CPU 可以看

7、成是一群暫存器的組合,只要學習 CPU 的指令,並且熟習暫存器的用法,便可以順利的控制 CPU 動作了。18暫存器暫存器19暫存器暫存器n不同架構的 CPU其暫存器種類、數量都不同,以下介紹 x86 系列 CPU 中幾種較常見的暫存器：一般用途暫存器一般用途暫存器(General Purpose Register)：一般用途暫存器是用來存放運算的資料、指令或位址。一般用途暫存器依其功能而有不同的名稱,以下是幾種常見的一般用途暫存器：20暫存器暫存器n資料暫存器(Data Register)：資料暫存器即用來存放資料的地方。n累加器(Accumulator)：累加器通常會被單獨拿出來介紹,因為累

8、加器是算術/邏輯運算單元中相當重要的部份,是用來存放運算過程及運算結果的資料。n指令暫存器(Instruction Register)：通常設置在控制單元內,用來存放目前被執行的指令。n程式計數器(Program Counter)：用來記錄 CPU 下一個要執行指令所存放的位址。21暫存器暫存器位址暫存器位址暫存器(Address Register)：用來記錄資料存放在記憶體的位址,也稱為指位器指位器(Pointer)。常見位址暫存器有以下幾種：n堆疊暫存器(Stack Register)：堆疊暫存器是用來記錄堆疊最頂端位址的暫存器。堆疊(Stack)是一種重要的資料結構(Data Struc

9、ture)。所謂的資料結構指的是資料組織與管理的方法。以堆疊而言,就是規定資料元素必須依著後進先出(LIFO,Last In First Out)之次序來存取。例如下圖我們將甲、乙、丙、丁這 4 個資料依次堆入(Push)堆疊：22暫存器暫存器23暫存器暫存器n當我們想由堆疊取出(Pop)資料時,其次序會是丁、丙、乙、甲。也就是說,像 甲 這個最早被 Push 的資料是最後才會被 Pop 的。這是因為堆疊是一種單一出入口的資料結構體,自然就會造成後進先後進先出出 這樣的特性了。以此例來說,堆疊暫存器記錄的就是丁的位址。24暫存器暫存器n基底暫存器基底暫存器(Base Register)：基底暫

10、存器是基底定址法在做暫存器定址時所使用的暫存器。基底定址法就是以基底暫存器所指位址為起點,再加上一固定距離來得到資料所在的位址。舉例來說,如果要從堆疊區取資料,那麼必須先指定基底的位置,再依指定的距離找到要存取的位置：25暫存器暫存器26暫存器暫存器n如上圖所示,假設我們要取丁,那麼可以指定乙的位址為基底,加上 2 Bytes 的距離就可以找到丁的位址；或是以丙的位址為基底,加上 1 Bytes 的距離也可以找到丁的位址。#所謂定址法(Addressing Mode)就是 CPU 尋找資料所在位置的方法。簡言之,就是 CPU 存取(Access)資料的途徑,因此 CPU 除了可以對暫存器定址,

11、也可以對主記憶體定址。27暫存器暫存器n索引暫存器索引暫存器(Index Register)：索引暫存器是索引定址法在做暫存器定址時使用的暫存器。索引定址法的原理與基底定址法是一樣的,但這時是以固定之位址(如堆疊的開頭)為基底,再加上索引暫存器儲存的值以得到資料所在位址。同樣以從堆疊區取資料為例：28暫存器暫存器29暫存器暫存器n如上圖所示,假設我們要取丁,此時會固定以甲為基底,再加上 3(索引暫存器所記錄的值)的距離來找到丁的位址。索引定址法和基底定址法最大的不同,就是說我們無須、也無法指定基底的位址。30暫存器暫存器旗標暫存器旗標暫存器(Flag Register)：旗標暫存器是一種比較特

12、殊的暫存器,是用來記錄 CPU 在處理運算時的狀態,或運算之後的狀態。31CPU 如何執行指令如何執行指令n認識了控制單元控制單元、算術算術/邏輯單元邏輯單元及暫存器暫存器之後,我們就可以開始來瞭解指令是如何在 CPU 當中運作的。n當我們操作電腦而產生指令時,指令會放在記憶體中,接著 CPU 會讀取指令,再由控制單位進行解譯指令的工作。指令解譯完成後,會由控制單位或算術/邏輯單元執行指令。而在上述過程中,CPU 會使用暫存器來存放處理前及處理後的資料。32CPU 如何執行指令如何執行指令n上述 CPU 執行指令的一連串過程,就稱之為機器週期機器週期(Machine Cycle),亦可稱為指為

13、指令週期令週期(Instruction Cycle)。n過程中,控制單元從讀取指令到解譯完成的時間叫做指令時間指令時間(Instruction Time),而算術/邏輯單元從運算到運算完成並存入暫存器的時間,叫做執行時間執行時間(Execution Time),如下圖所示：33CPU 如何執行指令如何執行指令34CPU 如何執行指令如何執行指令#圖 2-8 為指令執行流程的示意圖,實際上指令並不一定在算術/邏輯單元中執行,也可能是由控制單元來執行的。35CPU 如何執行指令如何執行指令n通常我們用指令週期衡量 CPU 運算的速度。一個指令週期所需的時間,大約幾百萬分之一秒,也就是說一秒鐘可以執

14、行幾百萬個的指令。n而用來計量 CPU 運算速度的單位稱為 MIPS(Millions of Instruction Per Second,每秒百萬個指令),意即 CPU 一秒鐘可以執行幾百萬個的指令。MIPS 值越高,代表CPU 的運算速度越快。36匯流排匯流排n電腦上各元件傳送資料的管道就是匯流排匯流排(Bus)。從字面上解讀,取其匯流 之意,就大致可以明白這個傳送資料的管道,是由許多不同的管道整合在一起的。n這樣做的好處在於管道(也就是主機板上的電子線路)容易安排,也能確保所有元件都能互相傳送資料。37匯流排匯流排n舉例來說,就像高速公路也是採用匯流 的概念一樣,不同的地點都以交流道和高

15、速公路銜接,而不是地點和地點之間各自連接。n如此,就算新增加了一個地點,只要此地點有交流道連上高速公路,還是可以確保我們一定能到達該處。38匯流排匯流排n電腦中匯流排主要分為三大類：內部匯流排內部匯流排(Internal Bus)：CPU 內部用來傳送資料的通道。控制單元、算術/邏輯單元及暫存器在讀取、存放資料時,都是經過內部匯流排。系統匯流排系統匯流排(System Bus,或 Processor System Bus)：CPU 與主機板上晶片組傳送資料的通道,在 2-2-2 節會詳細介紹。39匯流排匯流排擴充匯流排擴充匯流排(Expansion Bus)：晶片組和主機板上除了 CPU 之外

16、的各元件傳送資料的通道。40匯流排示意圖匯流排示意圖41何謂晶片組何謂晶片組n早期主機板必須佈滿許多電阻、電容、IC 晶片、與複雜的電子線路,才能供應主機板所需的各項功能,不但製造成本高,維修時更是困難重重。n不過,拜半導體科技突飛猛進之賜,現在只要以 2、3 顆晶片便能取代原先眾多的元件與線路,在功能上更是有過之而無不及。這幾顆晶片必須整組運用在同一塊板子上,因此便稱為晶片組晶片組。42何謂晶片組何謂晶片組n通常晶片組是由北橋北橋(North Bridge)與南南橋橋(South Bridge)晶片所組成的。n所以用最簡單的一句話來解釋,晶片組就負責整個主機板上所有裝置、元件間溝通與控制的樞

17、紐。而北橋與南橋晶片所負責的元件如表：43CPU 的規格與技術名詞的規格與技術名詞n在了解 CPU 的架構和一些重要的元件之後,接著要介紹一些 CPU 常見的規格和技術名詞,認識這些規格和技術名詞,對於實務上學習 CPU 是相當有幫助的。44CPU 的工作時脈的工作時脈n一般描述 CPU 的效能時,都是以 CPU 運作的時脈頻率,也稱為工作時脈來描述,早期其單位為 MHz(每秒百萬次)；如 Celeron 950、Duron 800 就是指其時脈頻率分別為 950 MHz 與 800 MHz。n近來則發展到 GHz(每秒十億次)的速度,像是 Pentium 4 3.2 G、Duron 1.8G

18、 等；當然頻率愈高、執行效能愈快,但相對價格也愈貴！45CPU 的工作時脈的工作時脈#現在 AMD 的 CPU 如：Athlon 64,其所標示的數值並不是 CPU 真正的執行頻率、而是指其效能可獲致的結果！#例如 Athlon 64 3200+代表該 CPU 的效能可比擬、甚至超越 Pentium 4 的 3.2 G,但是其實際工作時脈只有 2.0 GHz 左右而已。46CPU 的工作時脈的工作時脈nCPU 時脈的計算方式如下：CPU 的內頻=CPU 的外頻 倍頻係數47CPU 的工作時脈的工作時脈n關於內頻、外頻、和倍頻係數說明如下：內頻內頻(Internal Clock)：是 CPU 內

19、部在工作時的頻率,以 Pentium 4 2.8G 的 CPU 為例,其內頻即是 2800 MHz。外頻外頻(External Clock)：是主機板提供給 CPU 的時脈頻率。倍頻係數倍頻係數(Clock Multiplier Factor)：以內頻除以外頻,會得到一係數,此係數即稱為倍頻係數,也就是內頻和外頻相差的倍數。48什麼是超頻？什麼是超頻？n所謂的超頻,就是讓原本時脈較低的 CPU 以更高的時脈運作。n超頻的方法不外乎是調高外頻或倍頻係數,以提昇 CPU 的時脈。不過 CPU 廠商為了本身產品的區隔,不希望 CPU 被超頻使用,而大多把倍頻係數鎖住了。因此,現在要超頻,通常只能從外

20、頻來著手。49什麼是超頻？什麼是超頻？n既然超頻可以得到額外的效能,何樂而不為呢？n不過超頻可是有相當風險的,因為迫使 CPU 以更高時脈運作,當然會產生更高的溫度,不僅 CPU 本身有燒壞的可能,對於其它週邊也是一大考驗。n若是為了多一點效能,而不慎燒毀 CPU 或硬碟.等其它元件,都是很不划算的。50快取記憶體快取記憶體nCPU 利用暫存器來進行資料的存取和運算,但暫存器和主記憶體的速度差異實在太大,若從暫存器直接和主記憶體進行輸出或輸入,可能造成 CPU 長時間的閒置,只為了等待主記憶體將資料送進來。n為了提升系統的效能,於是在暫存器和主記憶體之間,配置了快取記憶體快取記憶體(Cache

21、 Memory)。51快取記憶體快取記憶體n快取記憶體是位於記憶體階層的第二層,相較於主記憶體,仍是屬於速度快、成本高的記憶體,因此通常也只能配置容量遠少於主記憶體的容量。n快取記憶體的容量雖然小,但可以存放較常使用的指令或資料。n由於 CPU 讀取需要的指令或資料時,會直接到快取記憶體尋找,若找不到需要的資料才會到主記憶體中讀取。52快取記憶體快取記憶體n因此,若 CPU 在快取就能找到需要的資料,便無需再到主記憶體讀取,而資料傳送的時間就便能大幅縮短了；這樣的工作方式正是快取記憶體能夠提高效能的最主要原因。n快取記憶體通常與 CPU 直接整合在一起,因此我們是無法自行增減快取記憶體的大小。

22、快取記憶體依層級(Level)區分為 Level1(L1,資料/指令快取)與 Level2(L2,記憶快取)等 2 種。53快取記憶體快取記憶體n在高階伺服器版本的 CPU 上,還會看到有第 3 層快取(L3 Cache),其速度以 L1 快取最快,接著依次是 L2 和 L3。通常我們較會注意到的是 L2 Cache 的大小,目前 CPU 使用的 L2 快取已經多達 1 MB。54快取記憶體快取記憶體n理論上 Cache 愈大、CPU 的效能愈好,也因此目前新型的 CPU 都不斷加大快取記憶體。不過,快取記憶體一旦超過一個額度後,其帶來的效益差異將變得不明顯了。n目前主流 CPU 多為 1,0

23、24 KB(1 MB)或 512 KB,入門級產品則縮減為 256 或 128 KB。55傳輸頻寬傳輸頻寬n傳輸頻寬傳輸頻寬(Bandwidth)是指單位時間內可傳送/接收的資料量(Bytes/Sec)；在電腦上各元件之間會使用不同的傳輸頻寬,如北橋晶片和 CPU 之間的系統匯流排、和記憶體之間的擴充匯流排.等,都有不同的傳輸頻寬,這些頻寬都是可以計算出來的。在計算前,必須先瞭解頻寬是如何算出來的：傳輸頻寬=傳輸頻率(MHz)資料寬度(Bits)56傳輸頻傳輸頻寬寬n以使用 800 MHz 系統匯流排的 Pentium 4 CPU 為例,其 CPU 的資料寬度為 64 位元,故可傳輸的資料頻寬

24、就是：(800 MHz 64 Bits)=51,200 MBits/Sec=6,400 MBytes/Sec 6.4 GB/Sec57CPU 的指令集的指令集n從字面上來看,指令集指令集(Instruction Set)是一群指令的集合；而指令則是CPU 提供的服務。系統只要說明：請執行 xxxx 服務,所需的相關資料有：yyy,zzz,www,.,CPU 就會依序執行。n不過這是系統內部的運作,當中的執行細節完全由 CPU 廠商來決定。您所要了解是：指令集提供的服務是影響 CPU 效能的重要關鍵。我們可舉 2 個例子來體會這個事實：58CPU 的指令集的指令集n相同指令相同指令,需要不同執行

25、週期需要不同執行週期假設A、I 兩個相同頻率的 CPU 都執行相同的指令,I 需要 3 個執行週期,A 只需 2 個；則在相同時脈下,A 的效能自然比 I 快。n組合指令較慢組合指令較慢另一種情形則是：有些服務並非單一指令所提供,而是由多道指令組合而成；您可以想像,這類組合指令所需的執行週期自然比單一指令來得長。59CPU 的指令集的指令集n談到 CPU 的指令集,就不能不提到 CISC 和 RISC 這兩種分類,所以接著我們要來認識 CISC 與 RISC。60CISC 與與 RISCnCISC(Complex Instruction Set Computer)稱為複雜指令集複雜指令集,是指

26、 CPU 內使用功能較多、較強的指令。nCISC 的電路設計較為複雜,成本也較高,但由於功能強大,因此可以很容易處理很複雜的指令,也使得編譯器(Compiler)的撰寫也較為簡單。n使用 CISC 最具代表性的 CPU,即是 Intel X86 系列的CPU。61CISC 與與 RISC#編譯器(Compiler)的功能是將高階語言(如C、Visual Basic.等)轉換為電腦看得懂的機械語言(也就是 0 和 1的組合)。62CISC 與與 RISCnRISC(Reduced Instruction Set Computer)稱為精精簡指令集簡指令集,也就是使用少量、較常用的,且功能較簡單的

27、基本指令,來完成複雜的指令。n雖然 RISC 的指令功能較少,但因為每個指令較簡單,所以執行的速度較快,而相關的電路設計也較為容易。n使用 RISC 的 CPU 通常是非 X86 系統的 CPU,最具代表性的是 IBM、Motorola 與 Apple 共同開發的 PowerPC。63CISC 與與 RISC64CISC 與與 RISCn我們以電子計算機來比喻 CISC 和 RISC,將計算機的使用者比喻成編譯器。CISC 就像工程用的計算機,功能多而且強大,可以很容易的算出開根號、三角函數等運算。然而要製作一台工程用的計算機比較困難,成本比較高。n對於使用者來說,不需要很強數學知識(也就說編

28、譯器不需要很強大,比較容易設計)就能完成高難度的數學運算。65CISC 與與 RISCn而 RISC 就像普通的計算機,只能使用加、減、乘、除這些簡單而基本的四則運算；若是較複雜的數學運算,就運用許多次的四則運算來計算出結果,也因此使用者必須具備很強的數學知識才行(也就是說編譯器必須很強大,因此設計上較困難)。n不過這個比喻只是形容 CISC 和 RISC 的概念而已,可不能單純以此來比較 CISC 和 RISC 的優劣。66CISC 與與 RISCnCISC 的概念是利用硬體的電路來完成較複雜運算,以增加電腦的效能；而複雜的電路設計也代表著必須使用更多的電晶體,在以往的半導體技術不像現在這麼

29、進步的時候,很難在一塊晶片中放入大量的電晶體,因此使用 CISC 必須付出較大的成本。67CISC 與與 RISCn此外,複雜的電路設計也代表 CPU 的指令週期將因此變長,即使是處理較單純的指令,效能仍然不佳。因而後來出現了 RISC 這樣的概念,也盡可能只使用最精簡、最基本及最常用的功能,而不加入其它複雜、強大、卻很少使用的功能。n以電子計算機來做比喻,如果使用計算機一百次,可能用不到一次log計算,那麼做出這個功能不就是浪費了嗎？68CISC 與與 RISCn而 RISC 因為指令的功能較簡單,使得電路的設計較為精簡,使用的電晶體也減少許多,CPU 的指令週期也得以縮短。n因此執行指令時

30、,RISC 的執行效能更是遠勝 CISC,再加上軟體技術越來越進步,編譯器的功能越來越強大、越來越完整,因而使得 RISC 大行其道,甚至一度被認為將會取代 CISC。69CISC 與與 RISCn關於 CISC 和 RISC 的比較整理如下：70CISC 與與 RISCnCISC 和 RISC 之爭存在已久,雖然 RISC 一度情勢大好,不過 CISC 還是有其價值,並未因此消失。n其實現在的 CPU 已經找不到純粹CISC 或 RISC 設計了,反而大多是兩種設計混合使用。71CISC 與與 RISCn首先,近來半導體技術的躍進,使得一個晶片內可以放入更多的電晶體,而 RISC 也不再堅持

31、以往少量電晶體 的想法,而加入了以往 CISC 主張使用大量的電晶體,並且加入了部份 CISC 的指令藉以應付複雜的運算。72CISC 與與 RISCn而 CISC 也導入了 L1 快取記憶體的設計,甚至將部份複雜的指令拆解成 RISC 指令來執行,藉以提高效能。CISC 和 RISC 之爭在現在看來意義已不大,重要的是彼此各取優點、各自發展,以達成提高效能的目標。#L1 Cache 原本是 RISC 所採用的設計,而 Intel 從 486 的 CPU 開始導入 L1 Cache 的設計。73CISC 與與 RISCn隨著電腦的應用日趨複雜,以往單純做文書處理等簡單應用已經不足以應付複雜的影

32、像、聲音等龐大的多媒體資訊,所以各家廠商紛紛研發特殊的指令集。n在後續的內容,我們要介紹目前 x86 系列 CPU 上最常見的幾個指令集。74MMX 多媒體延伸指令集多媒體延伸指令集nMMX(MultiMedia eXtension)指令集是 Intel 公司所發展的多媒體延伸指令集,總共有 57 個指令,專門負責多媒體的音效、影像、動畫等處理。n在 Pentium 處理器後期,Intel 才開始將 MMX 指令集加入 CPU 中,爾後 Intel 也授權 AMD、Cyrix 等廠商,同意他們將 MMX 指令集納入自家產品中。75MMX 多媒體延伸指令集多媒體延伸指令集76MMX 多媒體延伸指

33、令集多媒體延伸指令集#在加入 MMX 指令集的同時,Intel 也採用 SIMD(Single Instruction Multiple Data)新技術；讓 CPU 可對多道相同的服務要求,以單一指令、同時執行不同資料的方式來運算,藉此提高運作效能。77SSE、SSE2、SSE3n1999 年 Intel 推出 Pentium!,除了提供 MMX 指令集外,還額外增加 SSE(Streaming SIMD Extensions)指令集,也有人稱之為 MMX-2。SSE 包含了 70 個全新的指令,可以更有效地加快影像、音訊與視訊等資料的處理、以及語音辨識的速度。78SSE、SSE2、SSE3

34、n而在 2000 年的 Pentium 4 處理器再度針對指令集的部份作強化,發展出 SSE2(Streaming SIMD Extensions 2)指令集。nSSE2 比起前一代,又再度增加 144 個全新的指令,提供倍精準(Double Precision)浮點運算、整合 SIMD 功能、以及記憶體管理等,充分滿足各種應用軟體的需求。79SSE、SSE2、SSE3n2004 年 Intel 在 Prescott 核心的 Pentium 4 中,除了 MMX、SSE/SSE2 指令集外,另外增加了 13 個全新的指令,並且將其稱為 SSE3 指令集。nSSE3 指令集可以增強 CPU 處理

35、多媒體編碼、解碼的速度,並且改善執行緒執行緒(Thread)的效能。803DNow!、Enhanced 3DNow!、3DNow!Professionaln在 MMX 推出後之後,AMD 於 1998 年也發表了 3DNow!指令集,其中內含 21 個指令,能夠處理大量的浮點運算、3D 坐標轉換、3D 模型建立.等工作,使 3D 圖形成像更加快速與精緻。n3DNow!運用在 K6-2 系列的 CPU 上,使得當時的 K6-2 CPU 不但具備 MMX,而且還有 3DNow!的功能。813DNow!、Enhanced 3DNow!、3DNow!ProfessionalnEnhanced 3DNo

36、w!則是在 Athlon 與 Duron 中開始加入的新指令集,比原先的 3DNow!多出了 24 個新增指令。n其中有 12 個指令是增強多媒體資料的整數運算效能、語音辨識技術、與視訊資料處理能力；7 個指令用來加快瀏覽器處理網路資料的速度(包括圖形、Plug-In 等)；最後 5 個指令乃加強 CPU 處理數位訊號的能力,包括 MP3、杜比環繞音效等。823DNow!、Enhanced 3DNow!、3DNow!Professionaln由於 Intel CPU 的市場佔有率較高,因此各廠商的軟體大多支援 Intel SSE/SSE2 指令集,相對之下 AMD 的 3DNow!/Enhan

37、ced 3DNow!指令集就比較缺少支援。n因此 AMD 新的 3DNow!Professional 指令集中,除了加入原先 Enhanced 3DNow!指令集外,還增加了 51 個 SSE 指令,讓 AMD 的 CPU 能夠和 Intel CPU 同樣享受到眾多軟體的支援。833DNow!、Enhanced 3DNow!、3DNow!ProfessionalnAMD 最新的 K8 CPU 已經改支援 SSE2/SSE3 指令集,因此未來多媒體指令可望統一。84針腳與對應之插槽針腳與對應之插槽n隨著 CPU 的演化,封裝的針腳針腳(Pin)數也愈來愈多,從 462-Pin/478-Pin 到

38、目前的 754/778/939 Pin,不同的 CPU 針腳就得搭配專屬插槽的主機板。85針腳與對應之插槽針腳與對應之插槽86系統匯流排系統匯流排n系統匯流排系統匯流排(System Bus 或 PSB,Processor System Bus),也稱之為前側匯前側匯流排流排(FSB,Front Side Bus)。n通常大多數的主機板 BIOS 和熟悉電腦組裝的使用者都習慣使用 FSB 一詞。nFSB 的速度是 CPU 對北橋晶片的運作速度。以目前 2 家 x86 CPU 大廠來看,Pentium 4 與 Athlon 64 都高達 800 MHz(Mega Herz,百萬赫茲)或以上。87

39、系統匯流排系統匯流排n不過先別被這樣的數據嚇到了,其實 Intel 與 AMD 在這裡用了倍頻倍頻的概念,分別以 QDR(Quad Data Rate,四倍資料速率)和 HyperTransport(超傳輸,詳細後述)技術達成前述的數據值。88Hyper TransportnHyper Transport(超傳輸,簡稱為 H.T.)技術是由 AMD 所開發,主要是做為晶片與晶片之間的高速互連通道,如：CPU 與北橋晶片、或南橋和北橋晶片之間的連結等；該通道具有雙向傳輸和可變寬度(頻寬)的特性,工作頻率可從 200 MHz800 MHz,傳輸的資料寬度更可有 2、4、8、16、32 位元(Bit

40、s)等組合。89Hyper-ThreadingnHyper-Threading 的中文翻譯成超執行緒,同樣簡稱為H.T.,但和 AMD 的 Hyper Transport 是完全不同的,請您務必要注意。n用比較淺顯的概念來說,Hyper-Threading 就是把 1 個實體的 CPU模擬 成 2 顆 CPU、增加處理器運作效率,藉以有效地善用資源、減少系統資源的浪費：90Hyper-Threading91Hyper-Threadingn既然 Hyper-Threading 是模擬2 顆 CPU 的效果,故其效能是無法等同 2 顆真正的 CPU,或 1 顆雙核心(稍後介紹)的 CPU；但比起原

41、先單一架構的處理器,確實可提高不少的執行效率。92雙核心雙核心n目前 CPU 已經發展到了多核心的架構,而雙核心的 CPU 已經逐漸變成主流。雙核心相當於將兩個 CPU(核心)包裝在單一個 CPU 晶片上。n不同於前文提過的 Hyper-Threading 技術,是將單一核心的 CPU 模擬成兩個核心,而是真正雙實體核心的 CPU,其效能是遠超過使用 Hyper-Threading 技術的單核心 CPU。93雙核心雙核心n以簡單的概念來解釋,若將 CPU 比喻為廚房,那麼單核心就像只有一位廚師,一次只能做一道菜,必須做完一道菜之後才能再做下一道。n若加上 Hyper-Threading 技術,

42、那麼這個廚師就有能力一次做兩道菜,只不過這個廚師必須分心輪流做這兩道菜。94雙核心雙核心n而雙核心就像是兩個廚師,可以同時專心做兩道菜,當然速度要比一個廚師快得多了。若是再加上 Hyper-Threading 技術,那麼這兩位廚師就可以同時做四道菜了！9564 位元和位元和 32 位元位元 CPU 的區別的區別nCPU 的位元數,主要決定於 CPU 一次能處理的字組(Word)大小。而能處理多大的字組,則是依暫存器的大小而定。暫存器越大,一個指令週期所能執行的字組便越大。n以 Intel 早期的 8086 CPU 為例,其一個指令週期可以執行一個 16 Bits 的字組(Word),因此 80

43、86 被稱為 16 位元的 CPU。9664 位元和位元和 32 位元位元 CPU 的區別的區別n而所謂的 32 位元 CPU,就是可以執行 32 Bits 的字組；同樣地,64 位元的 CPU 就是可以執行 64 Bits 的字組。#Intel 與 AMD 所推出的 64 位元技術分別是EM64T 及 AMD64。若自行購買 CPU 時,必須注意是否有使用 64 位元的技術。例如：Intel 的 Pentium 4,就有分成 32 位元和 64 位元(會標註 EM64T)兩種,並不是所有的 Pentium 4 都是 64 位元。9764 位元和位元和 32 位元位元 CPU 的區別的區別n6

44、4 位元 CPU 仍必須搭配針對 64 位元設計的軟體,才能發揮效能。n雖然 CPU 擁有執行 64 位元字組的能力,但 32 位元軟體所傳送的仍然是 32 位元的字組,因此 CPU 一次還是只能處理 32 位元的字組,另外 32 位元的空間則白白浪費掉了。9864 位元和位元和 32 位元位元 CPU 的區別的區別n反過來說,若是以 32 位元的 CPU 執行 64 位元的軟體,由於軟體所傳送的是 64 位元的字組,32 位元的 CPU 上根本就放不下,因此 32 位元的CPU 是無法執行 64 位元的軟體。n例如 Intel X86 的 CPU 只能向下相容,卻無法向上相容(如16 位元的

45、 286 CPU 無法執行設計給 386 CPU 使用的 32 位元軟體)的原因即是如此。9964 位元和位元和 32 位元位元 CPU 的區別的區別n目前雖然仍以 32 位元的軟體最普遍,不過微軟公司已經推出了 64 位元版本的作業系統,而其後預計推出的最新版作業系統Vista 也將會有 32 位元和 64 位元 2 種版本,相信 64 位元的軟硬體變成主流已是指日可待了。1002-3 CPU 的分類的分類nCPU 的使用相當廣泛,從我們熟悉的各種電腦平台(如：PDA、筆記型電腦、桌上型電腦),到 3C 產品(行動電話、MP3 隨身聽)、家電產品(如：液晶電視、DVD 播放機)等,都會使用到

46、 CPU。n本單元將焦點放在電腦平台,介紹 CPU 的分類。101CPU 的分類的分類n目前常見的 CPU 種類,依其運算能力及省電性,大致可區分為高階伺服器等級高階伺服器等級、桌上桌上型個人電腦等級型個人電腦等級及筆記型電腦等級筆記型電腦等級 3 種分類。以下會依這 3 種分類來分別說明。102高階伺服器等級的高階伺服器等級的 CPUn高階伺服器由於需要長時間運作(幾乎不關機),處理的資料量龐大,所以對於 CPU 的要求在於穩定性高、強大的運算能力和記憶體定址能力。n目前紅極一時的 64 位元 CPU 其實早已出現在高階伺服器當中了。103高階伺服器等級的高階伺服器等級的 CPUn目前伺服器

47、等級的 CPU 大致有下列幾種：104高階伺服器等級的高階伺服器等級的 CPUn上表中的 Cell 處理器目前尚未問市,生產廠商之一的 IBM 公司預計將會使用 Cell 處理器來建構高階的工作站,甚至超級電腦。n而 Sony 和 Toshiba 兩家公司,則分別預計將 Cell 處理器運用在 PlayStation 3遊戲主機及高階影音家電中。105桌上型個人電腦等級的桌上型個人電腦等級的 CPUn目前個人電腦市場大致以 Intel 與 AMD 兩家廠商所生產的 CPU 為主流。憑藉著半導體技術的進步,個人電腦所使用的處理器不僅速度一日千里,功能也大幅攀升,逐步拉近了個人電腦與高階伺服器之間

48、的差距。106Intel 市面上的產品分類市面上的產品分類107AMD 市面上的產品分類市面上的產品分類108桌上型個人電腦等級的桌上型個人電腦等級的 CPUn桌上型電腦除了 PC 之外,尚有麥金塔(MAC)電腦這個不可忽視的族群。n麥金塔電腦原本使用的 CPU是 PowerPC,不過在 2006 年初,麥金塔電腦也開始改採用 Intel 的 CPU 了。109筆記型電腦等級的筆記型電腦等級的 CPUn筆記型電腦所使用的 CPU,一般要求低耗電量、低發熱量。也因此筆記型電腦所使用的 CPU,通常會加上特殊技術(如：動態降頻技術、省電技術.等),以致售價也會比桌上型電腦等級的 CPU 要高一些。

49、110筆記型電腦等級的筆記型電腦等級的 CPUn在筆記型電腦的市場中,仍以 Intel 及 AMD 兩大廠商為主流,底下分別列出兩家廠商的產品規格列表：111筆記型電腦等級的筆記型電腦等級的 CPU112筆記型電腦等級的筆記型電腦等級的 CPU113筆記型電腦等級的筆記型電腦等級的 CPUn除了 Intel 和 AMD 這兩大廠商之外,筆記型電腦尚有國內廠商威盛電子(VIA)與全美達(Transmeta)推出速度較慢的 CPU,以搶攻低價筆記型電腦的市場。114CPU 進入多核心的時代進入多核心的時代n過去 CPU 主要以時脈作為評鑑效能的主要依據,因此 CPU 廠商便不斷地提高 CPU 時脈

50、,汲汲營營於速度之王的寶座,於是陷入時脈競爭的迷思裏了。n拜半導體技術躍進之賜,我們得以一再地驗證摩爾定律(積體電路每平方英吋上的電晶體數量,每18 個月會增加一倍)。特 別企 劃115CPU 進入多核心的時代進入多核心的時代n若是以 1995 年上市的 100 MHz CPU,相較於 2005 年上市的 3800 MHz CPU,其 10 年間速度成長將近 40 倍！n然而 CPU 的發展面臨了瓶頸,在單一晶片所能放入的電晶體數幾乎到了極限,而高時脈的運作更帶來了驚人的耗熱！特 別企 劃116CPU 進入多核心的時代進入多核心的時代n殊不知五花八門的網路世界中,也驗證過用 CPU 來煎蛋不是