项目二 任务一 深入认知CPU（课件）-《计算机组装与维护》（电子工业出版社第三版）同步精品课堂

项目二 任务一 深入认知CPU 计算机组装与维护 同步精品课堂 电子工业出版社第三版 掌握国家标准《机械制图》中有关图幅、比例、字体图线等基本规定。 教学目标 一 知识目标 1. 深入认知CPU，学习CPU的功能、CPU的历史。 2．掌握CPU的性能指标。 能力目标 1.认识CPU系列中历史上曾经流行和当今正流行的主流产品，通过比较感知CPU的发展速度。 2. 掌握CPU的内置GPU、核心/线程数量、总线频率、制作工艺和L2/ L3缓存等性能参数。 教学重难点 二 教学重点 学习CPU的功能、CPU的历史 教学难点 掌握CPU的内置GPU、核心/线程数量、总线频率、制作工艺和L2/ L3缓存等性能参数 导入新课 三 计算机部件 想一想？ 计算机的核心部件是什么？ 新知讲授 四 1.Intel CPU 1971年，世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了，比起现在的CPU，4004显得很可怜，它只有2250个晶体管，功能相当有限，而且速度很慢，但是它的出现是具有划时代意义的。 时至今日，Intel公司生产的CPU种类很多，其应用不仅限于PC，同时在服务器、笔记本式计算机、工业计算机等方面也有广泛的应用。 新知讲授 四 1.Intel CPU 奔腾G系列集成了核芯显卡，其功耗控制优秀，性能卓越，成为入门级家庭、校园、办公用户的首选CPU。 (1)Intel 奔腾G系列 新知讲授 四 主流奔腾G系列CPU比较 CPU 奔腾G860 奔腾G2020 奔腾G6605 微架构/核心代号 Sandy Bridge Ivy Bridge Comet Lake 核心/线程 2/2 2/2 2/4 制作工艺 32nm 22nm 14nm CPU频率 3.0GHz 2.9GHz 4.3GHz GPU HD Graphics HD Graphics UHD Graphics 630 L3缓存 3MB 3MB 4MB 热设计功耗 65W 55W 58W 接口 LGA 1155 LGA 1155 LGA1200 支持内存 DDR3-1333 DDR3-1333 DDR4-2666 1.Intel CPU 新知讲授 四 1.Intel CPU 2010年1月，Intel 公司推出了全新酷睿处理器家族，其采用32nm制作工艺，不仅内建图形核芯，还具有最新的睿频功能，可以让CPU在实际应用中实现自动超频。 (2)智能酷睿i处理器 新知讲授 四 1.Intel CPU 第2代智能酷睿i处理器采用SandyBridge微架构和32nm制作工艺,已经实现了处理器、图形核芯、视频引擎的单芯片封装，其中图形核芯拥有最多12个执行单元，支持DX 10.1、OpenGL2.1,且在CPU、GPU、L3 (三级)缓存和其他I/O之间引入全新Ring (环形)总线。采用睿频加速技术2.0，更加智能，其性能可达第1代智能酷睿i5/i3集显的1.5~2倍。 (2)智能酷睿i处理器 新知讲授 四 1.Intel CPU 2012年4月，Intel公司发布第3代智能酷睿i处理器。它是比较有代表性的一代处理器，结合了22nm制作工艺与三维晶体管技术,将执行单元的数量翻一番,最多可达到24个，带来性能上的跃进。在大幅度提高晶体管密度的同时，其核芯显卡等部分性能比第2代智能酷睿i处理器甚至有了1倍以上的提升，在应用程序上性能提高了20%，在三维性能方面则提高了1倍，并且支持三屏独立显示、USB 3.0等技术。 (2)智能酷睿i处理器 新知讲授 四 1.Intel CPU 主流智能酷睿i系列CPU比较 CPU 酷睿i7 3770K 酷睿i5 3570K 酷睿i3 3220 微架构/核心代号 Ivy Bridge Ivy Bridge Ivy Bridge 核心/线程 4/8 4/4 2/4 制作工艺 22nm 22nm 22nm CPU频率 3.5 GHz 3.4GHz 3.3GHz 睿频加速频率 3.9 GHz 3.8GHz 不支持 GPU HD Graphic 4000 HD Graphics 4000 HD Graphics 2500 L3缓存 8MB 6MB 3MB 热设计功耗 77W 77W 55W 接口 LGA 1155 LGA 1155 LGA 1155 支持内存 DDR3-1600 DDR3-1600 DDR3-1600 新知讲授 四 “INTEL”是生产厂商； “CORE”是处理器品牌； “i7”是定位标志； “3770K”中的“3”表示第3代； “3770”是该处理器的型号； “K”是指不锁倍频版。 除此之外还有如：不带字母的是标准版，也是最常见的版本，“S”是节能版，“T”是超低功耗版。 酷睿i7-3770K处理器 1.Intel CPU 新知讲授 四 1.Intel CPU 适用于台式计算机的酷睿第11代处理器有酷睿i7系列的11700B、i5 系列的11500B、i3系列的11100B。 台式计算机第11代智能酷睿i系列CPU CPU 酷睿i7 11700B 酷睿i5 11500B 酷睿i3 11100B 微架构/核心代号 Tiger Lake Tiger Lake Tiger Lake 核心/线程 8/16 6/12 4/8 制作工艺 10nm 10nm 10nm CPU频率 3.2GHz 3.3GHz  3.6GHz 睿频加速频率 4.8 GHz 4.6GHz 4.4GHz GPU 集成超核心显卡 集成超核心显卡 集成超核心显卡 L3缓存 24MB 12MB 12MB 热设计功耗 65W 65W 65W 支持最大内存 128GB 128GB 128GB 内存类型 DDR4-3200MHz DDR4-3200MHz DDR4-3200 MHz 新知讲授 四 1.Intel CPU 适用于笔记本式计算机的酷睿第11代处理器有i9系列的11980HK，i7系列的1165G7、11800H， i5系列的1135G7、11300H， i3系列的1115G4、1110G4、1125G4。 笔记本式计算机第11代智酷睿i系列CPU CPU 酷睿i9 11980HK 酷睿i7 11800H 酷睿i5 11300H 酷睿i3 1115G4 微架构/核心代号 Tiger Lake-H Tiger Lake-H Tiger Lake-H Tiger Lake 核心/线程 8/16 8/16 4/8 2/4 制作工艺 10nm 10nm 10nm 10nm CPU频率 2.6 GHz 2.4GHz  3.1GHz 3GHz 睿频加速频率 5GHz 4.6GHz 4.4GHz 4.1GH L3缓存 24MB 24MB 8MB 6MB TDP热设计功耗 65W 45W 35W 12-28W 支持最大内存 128GB 128GB 64GB 64GB 内存类型 DDR4-3200MHz DDR4-3200MHz DDR4-3200 MHz LPDDR4x 4266MHz DDR4 3200MHz，LPDDR4X 3733MHz 新知讲授 四 2.AMD CPU Athlon是AMD公司最成功的一代处理器微架构，中文官方名称为速龙。第一款Athlon处理器属于AMD的第七代(K7)，其后出现Athlon 64 (64位微处理器)、Athlon X2 (2核微处理器)、Athlon II系列(有2核、3核、4核)产品。 1）Athlon（速龙） AMD公司的CPU产品有Athlon、Phenom、FX、APU、Ryzen 系列，目前主流产品是Ryzen系列。 新知讲授 四 2.AMD CPU AthlonII处理器的Logo有两种。右图为2012年5月新发布的核芯代号“Trinity”的Athlon II X4系列处理器的Logo。 1）Athlon（速龙） AMD公司的CPU产品有Athlon、Phenom、FX、APU、Ryzen 系列，目前主流产品是Ryzen系列。 新知讲授 四 2.AMD CPU AthlonⅡ系列CPU比较 CPU AthlonⅡ X2 260 AthlonⅡ X3 450 AthlonⅡ X4 640 AthlonⅡ X4 750K 核心代号 Regor Rana Propus Trinity 核心 2 3 4 4 制作工艺 45nm 45nm 45nm 32nm CPU频率 3.2GHz 3.2GHz 3.0GHz 3.4GHz L2缓存 2×1MB 3×512KB 4×512KB 4×1MB 热设计功耗 65W 95W 95W 100W 接口 AM3 AM3 AM3 FM2 新知讲授 四 2.AMD CPU Phenom处理器与Athlon处理器相比，额外集成了至少2MB的三级高速缓存。处理器核芯数主要为3核、4核、6核，定位高于Athlon处理器，主要面向中高端用户，特别是黑盒包装的Phenom处理器是游戏发烧友的至爱。 2009年，AMD公司推出Phenom二代处理器( Phenom II ),该处理器采用45nm制作工艺。除了时钟频率再次提高，Phenom II 的热设计功耗也更低了，同时有很大的超频空间，三级高速缓存的容量是第1代的3倍，由2MB提升至6MB，此项改进令处理器在标准检查程序中的成绩提升了30%。 2）Phenom（羿龙） Phenom II处理器Logo PhenomⅡ处理器外观 新知讲授 四 2.AMD CPU PhenomⅡ系列CPU比较 新知讲授 四 FX系列采用了全新的AMD Bulldozer微架构(推土机)。其于2011年10月正式推出，面向高端发烧级用户，拥有DDR3-1866原生内存支持、XOP指令集、集群多线程模块化设计等多项新特性，全面取代Phenom II 系列处理器，AMD公司官方指出这会使性能相对于K10构架提升50%以。 3)AMD FX 2.AMD CPU 新知讲授 四 第2代AMD FX处理器在2012年10月23日正式上市，该处理器采用AMD Piledriver (打桩机)微架构,核芯代号为“Vishera”,单芯片最高4模块8核芯，支持Turbo Core 3.0，无集成显示核芯。据性能评测媒体表示，基于Piledriver微架构的AMDFX系列的性能比Bulldozer的高13% ~ 15%，但仍不敌Intel公司的酷睿i7-3770K，部分项目甚至只和酷睿i5-3570K持平,不过FX-8350的官方售价却不超过200美元。FX的超频能力也很强。在2011年8月31日，由AMD公司团队发布的主频为3.6GHz的FX-81508核芯处理器，超频达到8.429GHz，荣登吉尼斯世界纪录“最高时钟频率的计算机处理器”。 3)AMD FX 2.AMD CPU 新知讲授 四 2.AMD CPU FX系列CPU比较 新知讲授 四 2.AMD CPU APU ( Accelerated Processing Unit)即加速处理器。AMD公司并购ATI以后，随即公布了代号为“AMDFusion”的融聚计划。简要地说，在制作的新的芯片，上集成传统中央处理器和图形处理器，而且这种设计会将北桥芯片从主板上移除，集成到CPU中。此外，CPU 核芯还可以将原来依赖CPU核芯处理的任务(如浮点运算)交给为运算进行过优化的GPU处理(如处理浮点数运算)，也就是AMD公司认为的加速处理单元。 基于AMDPiledriver微架构的第2代APU，核芯代号为“Trinity”，支持双通道DDR3-800 ~ 2133、Turbo Core 3.0、集成性能更强的Radeon HD 7000系列图形核芯等。 4)AMD APU 新知讲授 四 2.AMD CPU APU系列CPU比较 新知讲授 四 2.AMD CPU Ryzen7处理器在国内被命名为锐龙。AMD公司首批推出了Ryzen7三款高端型号:1700、1700X和1800X，全部采用14nm制造工艺，8核16线程设计，L2/L3总缓存为20MB。 之后AMD公司陆续推出了Ryzen 的R3、R5、R7系列，其中Ryzen 7系列(R7)定位高端，Ryzen5系列(R5)定位中端。 AMD Ryzen系列CPU最大的特色就是高主频、多核芯、多线程，R5和R7明显的差别就是核芯数不同。 目前，AMD Ryzen系列主流产品是Ryzen 5、Ryzen 7、Ryzen 9。 5)AMD Ryzen 新知讲授 四 2.AMD CPU AMD Ryzen系列CPU比较 CPU Ryzen 9 5950X Ryzen 9 5900HX Ryzen 7 5800X Ryzen75800U Ryzen 5 5600X Ryzen 5 3550H 适合类型 台式机 笔记本 台式机 笔记本 台式机 笔记本 核心代码 Zen 3 Zen 3 Zen 3 Zen 3 Zen 3 Zen 核心/线程 16/32 8/16 8/16 8/16 6/12 4/8 制作工艺 7nm 7nm 7nm 7nm 7nm 12nm CPU频率 3.4GHz 3.3GHz 3.8GHz 1.9GHz 3.7GHz 2.1GHz 动态超频最高频率 4.9GHz 4.6GHz 4.7GHz 4.4GHz 4.6GHz 3.7GHz L2缓存 8MB 4MB 4MB 4MB 3MB 2MB L3缓存 64MB 16MB 32MB 16MB 32MB 4MB 热设计功耗 105W 45W 105W 15W 65W 35W 插槽类型 Socket AM4 Socket AM4 Socket AM4 Socket AM4 Socket AM4 未公布 内存类型 DDR4 3200MHz LPDDR44266MHz DDR4 3200MHz LPDDR44266MHz DDR4 3200MHz 未公布 DDR4 3200MHz DDR4 2400MHz 新知讲授 四 3．龙芯系列处理器 龙芯系列处理器芯片是龙芯中科技术股份有限公司研发的具有自主知识产权的处理器芯片，产品以32位和64位单核及多核CPU/SOC为主，主要面向国家安全、高端嵌入式、个人计算机、服务器和高性能机等应用。 产品线包括龙芯1号小CPU、龙芯2号中CPU和龙芯3号大CPU三个系列。 新知讲授 四 龙芯1号小CPU (简称“龙芯1号”)系列处理器，采用GS132或GS232处理器核，集成各种外围接口，形成面向特定应用的单片解决方案，主要应用于云终端、工业控制、数据采集、手持终端、网络安全、消费电子等领域。 龙芯1A和龙芯1B CPU具有接口功能丰富、功耗低、性价比高、应用面广等特点。龙芯1A还可以作为PCI南桥使用。 龙芯1C和龙芯1D分别针对指纹生物识别和超声波计量领域定制，具有成本低、功耗低、功能丰富、性能突出的特点。 龙芯1H芯片针对石油钻探领域随钻测井应用设计，目标工作温度为175℃。 龙芯1C101是在龙芯LS1C100基础上针对门锁应用而优化设计的单片机芯片，在满足低功耗要求的同时，可以大幅减少板级成本。 龙芯1号 3．龙芯系列处理器 新知讲授 四 龙芯2号中CPU(简称“龙芯2号”)系列处理器采用GS464或GS264高性能处理器核，集成各种外围接口，形成面向嵌入式计算机、工业控制、移动信息终端、汽车电子等的64位高性能、低功耗SoC芯片。 龙芯2F已经实现规模化应用。 龙芯2H集成度更高，可作为独立SoC芯片使用，也可作为龙芯3号的桥片使用。 龙芯2K1000处理器目标为安全、移动领域，目前已完成基本功能调试与测试，正在进行系统开发和稳定性测试。 龙芯2号 3．龙芯系列处理器 新知讲授 四 龙芯3号大CPU (简称“龙芯3号”)系列处理器，片内集成多个GS464、GS464e 或GS464v高性能处理器核以及必要的存储和I/O接口，面向高端嵌入式计算机、桌面计算机、服务器、高性能计算机等应用。 2017 年，龙芯3号的配套桥片7A1000研制成功，龙芯7A1000桥片采用40nm工艺，通过HT 3.0接口与处理器相连，集成GPU、显示控制器和独立显存接口，外围接口包括32路PCIE 2.0、2路GMAC、3路SATA2.0、6路USB2.0和其他低速接口，可以满足桌面和服务器领域对I/O接口的应用需求，以及通过外接独立显卡的方式支持高性能图形应用需求。 龙芯3号 3．龙芯系列处理器 新知讲授 四 3．龙芯系列处理器 CPU 龙芯3A 4000 龙芯2K 1000 龙芯1C 101 适合类型 台式机 手机/平板 门锁 核心 4 2 1 制作工艺 28nm 40nm 130nm CPU频率 1.5GHz 1GHz 0.008GHz 动态超频最高频率 2GHz     L2缓存 256KB 1MB   L3缓存 8MB     热设计功耗 30W 5W 5mA 插槽类型 BGA 1211 BGA 608 QFP 64 内存类型 DDR4 2400MHz DDR3 1066MHz DDR3 1066MHz   龙芯系列的CPU性能参数 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 CPU架构，简单来说就是CPU核芯的设计方案。 更新CPU架构能有效地提高CPU的执行效率，但也需要投入巨大的研发成本，因此CPU厂商一般每2~3年才更新一次架构。 Intel 公司的Westmere微架构、SandyBridge微架构、IvyBridge微架构、CoffeeLake微架构、TigerLake微架构;AMD公司的K10 (Phenom 系列)、K10.5 (Athlon lI/Phenom II系列)、Bulldozer微架构、Piledriver 微架构、Zen微架构等。 同一微架构也因产品系列的不同，而设置不同的“核芯代码”。 每次微架构的更新和改进既是制作工艺的提升，也是性能的升级。 1. CPU架构 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 CPU制作工艺是指生产CPU的技术水平。 改进制作工艺，就是通过缩短CPU内部电路与电路之间的距离，使同一面积的圆片可实现更多功能或更强性能。 制作工艺以纳米(nm)为单位，目前CPU主流的制作工艺是10nm和7nm。 2.制造工艺 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 32/64位指的是CPU位宽，更大的CPU位宽有两个好处:一次能处理更大范围的数据运算和支持更大容量的内存。 一般情况下32位CPU只支持4GB以内的内存，更大容量的内存无法在系统中识别(服务器级除外)。 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。 3. 32位与64位CPU 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 CPU主频就是CPU运算时的工作频率，在单核时代它是决定CPU性能的最重要指标，一般以GHz为单位，如酷睿i7-11700B的主频是3.2GHz。 由于CPU的发展速度远远超出内存、硬盘等配件的速度，于是便提出外频和倍频的概念，它们的关系是主频=外频×倍频。 超频通过手动提高外频或倍频来提高主频。 4.主频、倍频、外频、超频 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 目前CPU有2核、3核、4核、6核、8核、16核。 其实增加核芯数目就是为了增加线程数，因为操作系统是通过线程来执行任务的，一般情况下是1 : 1的对应关系，也就是说4核CPU一般拥有4个线程。但Intel 公司引入超线程技术后，使核芯数与线程数形成1 : 2的关系，如4核酷睿i7支持8线程(或称为8个逻辑核芯)，大幅提升了其多任务、多线程的性能。 5.核芯数、线程数 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 缓存(Cache)也是决定CPU性能的重要指标之一。程序的执行过程：首先从硬盘提取程序，存放到内存，再利用CPU进行运算与执行。 由于内存和硬盘的速度实在比CPU慢太多了，每执行一个程序，CPU都要等待内存和硬盘，引入缓存技术便是为了解决此矛盾。当缓存与CPU速度一致时，CPU在缓存上读取数据比CPU在内存上读取快得多,从而提升了系统的性能。当然，由于CPU芯片面积和成本等原因，缓存都很小。 目前主流CPU都有L1和L2缓存，高端的设有L3缓存。 6.缓存 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 热设计功耗(Thermal Design Power, TDP) 指的是CPU达到最大负荷时释放出的热量,单位是瓦特(W)，它主要是散热器厂商的参考标准。 高性能CPU同时带来了高发热量，如AMD Ryzen 9 5950X的热设计功耗达到了105W,而Intel 酷睿i7-11700B的热设计功耗只有65W。显然，它们对散热器的要求是不同的。 7.热设计功耗 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 超线程(Hyper-Threading, HT) 技术最早出现在2002年的奔腾4上。利用特殊的硬件指令,把单个物理核芯模拟成两个核芯(逻辑核芯),让每个核芯都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少CPU的闲置时间，提高CPU的运行效率。智能酷睿再次引入超线程技术，如8核的酷睿i7可同时处理16个线程操作，而6核的酷睿i5也可同时处理12线程操作，大幅增强了它们多线程的性能。 超线程技术只需要消耗很小的核芯面积，就可以在多任务的情况下提供显著的性能，与完全再添加一个物理核芯相比要划算得多。评测结果显示，开启超线程技术后，多任务性能提升20% ~ 30%。 8.超线程技术 新知讲授 四 4.CPU的主要性能指标 睿频加速(Turbo Boost)技术是一种动态加速技术。Intel 公司的处理器最先采用该技术,处理器通过分析当前CPU的负载情况，智能地完全关闭一些用不上的核芯，把能源留给正在使用的核芯，并使其运行在更高的频率，进一步提升性能；相反，需要多个核芯时，动态开启相应的核芯，智能调整频率。这样，在不影响CPU的热设计功耗情况下，能把各核芯的频率调得更高。 9.睿频加速技术 师生互动 五 查一查 查看适用于移动笔记本的移动CPU。 汇报方式： 学生分组进行查阅 随堂练习 六 1. 占据市场主流的CPU品牌生产厂商有两家: （ ）公司和（ ）公司。 答案： Intel、AMD 解析： 目前，占据市场销售主流的计算机CPU生产厂商只有两家:Intel和AMD，都是美国公司。 随堂练习 六 2. 奔腾G860的微架构是（ ）。 A. Sandy Bridge B. Ivy Bridge C. Comet Lake D. Tiger Lake 答案： A 解析： 奔腾G860的微架构是 Sandy Bridge。 随堂练习 六 3. 酷睿i7-3770K处理器，“K”是指（ ）。 A. 标准版 B. 不锁倍频版 C. 超低功耗版 D. 节能版 答案： B 解析： 酷睿i7-3770K处理器中“K”是指不锁倍频版。不带字母的是标准版，也是最常见的版本，“S”是节能版，“T”是超低功耗版。 随堂练习 六 4. 目前AMD公司的主流CPU产品是（ ）系列。 A. Athlon B. Phenom C. FX D. Ryzen 答案： D 解析：AMD公司的CPU产品有Athlon、Phenom、FX、APU、Ryzen 系列，目前主流产品是Ryzen系列。 随堂练习 六 5. 第2代AMD FX处理器采用（ ）微架构。 A. Ivy Bridge B. Piledriver C. Tiger Lake D. Bulldozer 答案：B 解析： 第2代AMD FX处理器在2012年10月23日正式上市，该处理器采用AMD Piledriver (打桩机)微架构,核芯代号为“Vishera”。 随堂练习 六 6 Ryzen 9 5900HX适用于台式机。（ ） 答案： 错误 解析： Ryzen 9 5900HX适用于笔记本。 随堂练习 六 7 同一微架构的产品，其“核芯代码”都相同。（ ） 答案： 错误 解析： 同一微架构也因产品系列的不同，而设置不同的“核芯代码”。 随堂练习 六 8 目前CPU主流的制作工艺是10nm和7nm。（ ） 答案： 正确 解析： 制作工艺以纳米(nm)为单位，目前CPU主流的制作工艺是10nm和7nm。 课堂小结 七 谢谢 $$