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10. CPU接口类型
我们知道,CPU需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。CPU经过这么多年的发展,采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。而目前CPU的接口都是针脚式接口,对应到主板上就有相应的插槽类型。CPU接口类型不同,在插孔数、体积、形状都有变化,所以不能互相接插。
(1)Socket 775
Socket 775又称为Socket T,是目前应用于Intel LGA775封装的CPU所对应的接口,目前采用此种接口的有LGA775封装的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D和Conroe等CPU。与以前的Socket 478接口CPU不同,Socket 775接口CPU的底部没有传统的针脚,而代之以775个触点,即并非针脚式而是触点式,通过与对应的Socket 775插槽内的775根触针接触来传输信号。Socket 775接口不仅能够有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率,同时也可以提高处理器生产的良品率、降低生产成本。随着Socket 478的逐渐淡出,Socket 775将成为今后所有Intel桌面CPU的标准接口。
(2)Socket 754
Socket 754是2003年9月AMD64位桌面平台最初发布时的CPU接口,目前采用此接口的有低端的Athlon 64和高端的Sempron,具有754根CPU针脚。随着Socket 939的普及,Socket 754最终也会逐渐淡出。
(3)Socket 939
Socket 939是AMD公司2004年6月才推出的64位桌面平台接口标准,目前采用此接口的有高端的Athlon 64以及Athlon 64 FX,具有939根CPU针脚。Socket 939处理器和与过去的Socket 940插槽是不能混插的,但是,Socket 939仍然使用了相同的CPU风扇系统模式,因此以前用于Socket 940和Socket 754的风扇同样可以使用在Socket 939处理器。
(4)Socket 940
Socket 940是最早发布的AMD64位接口标准,具有940根CPU针脚,目前采用此接口的有服务器/工作站所使用的Opteron以及最初的Athlon 64 FX。随着新出的Athlon 64 FX改用Socket 939接口,所以Socket 940将会成为Opteron的专用接口。
(5)Socket 603
Socket 603的用途比较专业,应用于Intel方面高端的服务器/工作站平台,采用此接口的CPU是Xeon MP和早期的Xeon,具有603根CPU针脚。Socket 603接口的CPU可以兼容于Socket 604插槽。
(6)Socket 604
与Socket 603相仿,Socket 604仍然是应用于Intel方面高端的服务器/工作站平台,采用此接口的CPU是533MHz和800MHz FSB的Xeon。Socket 604接口的CPU不能兼容于Socket 603插槽。
(7)Socket 478
Socket 478接口是目前Pentium 4系列处理器所采用的接口类型,针脚数为478针。Socket 478的Pentium 4处理器面积很小,其针脚排列极为紧密。英特尔公司的Pentium 4系列和P4 赛扬系列都采用此接口。
(8)Socket A
Socket A接口,也叫Socket 462,是目前AMD公司Athlon XP和Duron处理器的插座接口。Socket A接口具有462插空,可以支持133MHz外频。
(9)Socket 423
Socket 423插槽是最初Pentium 4处理器的标准接口,Socket 423的外形和前几种Socket类的插槽类似,对应的CPU针脚数为423。Socket 423插槽多是基于Intel 850芯片组主板,支持1.3GHz~1.8GHz的Pentium 4处理器。不过随着DDR内存的流行,英特尔又开发了支持SDRAM及DDR内存的i845芯片组,CPU插槽也改成了Socket 478,Socket 423接口也就销声匿迹了。
(10)Socket 370
Socket 370架构是英特尔开发出来代替SLOT架构,外观上与Socket 7非常像,也采用零插拔力插槽,对应的CPU是370针脚。英特尔公司著名的“铜矿”和”图拉丁”系列CPU就是采用此接口。
(11)SLOT 1
SLOT 1是英特尔公司为Pentium Ⅱ系列CPU设计的插槽,其将Pentium Ⅱ CPU及其相关控制电路、二级缓存都做在一块子卡上,多数Slot 1主板使用100MHz外频。SLOT 1的技术结构比较先进,能提供更大的内部传输带宽和CPU性能。此种接口已经被淘汰,市面上已无此类接口的产品。
(12)SLOT 2
SLOT 2用途比较专业,都采用于高端服务器及图形工作站的系统。所用的CPU也是很昂贵的Xeon(至强)系列。Slot 2与Slot 1相比,有许多不同。首先,Slot 2插槽更长,CPU本身也都要大一些。其次,Slot 2能够胜任更高要求的多用途计算处理,这是进入高端企业计算市场的关键所在。在当时标准服务器设计中,一般厂商只能同时在系统中采用两个 Pentium Ⅱ处理器,而有了Slot 2设计后,可以在一台服务器中同时采用 8个处理器。而且采用Slot 2接口的Pentium Ⅱ CPU都采用了当时最先进的0.25微米制造工艺。支持SLOT 2接口的主板芯片组有440GX和450NX。
(13)SLOT A
SLOT A接口类似于英特尔公司的SLOT 1接口,供AMD公司的K7 Athlon使用的。在技术和性能上,SLOT A主板可完全兼容原有的各种外设扩展卡设备。它使用的并不是Intel的P6 GTL+ 总线协议,而是Digital公司的Alpha总线协议EV6。EV6架构是种较先进的架构,它采用多线程处理的点到点拓扑结构,支持200MHz的总线频率。
11. CPU针脚数
目前CPU都采用针脚式接口与主板相连,而不同的接口的CPU在针脚数上各不相同。CPU接口类型的命名,习惯用针脚数来表示,比如Pentium 4系列处理器所采用的Socket 478接口,其针脚数就为478针;而Athlon XP系列处理器所采用的Socket 462接口,其针脚数就为462针。
接口类型 针脚数
SOCKET 775 775
SOCKET 939 939
SOCKET 940 940
SOCKET 754 754
SOCKET A(462) 462
SOCKET 478 478
SOCKET 604 604
SOCKET 603 603
SOCKET 423 423
SOCKET 370 370
12. CPU封装技术
所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例,我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌,而是CPU内核等元件经过封装后的产品。
封装对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于很多集成电路产品而言,封装技术都是非常关键的一环。
目前采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来,能起着密封和提高芯片电热性能的作用。由于现在处理器芯片的内频越来越高,功能越来越强,引脚数越来越多,封装的外形也不断在改变。封装时主要考虑的因素:
芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:1;
引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能;
基于散热的要求,封装越薄越好。
作为计算机的重要组成部分,CPU的性能直接影响计算机的整体性能。而CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是CPU的封装技术,采用不同封装技术的CPU,在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的CPU产品。
CPU芯片的封装技术:
DIP技术、QFP技术、PFP技术、PGA技术、BGA技术
目前较为常见的封装形式:
OPGA封装、mPGA封装、CPGA封装、FC-PGA封装、
FC-PGA2封装、OOI 封装、PPGA封装、S.E.C.C.封装、
S.E.C.C.2 封装、S.E.P.封装、PLGA封装、CuPGA封装。
13. CPU的流水线(感谢网友belatedeffort提供建议)
对于CPU来说,它的工作可分为获取指令、解码、运算、结果几个步骤。其中前两步由指令控制器完成,后两步则由运算器完成。按照传统的方式,所有指令按顺序执行,先由指令控制器工作,完成一条指令的前两步,然后运算器工作,完成后两步,依此类推……很明显,当指令控制器工作时运算器基本上处于闲置状态,当运算器在工作时指令控制器又在休息,这样就造成了相当大的资源浪费。于是CPU借鉴了工业生产中被广泛应用的流水线设计,当指令控制器完成了第一条指令的前两步后,直接开始第二条指令的操作,运算器单元也是,这样就形成了流水线。流水线设计可最大限度地利用了CPU资源,使每个部件在每个时钟周期都在工作,从而提高了CPU的运算频率。
工业生产中采用增设工人的方法加长流水线作业可有效提高单位时间的生产量,而CPU采用级数更多的流水线设计可使它在同一时间段内处理更多的指令,有效提高其运行频率。如Intel在Northwood核心Pentium 4处理器中设计的流水线为20级,而在Prescott核心Pentium 4处理器中其流水线达到了31级,而正是超长流水线的使用,使得Pentium 4在和Athlon XP(整数流水线10级,浮点流水线15级)的频率大战中取得了优势。
CPU工作时,指令并不是孤立的,许多指令需要按一定顺序才能完成任务,一旦某个指令在运算过程中发生了错误,就可能导致整条流水线停顿下来,等待修正指令的修正,流水线越长级数越多,出错的几率自然也变得更大,旦出错影响也越大。在一条流水线中,如果第二条指令需要用到第一条指令的结果,这种情况叫做相关,一旦某个指令在运算过程中发生了错误,与之相关的指令也都会变得无意义。
最后,由于导电体都会产生延时,流水线级数越长导电延迟次数就越多,总延时自然也就越长,CPU完成单个任务的时间就越长。因此,流水线设计也不是越长越好的。
注意:CPU的流水线级数和CPU的倍频是两个完全不同的概念。
14. CPU的步进(Stepping)(感谢网友belatedeffort提供建议)
步进(Stepping)可以看作是CPU的版本,不同步进的CPU在超频能力、稳定性,BUG的处理方面是不同的,当然不同步进的CPU在功耗和发热方面也会有所不同的。在谈到哪款CPU好超频时,往往会说什么什么步进的哪款CPU好超之类的话(尤其是英特尔)而AMD往往是以哪个代号的核心比较好超来说的。
步进(Stepping)是CPU的一个重要参数,也叫分级鉴别产品数据转换规范,“步进”编号用来标识一系列CPU的设计或生产制造版本数据,步进的版本会随着这一系列CPU生产工艺的改进、BUG的解决或特性的增加而改变,也就是说步进编号是用来标识CPU的这些不同的“修订”的。同一系列不同步进的CPU或多或少都会有一些差异,例如在稳定性、核心电压、功耗、发热量、超频性能甚至支持的指令集方面可能会有所差异。
对于CPU制造商而言,步进编号可以有效地控制和跟踪所做的更改,也就是说可以对自己的设计、生产和销售过程进行有效的管理;而对于CPU的最终用户而言,通过步进编号则可以更具体的识别其系统所安装的CPU版本,确定CPU的内部设计或制作特性等等。步进编号就好比CPU的小版本号,而且步进编号与CPU编号和CPU ID是密切联系的,每次步进改变之后其CPU ID也可能会改变。
一般来说步进采用字母加数字的方式来表示,例如A0,B1,C2等等,字母或数字越靠后的步进也就是越新的产品。一般来说,步进编号中数字的变化,例如A0到A1,表示生产工艺较小的改进;而步进编号中字母的变化,例如A0到B1,则表示生产工艺比较大的或复杂的改进。
在选购CPU时,应该尽可能地选择步进比较靠后的产品。
15. CPU的缓存
CPU缓存(Cache Memory)位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分,但这一小部分是短时间内CPU即将访问的,当CPU调用大量数据时,就可避开内存直接从缓存中调用,从而加快读取速度。由此可见,在CPU中加入缓存是一种高效的解决方案,这样整个内存储器(缓存+内存)就变成了既有缓存的高速度,又有内存的大容量的存储系统了。缓存对CPU的性能影响很大,主要是因为CPU的数据交换顺序和CPU与缓存间的带宽引起的。
缓存的工作原理是当CPU要读取一个数据时,首先从缓存中查找,如果找到就立即读取并送给CPU处理;如果没有找到,就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理,同时把这个数据所在的数据块调入缓存中,可以使得以后对整块数据的读取都从缓存中进行,不必再调用内存。
总的来说,CPU读取数据的顺序是先缓存后内存。
最早先的CPU缓存是个整体,而且容量很低。后来出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存,此时就把 CPU内核集成的缓存称为一级缓存,而外部的称为二级缓存。一级缓存中还分数据缓存(Data Cache,D-Cache)和指令缓存(Instruction Cache,I-Cache)。二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令,而且两者可以同时被CPU访问,减少了争用Cache所造成的冲突,提高了处理器效能。
随着CPU制造工艺的发展,二级缓存也能轻易地集成在CPU内核中,容量也在逐年提升。而且随着二级缓存被集成入CPU内核中,以往二级缓存与CPU大差距分频的情况也被改变,此时其以相同于主频的速度工作,可以为CPU提供更高的传输速度。
二级缓存是CPU性能表现的关键之一,在CPU核心不变化的情况下,增加二级缓存容量能使性能大幅度提高。而同一核心的CPU高低端之分往往也是在二级缓存上有差异,由此可见二级缓存对于CPU的重要性。
CPU产品中,一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间,二级缓存的容量则分为128KB、256KB、512KB、1MB、2MB、4MB等。一级缓存容量各产品之间相差不大,而二级缓存容量则是提高CPU性能的关键。二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的,容量增大必然导致CPU内部晶体管数的增加,要在有限的CPU面积上集成更大的缓存,对制造工艺的要求也就越高。
(以下内容选看)
CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中,当缓存中没有CPU所需的数据时(这时称为未命中),CPU才访问内存。从理论上讲,在一颗拥有二级缓存的CPU中,读取一级缓存的命中率为80%。也就是说CPU一级缓存中找到的有用数据占数据总量的80%,剩下的20%从二级缓存中读取。由于不能准确预测将要执行的数据,读取二级缓存的命中率也在80%左右(从二级缓存读到有用的数据占总数据的16%)。那么还有的数据就不得不从内存调用,但这已经是一个相当小的比例了。目前的较高端的CPU中,还会带有三级缓存,它是为读取二级缓存后未命中的数据设计的—种缓存,在拥有三级缓存的CPU中,只有约5%的数据需要从内存中调用,这进一步提高了CPU的效率。
为了保证CPU访问时有较高的命中率,缓存中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”(LRU算法),它是将最近一段时间内最少被访问过的行淘汰出局。因此需要为每行设置一个计数器,LRU算法是把命中行的计数器清零,其他各行计数器加1。当需要替换时淘汰行计数器计数值最大的数据行出局。这是一种高效、科学的算法,其计数器清零过程可以把一些频繁调用后再不需要的数据淘汰出缓存,提高缓存的利用率。
16. CPU的功耗指标:TDP
TDP是反应一颗处理器热量释放的指标。TDP的英文全称是“Thermal Design Power”,中文直译是“热量设计功耗”。TDP功耗是处理器的基本物理指标。它的含义是当处理器达到负荷最大的时候,释放出的热量,单位未W。单颗处理器的TDP值是固定的,而散热器必须保证在处理器TDP最大的时候,处理器的温度仍然在设计范围之内。
处理器的功耗:是处理器最基本的电气性能指标。根据电路的基本原理,功率(P)=电流(A)×电压(V)。所以,处理器的功耗(功率)等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积。
处理器的峰值功耗:处理器的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中,这样处理器的功耗也在变化之中。在散热措施正常的情况下(即处理器的温度始终处于设计范围之内),处理器负荷最高的时刻,其核心电压与核心电流都达到最高值,此时电压与电流的乘积便是处理器的峰值功耗。
处理器的功耗与TDP 两者的关系可以用下面公式概括:
处理器的功耗=实际消耗功耗+TDP
实际消耗功耗是处理器各个功能单元正常工作消耗的电能,TDP是电流热效应以及其他形式产生的热能,他们均以热的形式释放。从这个等式我们可以得出这样的结论:TDP并不等于是处理器的功耗,TDP要小于处理器的功耗。虽然都是处理器的基本物理指标,但处理器功耗与TDP对应的硬件完全不同:与处理器功耗直接相关的是主板,主板的处理器供电模块必须具备足够的电流输出能力才能保证处理器稳定工作;而TDP数值很大,单靠处理器自身是无法完全排除的,因此这部分热能需要借助主动散热器进行吸收,散热器若设计无法达到处理器的要求,那么硅晶体就会因温度过高而损毁。因此TDP也是对散热器的一个性能设计要求。 上一页 1 23 4 5 6 下一页 阅读全文
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