2.1 CPU
2.1.1 CPU概述
CPU负责执行指令及控制、协调各单元，所有运算及程序处理都离不开它。
2017年1月5日，2017国际消费电子展（CES 2017）在拉斯维加斯开幕，包括Intel、AMD、NVIDIA、Qualcomm、联发科等芯片厂商都在此期间揭晓了新处理器，除了预期将配合各家OEM厂商推行新机，更预期导入全新运算应用模式，例如更具体聚焦在巨量数据分析、人工智能或者虚拟现实等全新应用情境，而非仅像过往强调效能提升、制程技术缩减。
新款处理器与即将来到的微软Windows 10 Creators，都将融合全新使用模式与虚拟现实体验，让个人计算机、平板电脑等装置再次成为关注议题。同时，部分新款手机也将随着新处理器推出亮相，例如华硕即将揭晓的ZenFone AR、第二代ZenFone Zoom等。
1.CPU结构简介
（1）CPU的内部结构
CPU内部结构分为控制单元、逻辑单元和存储单元3部分，它们之间相互协调，可以进行分析、判断、运算，并控制计算机各部分协调工作。8086内部结构如图2.1所示。
运算器可以进行算术运算和逻辑运算，算术运算是指加、减、乘、除运算；逻辑运算是指逻辑加、逻辑乘和逻辑非运算。控制器主要用于读取各种指令，并对指令进行分析，作出相应的控制。寄存器直接参与运算，并存放运算的中间结果。
（2）CPU的外部结构
从外部看CPU，其主要由两个部分组成，一个是核心，另一个是基板。如图2.2所示，上边是AMD PhenomⅡX4，下边是Intel Core 2 Quad。
图2.1 8086内部结构
图2.2 CPU外部结构
①CPU的核心
揭开散热片后看到的核心又称为内核，是CPU最重要的组成部分，就是CPU中心那块隆起的芯片，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU的所有计算、接收/存储命令、处理数据都由核心执行。目前绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式，也就是说平时所看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部，它是翻转后封装在陶瓷电路基板上的，这样的好处是能够使CPU内核直接与散热装置接触。CPU核心相对的另一面，也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面用于和外界的电路相连接。现在的CPU都有以千万计的晶体管，它们都要连到外面的电路上，而连接的方法则是将每若干个晶体管焊上一根导线连到外电路上。
②CPU的基板
CPU基板就是承载CPU核心用的电路板，它负责核心芯片和外界的数据传输。
③CPU的编码
在CPU编码中，都会注明CPU的名称、时钟频率、二级缓存、前端总线、核心电压、封装方式、产地及生产日期等信息。
④CPU的触点
CPU需要通过触点与主板连接。CPU采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。目前CPU的接口主要采用针脚式和触点式，对应到主板上就有相应的接口类型。不同类型的CPU有不同的CPU接口，因此选择CPU，就必须选择带有与之对应接口类型的主板。主板CPU接口根据类型不同，在插孔数、体积、形状等方面都有变化，所以不能互相接插。
2.CPU发展简史
CPU从最初发展至今已经有30多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等。
1971年，Intel公司诞生了第一个CPU——4004处理器，这便是第一个用于计算机的4位微处理器，它包括2300个晶体管，已经可以看到个人计算机的影子在里面了。
随后，Intel公司又研制出了8080 CPU和8085 CPU，与当时Motorola公司的MC6800 CPU和Zilog公司的Z80 CPU，一起组成了8位微处理器的家族。
1978年，Intel公司生产了第一块16位CPU（i8086），如图2.3所示，它使用的指令代码就叫X86指令集。这个处理器标志着X86王朝的开始。
1982年，Intel公司发布了80286处理器，如图2.4所示，也就是俗称的286。这是Intel公司第一个可以运行所有为其撰写的内部指令集的处理器，其内部包括13.4万个晶体管，时钟频率也达到了前所未有的20MHz。其内、外部数据总线均为16位，地址总线为24位，可以使用16MB内存，可使用的工作方式包括实模式和保护模式两种。在发布后的6年中，全球一共交付了1500万台基于286的个人计算机。
图2.3 Intel 8086 CPU
32位CPU的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386，如图2.5所示。这是一种全32位CPU芯片，也是X86家族中第一款32位芯片，其内部包括27.5万个晶体管，超过了4004 CPU芯片的100倍；时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到33MHz。80386 CPU的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存。
图2.4 Intel 80286 CPU
图2.5 Intel 80386 CPU
20世纪80年代末90年代初，80486 CPU面市，如图2.6所示。它集成了120万个晶体管，时钟频率由25MHz逐步提升到50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并在X86系列中首次使用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令；它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。
20世纪90年代中期，全面超越486的新一代586处理器问世。为了摆脱486时代处理器名称混乱的困扰，最大的CPU制造商Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium（奔腾），以区别AMD和Cyrix的产品。
1993年至2001年，Intel公司陆续研制了Pentium、Pentium Pro、PentiumⅡ、PentiumⅢ、Pentium Xeon、Celeron和Pentium 4系列CPU。
2005年5月26日，Intel发布了该公司第一款双内核服务器处理器，名为Intel双内核Pentium D处理器，如图2.7所示。
图2.6 Intel 80486 CPU
图2.7 Intel Pentium D系列CPU
2006年7月27日，Intel发布了新一代基于Core微架构的CPU产品酷睿2，如图2.8所示，其中基于Clowertown内核设计的Xeon X5365 CPU可以简单等同于桌面级Kentsfield内核的Core 2 Extreme QX6850四核CPU。酷睿2是一个跨平台的构架体系，适用于服务器版、桌面版、移动版三大领域。
图2.8 酷睿2处理器
2008年，Intel发布了Nehalem平台上的首款桌面级产品，即酷睿i7产品，这款产品相比于酷睿2处理器所带来的技术升级是革命性的：延续了多年的FSB前端总线系统被更加科学和高效的QPI总线所代替，内存也升级到了三通道，同时增添了SMT、三级缓存、TLB和分支预测的等级化、IMC等技术，智能睿频技术的加入也让处理器的工作变得更加智能，另外，超线程技术也在Nehalem处理器中再次加入。
2010年发布的Clarkdale和2011年发布的Sandy Bridge同样延续了Nehalem的特点。可以说，从2008年开始，Intel所引领的CPU行业已经全面升级到了智能CPU的时代。
2012年4月23日，Intel下一代22nm制程Ivy Bridge处理器正式发布，Intel首批发布的Ivy Bridge处理器为15款i5、i7四核心处理器。采用了22nm的工艺，Intel称，这种处理器的性能提高了20%，并且耗电量减少了20%。并首次采用了一种研制11年的3D晶体管技术，把二维晶体管升级到三维“三栅晶体管”。
2013年6月4日，Intel发布了第四代处理器，即第四代酷睿处理器Haswell，如图2.9所示，是Intel第四代CPU架构，功耗控制和小巧的体型非常适合在超级本平台上大显身手。
2015年CPU的市场上出现了第五代酷睿Broadwell和第六代酷睿Skylake，它们采用了14nm 制程，架构保持不变，在功耗和性能方面有显著的提高。Broadwell比Haswell带来了30%的功 耗改进。第六代酷睿Skylake处理器如图2.10所示，同样采用14nm工艺，是Haswell微架构及 制程的改进版，发布时间只比Broadwell晚了7个月，但产品定位却不及Broadwell高，所以出现了第六代产品性能反而不及第五代产品的怪现象。
图2.9 Haswell处理器
图2.10 Skylake处理器
2016年8月31日，基于Skylake架构的第七代智能英特尔®酷睿™Kaby Lake处理器发布，其为打造极致沉浸式的互联网体验而生。它采用了最新的14nm处理器，可以在0.5s内唤醒个人计算机，以高8倍的速度制作和编辑4K视频，可以连接到支持Thunderbolt™3技术的所有设备，能提供高达40Gbit/s的USB-C速度，提供到可连接设备最快最通用的连接。Y系列和U系列处理器采用了超线程技术，支持双核四线程。
Kaby Lake处理器的最低功耗为4.5W，可以轻松实现连续9.5小时4K UHD视频，以及连续10小时的1080P视频播放。首发的Kaby Lake Y/U系列都是“2 2”设计，即双核心CPU、GT2 GPU核显，而且都支持超线程，热设计功耗分别是4.5W、15W，支持DDR3L-1600、LPDDR3-1866、DDR4-2133内存，如图2.11所示。
Intel 10nm工艺的Cannonlake（Skylake的下一代）架构本应该于2017年初期发布，然而Intel却选择了14nm的Kaby Lake架构进行过渡。先进的工艺可以帮助Intel在芯片基础架构内塞进更多的晶体管和核心数量，额外元件的集成、专用的加速器和高速缓存这些先进的技术都会引入到CPU的生产中，相信在未来，Intel一定会推出10nm工艺的产品。
图2.11 Intel Kaby Lake处理器
3.主流CPU简介
目前个人计算机用CPU市场上主要有Intel与AMD两大制造厂商，两家厂商各有特色，高、中、低端的产品线都很齐全，目前主流的CPU介绍如下。
（1）Intel系列处理器
Intel的处理器在市场份额和商业利润方面相比于AMD都占有很大的优势。现在市面上主要有酷睿2系列处理器和酷睿i系列处理器。
①Core 2 Duo系列（酷睿双核）
采用Core 2微架构，使处理器在整体功耗降低40%的同时，性能提高了40%，前端总线频率FSB提升至1333MHz，L2高速缓存最高达6MB，TDP仅为65W。接口为LGA775，全新的智能缓存技术提高了双核心乃至多核心处理器的工作效率。目前Core 2 Duo系列主要有Core 2 Duo E7200、E8200、E8300、E8400、E8500及E8600等。
②酷睿i系列
Core i7即酷睿i7处理器，是Intel 2008年推出的64位四核心CPU，沿用了X86-64指令集，并以Intel Nehalem微架构为基础，取代了Intel Core 2系列处理器。在功耗不变的前提下，酷睿i7处理器对视频编缉、大型游戏和其他互联网及计算机应用的运行速度提升可达40%。酷睿i系列包括Bloomfield（2008年）、Lynnfield（2009年）、Clarksfield（2009年）、Arrandale（2010年）、Gulftown（2010年）、Sandy Bridge（2011年）及Ivy Bridge（2012年）等多款子系列。例如Core i7 3820采用LGA 2011接口、主频为3.6GHz，Turbo到3.9GHz，有10MB三级缓存，TDP为130W。
酷睿i5处理器是酷睿i7派生的中低级版本，包括Lynnfield（2009年）、Clarkdale（2010年）、Arrandale（2010年）及Sandy Bridge（2011年）等多款子系列，同样基于Intel Nehalem微架构。与Core i7支持三通道存储器不同，Core i5只集成双通道DDR3存储器控制器。另外，Core i5会集成一些北桥的功能，集成PCI-Express控制器。接口亦与Core i7的LGA 1366不同，Core i5采用全新的LGA 1156。处理器核心方面，代号Lynnfiled，采用45nm制程的Core i5会有4个核心，不支持超线程技术，总共仅提供4个线程；L2缓冲存储器方面，每一个核心拥有各自独立的256KB，并且共享一个达8MB的L3缓冲存储器。
酷睿i3可以看做是酷睿i5的简化版本，可以分为i3-530、i3-540和i3-550等3种型号，均采用Clarkdale架构，双核心设计，支持超线程，采用32nm工艺；主频为2.93～3.06GHz，外频133MHz，倍频22～23；集成4MB三级高速缓存，处理器内部整合北桥功能和GPU部分，并且还特别针对高清视频进行优化，达到流畅播放的目的；支持双通道DDR3 1333/1066规格内存。
③第六代智能Intel®酷睿™处理器
第六代智能Intel®酷睿™处理器基于新的Skylake微处理器架构，该架构采用了Intel领先的14nm制程技术，包括酷睿m3、m5和m7三个不同品牌级别。它是一款未锁频的移动“K”处理器，允许用户进行超频等更多自主控制，赋予用户更加自由的选择，在有史以来最低的功耗水平上，带来了更高的性能和全新的沉浸式体验；支持最广泛的计算设备，遍及从计算棒，到2合1设备、大屏高清一体机、移动工作站的各种设计。
除核心处理性能与显卡处理性能有极大提升外，第六代智能Intel®酷睿™处理器还带给用户很多全新的体验，比如实感技术、语音助手技术、WiFi无线显示技术、全高清4K的视频流等创新技术。与第五代相比，第六代智能Intel®酷睿™处理器的计算能力提升了60%。借助Intel Speed Shift技术，系统响应速度可提升20%～45%。第六代智能Intel®酷睿™处理器配对了新的LGA 1151插槽和100系列芯片组，支持最新的DDR4 内存，搭载Z170芯片组和Core i7-6700K的PC，支持处理20条PCI-E 3.0通道，每条通道的带宽也提高到了8Gbit/s，PCI-E增加约40%的带宽，总线带宽提高到64Gbit/s，每一条有32Gbit/s。主频为2.7～3.4GHz，睿频3.3～4.0GHz；集成8MB三级高速缓存。
④第七代智能Intel®酷睿™处理器
第七代智能Intel®酷睿™处理器于2016年9月发布，包括智能Intel®酷睿™m3处理器、智能Intel®酷睿™i3、智能Intel®酷睿™i5及智能Intel®酷睿™i7处理器。Intel的工程与制造团队利用称为“14纳米+”的技术，进一步改进了14nm制程技术。相较于一年前推出的上一代产品，第七代智能Intel®酷睿™处理器令生产效率性能提升了12%，网页性能提升了19%。内核与显卡的性能和功耗均可被动态控制，在需要时能精确地提高性能或降低功耗。
采用兼容USB-C的通用Thunderbolt 3技术的笔记本电脑可提供卓越的I/O体验。只需单一线缆，便可支持多至40Gbit/s的传输速率、2台4K 60 Hz显示器、多至100W的系统充电、外置显卡以及Thunderbolt网络连接，从而显著地提升生产效率。
U系列和Y系列第七代智能Intel®酷睿™处理器的I/O支持第三代PCIe，能够实现8 GT/s的数据传输速率，最新的Intel®快速存储技术支持NVMe PCIe×4 固态硬盘，可充分发挥出第三代PCIe的速度优势。面向Intel®集成传感器解决方案的Intel®Context Sensing SDK，将支持第三方软件厂商开发的传感器增强型应用。
2017年3月，第一批搭载Intel第七代酷睿Kaby Lake处理器的笔记本电脑已全面上市。虽然Kaby Lake还是14nm，但Intel却将其称为“14nm+”，在原有制程工艺的基础上加强了鳍片和晶体管通道应变，不仅降低了驱动电流，困扰Skylake的漏电和功耗问题在Kaby Lake上也能得到改善。按照官方说法，在14nm+的帮助下，Kaby Lake可带来12%的工艺性能提升，而这也是新产品大幅提升频率的同时保持功耗不变的关键。最终，Kaby Lake与计划中的10nm工艺失之交臂，但Intel还是通过较大幅度地提升主频加以弥补。
（2）AMD系列处理器
AMD的CPU以低廉的价格、强劲的性能和极佳的超频潜力著称，是Intel的主要竞争对手。目前市场上AMD所生产的处理器也是种类繁多。在PC处理器方面主要有面向中低端的速龙II系列产品和面向中高端的羿龙II系列产品；另外还有APU和高端的FX系列处理器。
AMD速龙II系列产品有双核（X2）、三核（X3）和四核（X4）3个类别，均采用AMD K10架构、45nm制造工艺，二级缓存最高可达2MB；与羿龙系列不同，该系列产品均不设三级缓存，能耗相对较低，并加入了新一代AMD电源管理技术，在玩3D PC游戏或进行高清内容渲染等重负荷工作时，可将能耗降低40%，根据不同型号，TDP分别为25W、45W到95W不等；内存方面，双核最高支持DDR2-1066MHz和DDR3-1066MHz，X3和X4最高支持DDR2-1066MHz和DDR3-1333MHz。
AMD羿龙II系列产品有双核（X2）、三核（X3）、四核（X4）和六核4个类别，也都采用K10架构、45nm制造工艺，二级缓存可达3MB，三级缓存可达6MB，主频最高可达3.6GHz；能耗方面，通过在运行过程中关闭处理器不用的部分，降低了处理器能耗，TDP分别为65W、95W到140W不等；具有增强的芯片特性集，设计通过让虚拟化的应用直接快速地访问为其分配的内存，提高现有和未来虚拟化环境的性能、可靠性和安全性。
在其他方面，自2011年第一代APU和第一代FX系列处理器发布后，AMD便开始实行类似Intel的“Tick-Tock”钟摆更新计划。2011年的Bulldozer（推土机）采用了“模块化”的设计，每个“模块”包括两个处理器核心；2012年的Piledriver（打桩机）采用了AM3+接口和模块化设计，是Bulldozer的优化改进版；2014年的Steamroller（压路机）采用了Kaveri架构，作为第一款使用28nm制程的APU，无论从晶体管数量还是核心面积而言Kaveri都刷新了AMD的多项纪录；2016年的Excavator（挖掘机）采用了AM4新接口，需要搭配新规格的芯片组主板，支持DDR4内存、USB 3.1等。
双核时代之后，AMD的处理器性能一直不温不火，特别是目前AMD的主流CPU仍然使用28nm工艺制程，而Intel早已进入了14nm FinFET，性能上的劣势让产品的市场占有率没有太大的提升。2017年推出的AMD ZEN处理器在性能上更有竞争实力。AMD目前的FX处理器还在用32nm，APU是28nm，ZEN处理器则会升级到14nm FinFET工艺。AMD ZEN处理器为8核16线程，每个核心支持2个线程，类似Intel的HT超线程技术，以4个核心为一个群组，每个核心都有自己的32KB一级指令缓存、64KB一级数据缓存、512KB二级缓存、8MB的三级缓存；可以稳定超频4.2GHz，风冷下电压最高1.5V，IPC性能提升达到40%以上，能够与8核版Intel酷睿i7平起平坐。