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计算机组成(硬件系统)
各位计算机协会的成员大家好，很高兴大家能陪我们走过这段难忘的时光。为了让大家 更好的学到东西，我们特地将计算机方面的东西整理成技术文档，共大家使用，祝大家学得 愉快！ -----------湘信院计算机协会一：计算机工作原理计算机相信大家应该都会使用了，但有很多人都不知道计算机的组成，今天我们就跟 大家介绍下计算机组成原理:计算机硬件系统计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物 理部件组成，它们都是看得见摸得着的，故通常称为硬件，它是计算机系统的物质基础。 绝大多数计算机都是根据冯? 诺依曼计算机体系结构的思想来设计的。故具有共同的基本配置，即由五 大部件组成：主机部分由运算器、控制器、存储器组成，外设部分由输入设备和输出设备组成，其中核心 部件是运算器。这种硬件结构也可称为冯? 诺依曼结构，如图 1-1 所示。图 1-1 计算机硬件的基本组成 计算机硬件的基本组成演示 计算机各部件之间的联系是通过两股信息流动而实现的，宽的一股代表数据流，窄的代表控制流。数 据由输入设备输入至运算器，再存于存储器中，在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算， 运算的中间结果存入存储器，或由运算器经输出设备输出。指令也以数据形式存于存储器中，运算时指令 由存储器送入控制器，由控制器产生控制流控制数据流的流向并控制各部件的工作，对数据流进行加工处 理。 1. 运算器 运算器是完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件。运算器由累加器（用符号 A 表示）、通用寄存器 （用符号 B 表示）和算术逻辑单元（用符号 ALU 表示）组成，其结构如图 1-2 所示，其核心是算术逻辑单 元。图 1-2 运算器结构示意图 通用寄存器 B 用于暂存参加运算的一个操作数，此操作数来自总线。现代计算机的运算器有多个寄存 器，称之为通用寄存器组。 累加器 A 是特殊的寄存器，它既能接受来自总线的二进制信息作为参加运算的一个操作数，向算术逻 辑单元 ALU 输送，又能存储由 ALU 运算的中间结果和最后结果。算术逻辑单元由加法器及控制门等逻辑 电路组成，以完成 A 和 B 中的数据的各种算术与逻辑运算。 运算器一次运算二进制数的位数，称为字长。它是计算机的重要性能指标。常用的计算机字长有 8 位、 16 位、32 位及 64 位。寄存器、累加器的长度应与 ALU 的字长相等。 2. 存储器 存储器的主要功能是存放程序和数据。不管是程序还是数据，在存储器中都是用二进制的形式表示， 统称为信息。 目前，计算机采用半导体器件来存储信息。数字计算机的最小信息单位称为位（bit），即一个二进制 代码。能存储一位二进制代码的器件称为存储元。 通常，CPU 向存储器送入或从存储器取出信息时，不能存取单个的“位”，而是用 B（字节）和 W（字） 等较大的信息单位来工作。一个字节由 8 位二进制位组成，而一个字则至少由一个以上的字节组成。通常 把组成一个字的二进制位数叫做字长。 在存储器中把保存一个字节的 8 位触发器称为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的。每个 存储单元对应一个编号，用二进制编码表示，称为存储单元地址。向存储器中存数或者从存储器中取数， 都要将给定的地址进行译码，找到相应的存储单元。存储单元的地址只有一个，固定不变，而存储在存储 单元中的信息是可以更换的。图 1-3 存储器组成框图存储器组成框图演示 存储器所有存储元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位 KB，MB（1B＝1 个字节＝8 位二进制 代码）来表示。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。 半导体存储器的存储容量有限，计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外 存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。 3. 控制器 控制器是全机的指挥中心，它控制各部件动作，使整个机器连续地、有条不紊地运行。控制器工作的 实质就是解释程序。 控制器每次从存储器读取一条指令，经过分析译码，产生一串操作命令，发向各个部件，进行相应的 操作。接着从存储器取出下一条指令，再执行这条指令，依次类推。通常把取指令的一段时间叫做取指周 期，而把执行指令的一段时间叫做执行周期。因此，控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中，直 至程序执行完毕。 在早期的计算机术语中，通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器。简称 CPU，而将 CPU 和存 储器 等设备合在一起称为主机。 4. 输入输出设备 输入设备是变换输入形式的部件。它将人们的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式。目前 常用的输入设备是键盘、鼠标器、数字扫描仪以及模数转换器等。 输出设备是变换计算机输出信息形式的部件。它将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其它设 备能接收和识别的形式，如字符、文字、图形、图像、声音等。目前广为使用的输出设备有激光印字机、 绘图仪、CRT 显示器等。 计算机的输入／输出设备通常为外围设备。这些外围设备种类繁多速度各异，因而它们不能直接地同 高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机联系。适配器的作用相当于一个转换器。它可以保证 外围设备按计算机系统所要求的形式发送或接收信息，使主机和外围设备并行协调地工作。 外存储器也是计算机中重要的外围设备，它既可以作为输入设备，也可以作为输出设备。此外，它还 有存储信息的功能，常常作为辅助存储器使用。 5. 总线 计算机硬件之间的联接线路分为网状结构与总线结构。 绝大多数计算机都采用总线(BUS)结构。 系统总 线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在各 系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。二：计算机硬件构成个人计算机由主板、CPU、内存条、硬盘、显卡、电源、光驱等 构成，下面我们将一一介绍下这些组件以及他们发生故障后的情况 一、主板 主板，又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板 (motherboard)；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。 主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电 路系统，一般有 BIOS 芯片、I/O 控制芯片、键盘和面板控制开关接 口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等 元件。主板特点iker extreme 主板主板采用了开放式结构。主板上大都有 6-8 个扩展插槽，供 PC 机外围设备 的控制卡(适配器)插接。通过更换这些插卡，可以对微机的相应子系统进 行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。 总之，主板 在整个微机系统中扮演着举足轻重的角色。可以说，主板的类型和档次决 定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。 工作原理 在电路板下面，是错落有致的电路布线；在上面，则为棱角分明的各 个部件：插槽、芯片、电阻、电容等。当主机加电时，电流会在瞬间通过 CPU、南北桥芯片、内存插槽、AGP 插槽、PCI 插槽、IDE 接口以及主板边缘 的串口、并口、PS/2 接口等。随后，主板会根据 BIOS（基本输入输出系统） 来识别硬件，并进入操作系统发挥出支撑系统平台工作的功能 。 主板分类 常见的 PC 机主板的分类方式有以下几种： 按主板芯片分类INTEL: Socket386、 Socket486、 Socket586、 Socket686、 Socket370(810 主板、815 主板)、Socket478(845 主板、865 主板)、LGA 775(915 主板、 945 主板、965 主板、G31 主板、P31 主板、G41 主板、P41 主板)、LGA 1156 （H55 主板、H57 主板、P55 主板、P57 主板、Q57 主板、X58 主板)、LGA 1155 （H61 主板、H67 主板、P67 主板)。 AMD:Socket AM2 (770 主板、780G 主板，785G 主板、790GX 主板）、 AM2+（同 AM2)、AM3（870G 主板、880G 主板、890GX 主板、890FX 主板) 同一级的 CPU 往往也还有进一步的划分，如奔腾主板，就有是否支持 多能奔腾(P55C，MMX 要求主板内建双电压)， 是否支持 Cyrix 6x86、 AMD 5k86 (都是奔腾级的 CPU，要求主板有更好的散热性)等区别。 按主板上 I/O 总线的类型分类iker extreme 主板-华硕?ISA(Industry Standard Architecture)工业标准体系结构总线. ?EISA(Extension Industry Standard Architecture)扩展标准体系 结构总线. ?MCA(Micro Channel)微通道总线. 此外，为了解决 CPU 与高速外设 之间传输速度慢的&瓶颈&问题，出现了两种局部总线，它们是： ?VESA(Video Electronic Standards Association)视频电子标准协会 局部总线，简称 VL 总线. ?PCI(Peripheral Component Interconnect)外围部件互连局部总线， 简称 PCI 总线. 486 级的主板多采用 VL 总线，而奔腾主板多采用 PCI 总线。 目前，继 PCI 之后又开发了更外围的接口总线，它们是：USB(Universal Serial Bus)通用串行总线。IEEE1394(美国电气及电子工程师协会 1394 标 准)俗称&火线(Fire Ware)&。 按逻辑控制芯片组分类这些芯片组中集成了对 CPU、CACHE、I/0 和总线的控制 586 以上的主 板对芯片组的作用尤为重视。 Intel 公司出品的用于 586 主板的芯片组有： LX 早期的用于 Pentium 60 和 66MHz CPU 的芯片组 ?NX 海王星(Neptune)，支持 Pentium 75 MHz 以上的 CPU，在 Intel 430 FX 芯片组推出之前很流行，现在已不多见。 ?FX 在 430 和 440 两个系列中均有该芯片组，前者用于 Pentium，后者 用于 Pentium Pro。HX Intel 430 系列，用于可靠性要求较高的商用微机。 VX Intel 430 系列，在 HX 基础上针对普通的多媒体应用作了优化和精简。 有被 TX 取代的趋势。TX Intel 430 系列的最新芯片组，专门针对 Pentium MMX 技术进行了优化。GX、KX Intel 450 系列，用于 Pentium Pro，GX 为 服务器设计，KX 用于工作站和高性能桌面 PC。MX Intel 430 系列，专门用 于笔记本电脑的奔腾级芯片组，参见《Intel 430 MX 芯片组》。 非 Intel 公司的芯片组有：VT82C5xx 系列 VIA 公司出品的 586 芯片组。 ?SiS 系列 SiS 公司出品，在非 Intel 芯片组中名气较大。 ?Opti 系列 Opti 公司出品，采用的主板商较少。 按主板结构分类 ?AT 标准尺寸的主板，IBM PC/A 机首先使用而得名，有的 486、586 主板也采用 AT 结构布局 ?Baby AT 袖珍尺寸的主板，比 AT 主板小，因而得名。很多原装机的 一体化主板首先采用此主板结构 ?ATX &127; 改进型的 AT 主板，对主板上元件布局作了优化，有更好 的散热性和集成度，需要配合专门的 ATX 机箱使用 ?一体化(All in one) 主板上集成了声音，显示等多种电路，一般不 需再插卡就能工作，具有高集成度和节省空间的优点，但也 有维修不便和 升级困难的缺点。在原装品牌机中采用较多px865pe pro 主板?NLX Intel 最新的主板结构，最大特点是主板、CPU 的升级灵活方便有效， 不再需要每推出一种 CPU 就必须更新主板设计 此外还有一些上述主板的变 形结构，如华硕主板就大量采用了 3/4 Baby AT 尺寸的主板结构。按功能分类 ?PnP 功能 带有 PnP BIOS 的主板配合 PnP 操作系统(如 Win95)可帮助 用户自动配置主机外设，做到&即插即用& ?节能(绿色)功能 一般在开机时有能源之星(Energy Star)标志，能 在用户不使用主机时自动进入等待和休眠状态，在 此期间降低 CPU 及各部 件的功耗 ?无跳线主板 这是一种新型的主板，是对 PnP 主板的进一步改进。在 这种主板上，连 CPU 的类型、工作电压等都无须用跳线开关，均 自动识别， 只需用软件略作调整即可。经过 Remark 的 CPU 在这种主板上将无所遁形. 486 以前的主板一般没有上述功能， 以上的主板均配有 PnP 和节能功能， 586 部分原装品牌机中还可通过主板控制主机电源 的通断，进一步做到智能开 /关机，这在兼容机主板上还很少见，但肯定是将来的一个发展方向。无跳 线主板将是主板发 展的另一个方向。 其它主板分类方法 ?按主板的结构特点分类还可分为基于 CPU 的主板、基于适配电路的 主板、一体化主板等类型。基于 CPU 的一体化的主板是 目前较佳的选择。 ?按印制电路板的工艺分类又可分为双层结构板、四层结构板、六层 结构板等；目前以四层结构板的产品为主。 ?按元件安装及焊接工艺分类又有表面安装焊接工艺板和 DIP 传统工 艺板。 按 CPU 插座分类，如 Socket 7 主板、Slot 1 主板等。 按存储器容量分类，如 16M 主板、32M 主板、64M 主板等。 按是否即插即用分类，如 PnP 主板、非 PnP 主板等。 按系统总线的带宽分类，如 66MHz 主板、100MHz 主板等。 按数据端口分类，如 SCSI 主板、EDO 主板、AGP 主板等。 按扩展槽分类，如 EISA 主板、PCI 主板、USB 主板等。 按生产厂家分类，如联想主板、华硕主板、技嘉主板等。 主板的构成 主板的平面是一块 PCB(印刷电路板)，一般采用四层板或六层板。相对 而言，为节省成本，低档主板多为四层板：主信号层、接地层、电源层、 次信号层，而六层板则增加了辅助电源层和中信号层，因此，六层 PCB 的 主板抗电磁干扰能力更强，主板也更加稳定。 主板构成部分 芯片部分t41-a7 主板BIOS 芯片：是一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输 出系统程序。能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调 整 CPU 外频等。BIOS 芯片是可以写入的，这方便用户更新 BIOS 的版本，以 获取更好的性能及对电脑最新硬件的支持，当然不利的一面便是会让主板 遭受诸如 CIH 病毒的袭击。 南北桥芯片：横跨 AGP 插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。南 桥多位于 PCI 插槽的上面；而 CPU 插槽旁边，被散热片盖住的就是北桥芯 片。芯片组以北桥芯片为核心，一般情况，主板的命名都是以北桥的核心 名称命名的（如 P45 的主板就是用的 P45 的北桥芯片）。北桥芯片主要负 责处理 CPU、内存、显卡三者间的“交通”，由于发热量较大，因而需要散 热片散热。南桥芯片则负责硬盘等存储设备和 PCI 之间的数据流通。南桥 和北桥合称芯片组。芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。需要 注意的是，AMD 平台中部分芯片组因 AMD CPU 内置内存控制器，可采取单芯 片的方式，如 nVIDIA nForce 4 便采用无北桥的设计。从 AMD 的 K58 开始， 主板内置了内存控制器，因此北桥便不必集成内存控制器，这样不但减少 了芯片组的制作难度，同样也减少了制作成本。现在在一些高端主板上将 南北桥芯片封装到一起，只有一个芯片，这样大大提高了芯片组的功能。 RAID 控制芯片：相当于一块 RAID 卡的作用，可支持多个硬盘组成各种 RAID 模式。目前主板上集成的 RAID 控制芯片主要有两种：HPT372 RAID 控 制芯片和 Promise RAID 控制芯片。 扩展槽部分 所谓的“插拔部分”是指这部分的配件可以用“插”来安装，用 “拔”来反安装。 内存插槽：内存插槽一般位于 CPU 插座下方。图中的是 DDR SDRAM 插 槽，这种插槽的线数为 184 线。 AGP 插槽：颜色多为深棕色，位于北桥芯片和 PCI 插槽之间。AGP 插槽 有 1×、2×、4×和 8×之分。AGP4×的插槽中间没有间隔，AGP2×则有。在 PCI Express 出现之前，AGP 显卡较为流行，其传输速度最高可达到 2133MB/s(AGP8×）。 PCI Express 插槽：随着 3D 性能要求的不断提高，AGP 已越来越不能 满足视频处理带宽的要求，目前主流主板上显卡接口多转向 PCI Exprss。 PCI Exprss 插槽有 1×、2×、4×、8×和 16×之分。注:目前主板支持双 卡:(NVIDIA SLI/ ATI 交叉火力)超耐久 3 羿龙主板PCI 插槽：PCI 插槽多为乳白色，是主板的必备插槽，可以插上软 Modem、 声卡、股票接受卡、网卡、多功能卡等设备。 CNR 插槽：多为淡棕色，长度只有 PCI 插槽的一半，可以接 CNR 的软 Modem 或网卡。这种插槽的前身是 AMR 插槽。CNR 和 AMR 不同之处在于：CNR 增加了对网络的支持性，并且占用的是 ISA 插槽的位置。共同点是它们都 是把软 Modem 或是软声卡的一部分功能交由 CPU 来完成。这种插槽的功能 可在主板的 BIOS 中开启或禁止。 对外接口部分 硬盘接口：硬盘接口可分为 IDE 接口和 SATA 接口。在型号老些的主板 上，多集成 2 个 IDE 口，通常 IDE 接口都位于 PCI 插槽下方，从空间上则 垂直于内存插槽(也有横着的)。而新型主板上，IDE 接口大多缩减，甚至没 有，代之以 SATA 接口。 软驱接口：连接软驱所用，多位于 IDE 接口旁，比 IDE 接口略短一些， 因为它是 34 针的，所以数据线也略窄一些。 COM 接口(串口)： 目前大多数主板都提供了两个 COM 接口， 分别为 COM1 和 COM2，作用是连接串行鼠标和外置 Modem 等设备。COM1 接口的 I/O 地址 是 03F8h-03FFh，中断号是 IRQ4；COM2 接口的 I/O 地址是 02F8h-02FFh， 中断号是 IRQ3。由此可见 COM2 接口比 COM1 接口的响应具有优先权，现在 市面上已很难找到基于该接口的产品。 PS/2 接口：PS/2 接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。一 般情况下，鼠标的接口为绿色、键盘的接口为紫色。PS/2 接口的传输速率 比 COM 接口稍快一些，但这么多年使用之后，虽然现在绝大多数主板依然 配备该接口，但支持该接口的鼠标和键盘越来越少，大部分外设厂商也不再推出基于该接口的外设产品，更多的是推出 USB 接口的外设产品，不过 值得一提的时候，由于该接口使用非常广泛，因此很多使用者即使在使用 USB 也更愿意通过 PS/2-USB 转接器插到 PS/2 上使用， 外加键盘鼠标每一代 产品的寿命都非常长，因此接口现在依然使用效率极高，但在不久的将来， 被 USB 接口所完全取代的可能性极高。 USB 接口： USB 接口是现在最为流行的接口， 最大可以支持 127 个外设， 并且可以独立供电，其应用非常广泛。USB 接口可以从主板上获得 500mA 的 电流，支持热拔插，真正做到了即插即用。一个 USB 接口可同时支持高速 和低速 USB 外设的访问，由一条四芯电缆连接，其中两条是正负电源，另 外两条是数据传输线。高速外设的传输速率为 12Mbps，低速外设的传输速 率为 1.5Mbps。此外，USB2.0 标准最高传输速率可达 480Mbps。USB3.0 已 经开始出现在最新主板中，将不久会被推广。 LPT 接口(并口)：一般用来连接打印机或扫描仪。其默认的中断号是 IRQ7，采用 25 脚的 DB-25 接头。并口的工作模式主要有三种：1、SPP 标准 工作模式。SPP 数据是半双工单向传输，传输速率较慢，仅为 15Kbps，但 应用较为广泛，一般设为默认的工作模式。2、EPP 增强型工作模式。EPP 采用双向半双工数据传输，其传输速率比 SPP 高很多，可达 2Mbps，目前已 有不少外设使用此工作模式。3、ECP 扩充型工作模式。ECP 采用双向全双 工数据传输，传输速率比 EPP 还要高一些，但支持的设备不多。现在使用 LPT 接口的打印机与扫描仪已经基本很少了， 多为使用 USB 接口的打印机与 扫描仪。华硕主板MIDI 接口：声卡的 MIDI 接口和游戏杆接口是共用的。接口中的两个针脚用 来传送 MIDI 信号，可连接各种 MIDI 设备，例如电子键盘等，现在市面上 已很难找到基于该接口的产品。 SATA 接口：SATA 的全称是 Serial Advanced Technology Attachment （串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口），是由 Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor 和 Seagate 公司共同提出的硬盘接口规范， 在 IDF Fall 2001 大会上，Seagate 宣布了 Serial ATA 1.0 标准，正式宣 告了 SATA 规范的确立。SATA 规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了 150MB/s，比 PATA 标准 ATA/100 高出 50%，比 ATA/133 也要高出约 13%，而随着未来后续版本的发展，SATA 接口的速率还可扩展到 2X 和 4X（300MB/s 和 600MB/s）。从其发展计划来看，未来的 SATA 也将通过提升时钟频率来 提高接口传输速率，让硬盘也能够超频。 选购主板原则主板电脑的主板对电脑的性能来说，影响是很重大的。曾经有人将主板 比喻成 建筑物的地基，其质量决定了建筑物坚固耐用与否；也有人形象地将主板 比作高架桥，其好坏关系着交通的畅通力与流速。 工作稳定，兼容性好。 功能完善，扩充力强。 使用方便，可以在 BIOS 中对尽量多参数进行调整。 厂商有更新及时、内容丰富的网站，维修方便快捷。 价格相对便宜，即性价比高。 常见问题解答 主板上南北桥的区别 答：一个主板上最重要的部分可以说就是主板的芯片组了，主板的芯 片组一般由北桥芯片和南桥芯片组成，两者共同组成主板的芯片组。北桥 芯片主要负责实现与 CPU、内存、AGP 接口之间的数据传输，同时还通过特 定的数据通道和南桥芯片相连接。北桥芯片的封装模式最初使用 BGA 封装 模式，到现在 Intel 的北桥芯片已经转变为 FC-PGA 封装模式，不过为 AMD 处理器设计的主板北桥芯片到现在依然还使用传统的 BGA 封装模式。南桥 芯片相比北桥芯片来讲，南桥芯片主要负责和 IDE 设备、PCI 设备、声音设 备、网络设备以及其他的 I/O 设备的沟通，南桥芯片到目前为止还只能见 到传统的 BGA 封装模式一种。另外，除了传统的南北桥芯片的分类方法外， 现在还能够见到一体化的设计方案，这种方案经常在 NVIDIA、SiS 的芯片组上见到，将南北桥芯片合为一块芯片，这种设计方案有着独到之处，对 于节省成本，提高产品竞争力有一定的意义，不过到目前，除了小部分主 板外，还没有非常广泛的推广开来。 开机主板鸣叫原因 Award BIOS 1 短：系统正常启动。表明机器没有任何问题。 2 短：常规错误，请进入 CMOS Setup，重新设置不正确的选项。 1 长 1 短：内存或主板出错。换一条内存试试，若还是不行，只好更换 主板。 1 长 2 短：显示器或显示卡错误。 1 长 3 短：键盘控制器错误。检查主板。 1 长 9 短：主板 Flash RAM 或 EPROM 错误，BIOS 损坏。换块 Flash RAM 试试。 不断地响(长声)：内存条未插紧或损坏。重插内存条，或更换内存。 不停地报警：电源、显示器未和显示卡连接好。检查一下所有的插头。 重复短声报警：电源有问题。 无报警无显示：电源有问题。 AMI BIOS 1 短：内存刷新失败。更换内存条。 2 短：内存 ECC 较验错误。在 CMOS Setup 中将内存关于 ECC 校验的选 项设为 Disabled 就可以解决，不过最根本的解决办法还是更换一条内存。 3 短：系统基本内存检查失败。换内存。 4 短：系统时钟出错。 5 短：CPU 出现错误。 6 短：键盘控制器错误。 7 短：系统实模式错误，不能切换到保护模式。 8 短：显示内存错误。显示内存有问题，更换显卡试试。 9 短：BIOS 芯片检验和错误。 1 长 3 短：内存错误。内存损坏，更换即可。 1 长 8 短：显示测试错误。显示器数据线没插好或显示卡没插牢。 Phoenix BIOS 1 短：系统启动正常 1 短 1 短 1 短：系统初始化失败 1 短 1 短 2 短：主板错误 1 短 1 短 3 短：CMOS 或电池失效 1 短 1 短 4 短：ROM BIOS 校验错误 1 短 2 短 1 短：系统时钟错误1 短 2 短 2 短：DMA 初始化失败 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 2 3 3 3 4 4 4 4 1 1 1 1 1 2 3 4 4 2 2 2 2 3 3 3 4 4 4 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 短 3 1 2 3 1 2 3 4 1 1 2 3 4 4 4 2 3 1 2 3 4 1 3 4 1 2 3 短：DMA 页寄存器错误 短：RAM 刷新错误 短：基本内存错误 短：基本内存错误 短：基本内存地址线错误 短：基本内存校验错误 短：EISA 时序器错误 短：EISA NMI 口错误 短：前 64K 基本内存错误 短：从 DMA 寄存器错误 短：主 DMA 寄存器错误 短：主中断处理寄存器错误 短：从中断处理寄存器错误 短：键盘控制器错误 短：显示内存错误 短：显示错误 短：时钟错误 短：时钟错误 短：关机错误 短：A20 门错误 短：保护模式中断错误 短：内存错误 短：时钟 2 错误 短：时钟错误 短：串行口错误 短：并行口错误 短：数字协处理器错误主板故障原因 主板产生故障的原因，一般有三个方面： 人为故障 有些朋友，电脑操作方面的知识懂得较少，在操作时不注意操作规范 及安全，这样对电脑的有些部件将会造成损伤。如带电插拔设备及 板卡， 安装设备及板卡时用力过度，造成设备接口、芯片和板卡等损伤或变形， 从而引发故障。环境引发故障 因外界环境引起的故障，一般是指人们在未知的情况下或不可预测、 不可抗拒的情况下引起的。如雷击、市电供电不稳定，它可能会直接损坏 主板，这种情况下人们一般都没有办法预防；外界环境引起的另外一种情 况，就是因温度、湿度和灰尘等引起的故障。这种情况表现出来的症状有： 经常死机、重启或有时能开机有时又不能开机等，从而造成机器的性能不 稳定。 元器件质量引起故障 这种情况是指主板的某个元器件因本身质量问题而损坏。这种故障一 般会导致主板的某部分功能无法正常使用，系统无法正常启动，自检过程 中报错等现象。 主板维修 主板故障往往表现为系统启动失败、屏幕无显示、有时能启动有时又 启动不了等难以直观判断的故障现象。在对主板的故障进行检查维修时， 一般采用“一看、二听、三闻、四摸”的维修原则。就是观察故障现象、 听报警声、闻是否有异味、用手摸某些部件是否发烫等。下面列举几种常 见主板的维修方法，每种方法都有自己的优势和局限性，一般要几种方法 相结合使用。 清洁法 这种方法一般用来解决因主板上灰尘太多，灰尘带静电造成主板无法 正常工作的故障，可用毛刷清除主板上的灰尘。另外，主板上一般接有很 多的外接板卡，这些板卡的金手指部分可能被氧化，造成与主板接触不良， 这种问题可用橡皮擦擦去表面的氧化层。 观察法 主要用到“看、摸”的技巧。在关闭电源的情况下，看各部件是否接 插正确，电容、电阻引脚是否接触良好，各部件表面是否有烧焦、开裂的 现象，各个电路板上的铜箔是否有烧坏的痕迹。同时，可以用手去触摸一 些芯片的表面，看是否有非常发烫的现象。 替换法当对一些故障现象不能确定究竟是由哪个部件引起的时候，可以对怀 疑的部件通过替换法来排除故障。可以把怀疑的部件拿到好的电脑上去试， 同时也可以把好的部件接到出故障的电脑上去试。如：内存在自检时报错 或容量不对，就可以用此方法来判断引起故障的真正元凶。 软件诊断法 这里我们一般指通过随机附带的诊断程序或系统测试软件去测试。一 般用于检查各种接口电路故障 主板故障解决实例 电脑主板故障一：开机无显示： 电脑开机无显示，首先我们要检查的就是是 BIOS。主板的 BIOS 中储存 着重要的硬件数据， 同时 BIOS 也是主板中比较脆弱的部分， 极易受到破坏， 一旦受损就会导致系统无法运行， 出现此类故障一般是因为主板 BIOS 被 CIH 病毒破坏造成（当然也不排除主板本身故障导致系统无法运行。）。一般 BIOS 被病毒破坏后硬盘里的数据将全部丢失，所以我们可以通过检测硬盘 数据是否完好来判断 BIOS 是否被破坏，如果硬盘数据完好无损，那么还有 三种原因会造成开机无显示的现象： 1. 因为主板扩展槽或扩展卡有问题，导致插上诸如声卡等扩展卡后主 板没有响应而无显示。 2. 免跳线主板在 CMOS 里设置的 CPU 频率不对，也可能会引发不显示 故障，对此，只要清除 CMOS 即可予以解决。清除 CMOS 的跳线一般在主板 的锂电池附近，其默认位置一般为 1、2 短路，只要将其改跳为 2、3 短路 几秒种即可解决问题，对于以前的老主板如若用户找不到该跳线，只要将 电池取下，待开机显示进入 CMOS 设置后再关机，将电池上上去亦达到 CMOS 放电之目的。 3. 主板无法识别内存、内存损坏或者内存不匹配也会导致开机无显示 的故障。某些老的主板比较挑剔内存，一旦插上主板无法识别的内存，主 板就无法启动，甚至某些主板不给你任何故障提示（鸣叫）。当然也有的 时候为了扩充内存以提高系统性能，结果插上不同品牌、类型的内存同样 会导致此类故障的出现，因此在检修时，应多加注意。 对于主板 BIOS 被破坏的故障，我们可以插上 ISA 显卡看有无显示（如 有提示，可按提示步骤操作即可。），倘若没有开机画面，你可以自己做 一张自动更新 BIOS 的软盘，重新刷新 BIOS，但有的主板 BIOS 被破坏后， 软驱根本就不工作，此时，可尝试用热插拔法加以解决（我曾经尝试过， 只要 BIOS 相同，在同级别的主板中都可以成功烧录。）。但采用热插拔除 需要相同的 BIOS 外还可能会导致主板部分元件损坏，所以可靠的方法是用写码器将 BIOS 更新文件写入 BIOS 里面（可找有此服务的电脑商解决比较 安全）。 电脑主板故障二：CMOS 设置不能保存： 此类故障一般是由于主板电池电压不足造成，对此予以更换即可，但 有的主板电池更换后同样不能解决问题，此时有两种可能： 1. 主板电路问题，对此要找专业人员维修； 2. 主板 CMOS 跳线问题，有时候因为错误的将主板上的 CMOS 跳线设为 清除选项，或者设置成外接电池，使得 CMOS 数据无法保存。 电脑主板故障三：在 Windows 下安装主板驱动程序后出现死机或光驱 读盘速度变慢的现象。 在一些杂牌主板上有时会出现此类现象，将主板驱动程序装完后，重 新启动计算机不能以正常模式进入 Windows 98 桌面，而且该驱动程序在 Windows 98 下不能被卸载。如果出现这种情况，建议找到最新的驱动重新 安装，问题一般都能够解决，如果实在不行，就只能重新安装系统。电脑 主板故障四：安装 Windows 或启动 Windows 时鼠标不可用 出现此类故障的软件原因一般是由于 CMOS 设置错误引起的。在 CMOS 设置的电源管理栏有一项 modem use IRQ 项目， 他的选项分别为 3、 5??、 4、 NA，一般它的默认选项为 3，将其设置为 3 以外的中断项即可。 电脑主板故障五：电脑频繁死机，在进行 CMOS 设置时也会出现死机现 象 在 CMOS 里发生死机现象，一般为主板或 CPU 有问题，如若按下法不能 解决故障，那就只有更换主板或 CPU 了。 出现此类故障一般是由于主板 Cache 有问题或主板设计散热不良引 起，。对于 Cache 有问题的故障，我们可以进入 CMOS 设置，将 Cache 禁止 后即可顺利解决问题，当然，Cache 禁止后速度肯定会受到有影响。 电脑主板故障六：主板 COM 口或并行口、IDE 口失灵 出现此类故障一般是由于用户带电插拔相关硬件造成，此时用户可以 用多功能卡代替，但在代替之前必须先禁止主板上自带的 COM 口与并行口 （有的主板连 IDE 口都要禁止方能正常使用）。 编辑本段主板 CMOS 电池放电 1. 使用 CMOS 放电跳线 对现时的大多数主板来讲，都设计有 CMOS 放电跳线以方便用户进行放 电操作，这是最常用的 CMOS 放电方法。该放电跳线一般为三针，位于主板 CMOS 电池插座附近，并附有电池放电说明。在主板的默认状态下，会将跳 线帽连接在标识为 “1”和“2”的针脚上，从放电说明上可以知道为 “Normal”，即正常的使用状态。要使用该跳线来放电，首先用镊子或其它工具将跳线帽从 “1”和 “2”的针脚上拔出，然后再套在标识为“2”和“3”的针脚上将它们连接 起来，由放电说明上可以知道此时状态为“Clear CMOS”，即清除 CMOS。 经过短暂的接触后，就可清除用户在 BIOS 内的各种手动设置，而恢复到主 板出厂时的默认设置 字串 3 对 CMOS 放电后，需要再将跳线帽由“2”和“3”的针脚上取出，然后 恢复到原来的“1”和“2”针脚上。 注意， 如果没有将跳线帽恢复到 Normal 状态，则无法启动电脑并会有报警声提示 2. 取出 CMOS 电池 相信有不少用户遇到过下面的情况：要对 CMOS 进行放电，但在主板上 （如华硕主板）却找不到 CMOS 放电的跳线，怎么办呢？此时，可以将 CMOS 供电电池来达到放电的目的。因为 BIOS 的供电都是由 CMOS 电池供应的， 将电池取出便可切断 BIOS 电力供应，这样 BIOS 中自行设置的参数就被清 除了。 在主板上找到 CMOS 电池插座，接着将插座上用来卡住供电电池的卡扣 压向一边，此时 CMOS 电池会自动弹出，将电池小心取出。 字串 4 接着接通主机电源启动电脑， 屏幕上就会提示 BIOS 中的数据已被清除， 需要进入 BIOS 重新设置。这样，便可证明已成功对 CMOS 放电 字串 6 3. 短接电池插座的正负极 取出供电电池来对 CMOS 放电的方法虽然有一定的成功率，但是却不是 万能的，对于一些主板来将，即使将供电电池取出很久，也不能达到 CMOS 放电的目的。遇到这种情况，就需要使用短接电池插座正负极的方法来对 CMOS 放电了。当然，在有 CMOS 放电跳线的主板上，如果大家觉得 CMOS 放 电操作过于麻烦，也可以使用这种方法。 CMOS 电池插座分为正负两极，将它们短接就可以达到放电的目的。首 先将主板上的 CMOS 供电电池取出，然后使用可以有导电性能的物品（螺丝 刀、镊子等导电物品），短接电池插座上的正极和负极就能造成短路（如 下图所示），从而达到 CMOS 放电的目的。 主板驱动 主板驱动是指使计算机能识别你的硬件的驱动程序。如果计算机不能 识别，那就要装上驱动了，但一般用 XP 系统的可以不用，使用起来正常工 作的也可以免了，但一些声卡或显卡如果集成的，那么装上主板的驱动就 相当于把这些显卡声卡的驱动也装上。 主板是电脑的核心，处理器是附着在主板上面的。主板驱动有的是集成在系统盘上的，自带光盘，放入光驱即可安装。 主板驱动主要包括：芯片组驱动、集成显卡驱动、集成网卡驱动、集 成声卡驱动、usb2.0 驱动（xp 系统已含）。 主板厂商 一线品牌 主要特点就是研发能力强，推出新品速度快，产品线齐全，高端产品 非常过硬，目前认可度比较高的是以下三个品牌： 华硕（ASUS）：全球第一大主板制造商，也是公认的主板第一品牌， 做工追求实而不华，高端主板尤其出色，超频能力很强；同时他的价格也 是最高的，另外中低端的某些型号也有相对较差的产品。 微星（MSI）：出货量位居世界前五，一年一度的校园行令微星在大学 生中颇受欢迎。其主要特点是附件齐全而且豪华，但超频能力不算出色， 另外中低端某些型号缩水比较严重，使得造假者经常找到可乘之机。 技嘉（GIGABYTE）：出货量与微星不相上下，一贯以华丽的做工而闻 名，但绝非华而不实，超频方面同样不甚出众，中低端型号与微星一样缩 水，因此也经常受到假货的困扰。准一线品牌 三大厂商都有一个共同的“毛病”，就是把主要注意力都放在 Intel 方面，而对于销量相对较少的 AMD 平台多少都有些漫不经心，于是专心做 DIY 市场的几个主板品牌就崭露头角。在名气上他们虽然比不上三巨头，但 是主板品质丝毫不逊色，因此我们暂且把他们列为准一线品牌： 映泰（BIOSTAR）：世界冠军板，主板界的超频霸主。主板攻破了数不 清的世界纪录，屡屡创造新的奇迹。映泰主板虽然不是什么一线产品，但 是同样是一款明星主板，来自于台系厂商映泰。映泰主板在超频中的能力 是业界公认的，不论在 AMD 平台上还是 INTEL 平台上，映泰主板在超频世 界纪录排行榜上多次占据榜首位置并保持长久。特别是在 INTEL 平台上， 映泰主板的其中两款 P45 双子星 TPower I45 和 TP45 HP 两款主板，半年来 保持着依然保持 E\E7300\ E\E 众多 CPU 超频的世界纪录。最近再一次打破 E7400 处理器世界纪录的依然是 TPower I45，由中国超频领航团队队长谢冠鹏带领下的 Lead aHead，突破了 E7400 处理器 106.42％的极限超频，将主频频率送上 5779.81MHz 的世界纪录。 升技（ABIT）：历来都是把超频作为第一要务，做工用料方面丝毫不 逊色于一线品牌，所以受到诸多 DIYER 的青睐。在国外知名媒体的调查中， 升技都是位列华硕之后而居于次席。由于升技只做 DIY 市场，主板出货量 不算大，在国内名气还差那么一点，所以只能暂居准一线这个位置了。当 前 ABIT 已经破产，所以市面上不再有 ABIT 这个品牌的新型号主板。磐正（EPO）：原名磐英，因为在国内被抢注而更名磐正。与升技的风 格类似，超频能力同样有口皆碑，而且附件更加齐全，价格相对也更为低 廉，因此同样拥有众多的 fans。二线品牌 某些方面略逊于一线品牌，但都具备相当的实力，也有各自的特色： 富士康（FOXCONN）：隶属于台湾鸿海集团，目前主板出货量已经位居 世界第二，直追华硕――当然大多数是 OEM 和代工的。前两年曾经以“富 本” 的品牌进入大陆市场，但无疾而终，真正的自有品牌进入 DIY 市场才 一年有余，目前接受度还不高，产品线也不太齐全，但相信凭借鸿海的实 力完全可以做得更好。 精英（ECS）：出货量曾经一度超过华硕而坐上了头把交椅，但是近两 年不幸被赶超，现在位列世界第三。与其它大厂不同的是，精英一向只走 低价路线，主板做工用料平庸，超频能力几乎等于零，附件也都是最基本 的。不过仅两年精英也力图改变，推出了高端的“ETREME”系列主板，我 们期待着精英更好的表现。 英特尔（INTEL）：单凭这个名字，他的影响力绝对在华硕之上，但是 完完全全是代工的，目前都是富士康制造，做工用料没的说，但是根本不 能超频，附件也很少，为 DIYER 所不齿，比较适合家庭和企业使用。三线 品牌 有制造能力，在保证稳定运行的前提下尽量压低价格，这就是这三线 厂商的主要特征。 盈通 （YESTON）：作为国内较大的板卡供应商， 盈通推出新品的速 度都不落人后，而且在激烈的市场竞争中每每处于产品发布的先锋部队， 带给消费者很多实惠的选择，丰富的产品线以及价格上的优势令盈通品牌 拥有一定的竞争力，所获得的荣誉也是不断，嘉绩频传！ 华擎（ASROCK）：为了不影响自己的高端形象，华硕推出了这个新品 牌，主要目的就是打压包括精英在内的低价主板，由华硕的技术人员设计， 但在深圳生产。技术方面颇有创意，中低端的产品质量比华硕的中低端产 品要好 隽星（MBI）：看到华擎在低端市场风风火火，微星也坐不住了，于是 在 04 年夏天推出了这个品牌，但低端市场已经被华擎占据了大部分 ，隽星 不知能否顶得住。 06 年退出了市场。 倍嘉（APER）：技嘉的低端品牌，目的与隽星一样，而且基本在同一 时间推出，三大厂商在低端市场也将展开火拼。 06 年退出市场 硕泰克（SOLTEK）：原本可以列为二线品牌，主板性价比颇高，而且 曾经给威盛主板代工，但近两年来受价格战影响，主板品质每况愈下，现 在也只能沦为三线品牌了。 07 年退出市场。捷波（JETWAY）：还算是一个说得过去的主板品牌，拥有一系列以“精 灵”命名的特色技术，主板品质一般，曾经把 P4266A 芯片组的主板命名为 “848P”，品牌形象受到很大影响， 顶星（TOPSTAR）：来自深圳的品牌，有独立的研发制造能力，自称要 做中国第一品牌，不过他要走的路还很长。 翔升（ASZ）：同样产自深圳，制造商是东方恒健电子有限公司，拥有 一定的制造能力，还给其他一些品牌做代工，但仅仅是便宜而已，质量并 不出众。 其它厂商：七彩虹、斯巴达克、双敏、昂达、梅捷、美达、奥美嘉、 祺祥、建达兰德、蓝科、同维、钛腾、双捷、三帝、建邦、红船、众成、 致达、智盟、联冠、杰灵、科脑、冠盟、科盟、万邦龙、维斯达、捷嘉、 华基、华美、天虹、丰威、红狐、银狐、翼驰、联胜、杰微、双硕、中凌、 福扬、思普、博达、松立、辉煌、天域、赛风、致铭等。有兴趣的可以去 相关资讯网站上看看。上边的主板厂商比较多，也比较全。 intel 发布的 P35 系列 2006 年 10 月，英特尔向业界宣布，965/975 下一代芯片组将采用全新 的“3”系列命名方式，985 将不复存在。“3”系列芯片组基于 BearLake 架构，分为家用和商用 2 大系列，共计 6 个不同的型号，后来又追加了一 款整合显卡的 G31，目前共有 7 个型号。 BearLake 的 7 个型号中，面向商用的以 Q 开头，包括 Q35 和 Q33；面 向家用的包括高端产品和主流产品两个系列，高端产品有 X38，主流产品有 P35、G35、G33 和后来加入的 G31。其中 G 字开头的都是带有集成显卡的主 板芯片组产品。 ?高端 X38：支持四核心处理器、DDR3-1333 内存、PCI-E 2.0、PCI-E x16×2，前端总线 1333MHz，搭配 ICH9/ICH9R/ICH9DH 南桥，2007 年第三 季度发布。 ?主流 P35：支持 DDR3-1066/DDR2-800 内存、前端总线 1333MHz、搭 配 ICH9/R/DH 南桥，2007 年第二季度发布。 ?家用 G35：支持 DDR2-800 内存、前端总线 1333MHz、支持 Intel 清 晰视频技术(CVT)、)、DirectX 10、搭配 ICH8 南桥、HDCP、1080i H.264、 HD Audio，2007 年第二季度发布。 ?整合 G33：支持 DDR3-1066/DDR2-800 内存、前端总线 1333MHz、支 持 Intel 清晰视频技术(CVT)、DirectX 10、HDCP，搭配 ICH9/R/DH 南桥， 2007 年第三季度发布。 ?商务 Q35：支持 DDR2-800 内存、前端总线 1333MHz、支持 Intel 第 二代主动管理技术 AMT2、虚拟化技术 VT、搭配 ICH9DO 南桥，2007 年第二 季度发布。?精简 Q33：支持 DDR2-800 内存、前端总线 1066MHz、搭配 ICH9/R 南 桥、2007 年第二季度发布。 对于 BearLake 来说，相对于 965/975 最大的改进就在于将 FSB 提升到 了 1333MHz，可以支持英特尔最新的酷睿 2 处理器，而且还将搭配全新的 ICH9 南桥，支持 PCIe 2.0 和 DDR3 内存。但是具体到其中的型号则不尽相 同。其中最高端的 X38 将支持 PCIe 2.0 且提供两个全速的 PCIex16 插槽， 支持 DDR3 1333，搭配 ICH9 南桥；而在市场上唱主角的，无疑是 P35、G35 和 G33 这三款产品。 G33 将整合支持英特尔清晰视频技术（Intel Clear Video Technology） 的显示核心，前端总线升级为 1333 MHz，和 G35 一样都同时支持双核心与 四核心处理器。 但是它的内存规格相对 X38 来说相对保守， 只支持 DDR3-1066 或 DDR2-800。 原定在 G33 之上的是 G35 芯片组。 这里“原计划”指的是 G35 不论在初始规格还是定位上都要高于 G33， 但是后来英特尔对 G35 作了调整。 让我们先来看看 G35 最初的规格：整合了兼容 DirectX 10 的显示核心并提 供对高清内容回放 （HDCP） 的完整支持， 支持 DDR3-1066 和 DDR2-800 内存， 前端总线为 1333 MHz。而 P35 芯片组与 G35 相比唯一不同的地方在于 P35 Express 没有整合显示核心。 英特尔将进一步强化 ICH9 南桥芯片的硬盘功能，除加入全新的 Intel Rapid Recover Technology 数据保护技术外，还将正式支持 Command Based Port Multipliers 技术。 后有 p45 p43 g41 g45 x48 高端 i7+X58 据悉，Intel Rapid Recover Technology 能为用户提供简单快捷的数 据复元功能，它可以把硬盘的镜像备份到另一块称为恢复硬盘 (Recovery Drive)的硬盘上。用户可自行选择当系统进入闲置状态还是在某个指定时 间进行 Recovery Drive 的内容更新 ，以确保 Recovery Drive 发挥最大的 数据保护作用。如果主硬盘出现故障，系统可以直接从 Recovery Drive 启 动，并进行数据复原工作。 此外， Intel 还将在 ICH9 南桥中支持 SATA Port Multiplier 技术。 据主板厂商介绍，目前大部份南桥芯片的 每一个 SATA 接口只能连接一个 SATA 设 备 ， 这 大 大 限 制 了 系 统 支 持 的 硬 盘 数 目 。 但 加 入 SATA Port Multiplier 支持后，每一个 SATA 接口可让多个 SATA 设备分享其 3Gb/s 的 传输频宽，最高可达 15 个 SATA 设备，大幅提高了系统存储设备的扩充能 力。2、CPU 中央处理器 （Central Processing Unit） 的缩写， CPU， 即 CPU 是电脑中的核心配件， 只有火柴盒那么大， 几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中 所有操作都由 CPU 负责读取指令，对指令译码并执行指令 的核心部件。同时，中国药科大学的英语简称也是 CPU （China Pharmaceutical University ） 。作用简介 中央处理器（Central Processing Unit，CPU），是电子计算机的主 要设备之一。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。 所谓的计算机的可编程性主要是指对 CPU 的编程。 CPU 是计算机中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但 它却是一台计算机的运算核心和控制核心。计算机中所有操作都由 CPU 负 责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。 CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机的三大核心部件。 CPU 是由运算器和控制器组成的。 工作原理 基本原理 CPU 的主要运作原理，不论其外观，都是执行储存于被称为程式里的一 系列指令。在此讨论的是遵循普遍的架构设计的装置。程式以一系列数字 储存在电脑记忆体中。差不多所有的 CPU 的运作原理可分为四个阶段：提 取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。Intel 公司 Core（酷睿） 2 系列下的一款 CPU第一阶段，提取，从程式记忆体中检索指令（为数值或一系列数值）。由 程式计数器（Program Counter）指定程式记忆体的位置，程式计数器保存供识别目前程式位置的数值。换言之，程式计数器记录了 CPU 在目前程式 里的踪迹。 提取指令之后，程式计数器根据指令式长度增加记忆体单元。指令的 提取常常必须从相对较慢的记忆体寻找，导致 CPU 等候指令的送入。这个 问题主要被论及在现代处理器的快取和管线化架构（见下）。 CPU 根据从记忆体提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令 被拆解为有意义的片断。根据 CPU 的指令集架构（ISA）定义将数值解译为 指令。 一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行哪些运算。其 它的数值通常供给指令必要的资讯，诸如一个加法（Addition）运算的运 算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值（即立即值），或是一个空 间的定址值：暂存器或记忆体位址，以定址模式决定。 在旧的设计中，CPU 里的指令解码部分是无法改变的硬体装置。不过在 众多抽象且复杂的 CPU 和指令集架构中，一个微程式时常用来帮助转换指 令为各种形态的讯号。这些微程式在已成品的 CPU 中往往可以重写，方便 变更解码指令。 在提取和解码阶段之后，接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种 能够进行所需运算的 CPU 部件。 例如， 要求一个加法运算， 算数逻辑单元 （ALU， Arithmetic Logic Unit） 将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而且在输出 将含有总和结果。ALU 内含电路系统，以于输出端完成简单的普通运算和逻 辑运算（比如加法和位元运算）。如果加法运算产生一个对该 CPU 处理而 言过大的结果，在标志暂存器里，运算溢出（Arithmetic Overflow）标志 可能会被设置（参见以下的数值精度探讨）。 最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结 果经常被写进 CPU 内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其它案例中， 运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体。某些类型 的指令会操作程式计数器， 而不直接产生结果资料。 这些一般称作 “跳转” （Jumps）并在程式中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函式。 许多指令也会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式 行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。 例如，以一个“比较”指令判断两个值的大小，根据比较结果在标志 暂存器上设置一个数值。这个标志可藉由随后的跳转指令来决定程式动向。 在执行指令并写回结果资料之后，程式计数器的值会递增，反覆整个 过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指 令，程式计数器将会修改成跳转到的指令位址，且程式继续正常执行。许 多复杂的 CPU 可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。这个部分一般涉及“经典 RISC 管线”，那些实际上是在众多使用简单 CPU 的电子装置 中快速普及（常称为微控制（Microcontrollers））。 基本结构 CPU 包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。CPU 从存储器或高速 缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解 成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成 一条指令的执行。 指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一 个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数 地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。有的指令中也直接 包含操作数本身。 运算逻辑部件 运算逻辑部件，可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及 逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。 寄存器部件 寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。32 位 CPU 的寄存器通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操 作数和操作结果。 通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通 用寄存器。通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数 目往往可影响内部操作的并行性。 专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。 控制寄存器通常用来指示机器执行的状态，或者保持某些指针，有处 理状态寄存器、地址转换目录的基地址寄存器、特权状态寄存器、条件码 寄存器、处理异常事故寄存器以及检错寄存器等。 有的时候，中央处理器中还有一些缓存，用来暂时存放一些数据指令， 缓存越大，说明 CPU 的运算速度越快，目前市场上的中高端中央处理器都 有 2M 左右的二级缓存。 控制部件 控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行 的各个操作的控制信号。其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以 逻辑硬布线结构为主的控制方式。 微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微 指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中 央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的 顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条 指令的执行。 简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作 甚至几百个微操作组成。 逻辑硬布线控制器则完全是由随机逻辑组成。指令译码后，控制器通 过不同的逻辑门的组合，发出不同序列的控制时序信号，直接去执行一条 指令中的各个操作。 其 他 应用大型、小型和微型计算机的中央处理器的规模和实现方式很不相 同，工作速度也变化较大。中央处理器可以由几块电路块甚至由整个机架 组成。如果中央处理器的电路集成在一片或少数几片大规模集成电路芯片 上，则称为微处理器（见微型机）。 现 状 中央处理器的工作速度与工作主频和体系结构都有关系。中央处理器 的速度一般都在几个 MIPS（每秒执行 100 万条指令）以上。有的已经达到 几百 MIPS 。 速度最快的中央处理器的电路已采用砷[shēn]化镓[jiā]工艺。在提高 速度方面，流水线结构是几乎所有现代中央处理器设计中都已采用的重要 措施。未来，中央处理器工作频率的提高已逐渐受到物理上的限制，而内 部执行性（指利用中央处理器内部的硬件资源）的进一步改进是提高中央 处理器工作速度而维持软件兼容的一个重要方向。 发展过程 CPU 这个名称， 早期是对一系列可以执行复杂的计算机程序或电脑程式 的逻辑机器的描述。这个空泛的定义很容易在“CPU”这个名称被普遍使用 之前将计算机本身也包括在内。 诞 生中央处理器（Intel）但从 20 世纪 70 年代开始，由于集成电路的大规模使用，把本来需要由数 个独立单元构成的 CPU 集成为一块微小但功能空前强大的微处理器时。这 个名称及其缩写才真正在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相 比，CPU 在物理形态、设计制造和具体任务的执行上都有了戏剧性的发展， 但是其基本的操作原理一直没有改变。 1971 年，当时还处在发展阶段的 Intel 公司推出了世界上第一台真正 的微处理器－－4004。这不但是第一个用于计算器的 4 位微处理器，也是 第一款个人有能力买得起的电脑处理器！ 4004 含有 2300 个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的 蓝色巨人 IBM 以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品， 从此以后，Intel 公司便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU 的 历史发展历程其实也就是 Intel 公司 X86 系列 CPU 的发展历程，就通过它 来展开的“CPU 历史之旅”。 起步的角逐中央处理器（Intel）1978 年，Intel 公司再次领导潮流，首次生产出 16 位的微处理器，并命名 为 i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器 i8087，这两种芯片使 用相互兼容的指令集，但在 i8087 指令集中增加了一些专门用于对数、指 数和三角函数等数学计算的指令。由于这些指令集应用于 i8086 和 i8087， 所以人们也把这些指令集中统一称之为 X86 指令集。 虽然以后 Intel 公司又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的 新型 CPU，但都仍然兼容原来的 X86 指令，而且 Intel 公司在后续 CPU 的命 名上沿用了原先的 X86 序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用 阿拉伯数字命名。至于在后来发展壮大的其他公司，例如 AMD 和 Cyrix 等， 在 486 以前（包括 486）的 CPU 都是按 Intel 的命名方式为自己的 X86 系列 CPU 命名，但到了 586 时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题， 它们已经无法继续使用与 Intel 的 X86 系列相同或相似的命名，只好另外 为自己的 586、686 兼容 CPU 命名了。 1979 年，Intel 公司推出了 8088 芯片，它仍旧是属于 16 位微处理器， 内含 29000 个晶体管，时钟频率为 4.77MHz，地址总线为 20 位，可使用 1MB 内存。8088 内部数据总线都是 16 位，外部数据总线是 8 位，而它的兄弟 8086 是 16 位。 微机时代的来临中央处理器（概念图）1981 年，8088 芯片首次用于 IBM 的 PC（个人电脑 Personal Computer）机 中，开创了全新的微机时代。也正是从 8088 开始，PC 的概念开始在全世界 范围内发展起来。 早期的 CPU 通常是为大型及特定应用的计算机而订制。但是，这种昂 贵为特定应用定制 CPU 的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、 适用于一个或多个目的的处理器类。 这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集 成电路的出现而加速。集成电路使得更为复杂的 CPU 可以在很小的空间中 设计和制造出来（在微米的量级）。1982 年，许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候，Intel 公司已经推出 了划时代的最新产品枣 80286 芯片，该芯片比 8086 和 8088 都有了飞跃的 发展，虽然它仍旧是 16 位结构，但是在 CPU 的内部含有 13.4 万个晶体管， 时钟频率由最初的 6MHz 逐步提高到 20MHz。其内部和外部数据总线皆为 16 位，地址总线 24 位，可寻址 16MB 内存。从 80286 开始，CPU 的工作方式也 演变出两种来：实模式和保护模式。中央处理器（AMD 速龙 64FX 概念图）1985 年，Intel 公司推出了 80386 芯片，它是 80X86 系列中的第一种 32 位 微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，与 80286 相比，80386 内部内 含 27.5 万个晶体管， 时钟频率为 12.5MHz， 后提高到 20MHz、 25MHz、 33MHz。 80386 的内部和外部数据总线都是 32 位，地址总线也是 32 位，可寻址高达 4GB 内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟 86 的工作 方式，可以通过同时模拟多个 8086 处理器来提供多任务能力。 除了标准的 80386 芯片，也就是经常说的 80386DX 外，出于不同的市 场和应用考虑，Intel 又陆续推出了一些其它类型的 80386 芯片：80386SX、 80386SL、80386DL 等。 1988 年，Intel 推出的 80386SX 是市场定位在 80286 和 80386DX 之间 的一种芯片， 其与 80386DX 的不同在于外部数据总线和地址总线皆与 80286 相同，分别是 16 位和 24 位（即寻址能力为 16MB）。 高速 CPU 时代的腾飞 1990 年，Intel 公司推出的 80386 SL 和 80386 DL 都是低功耗、节能 型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。80386 SL 与 80386 DL 的不同在 于前者是基于 80386SX 的，后者是基于 80386DX 的，但两者皆增加了一种 新的工作方式：系统管理方式。当进入系统管理方式后，CPU 就自动降低 运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入 “休眠”状态，以达到节能目的。 1989 年，大家耳熟能详的 80486 芯片由 Intel 公司推出，这种芯片的 伟大之处就在于它实破了 100 万个晶体管的界限，集成了 120 万个晶体管。 80486 的时钟频率从 25MHz 逐步提高到了 33MHz、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，并且 在 80X86 系列中首次采用 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。 由于这些改进，80486 的性能比带有 80387 数学协处理器的 80386DX 提高了 4 倍。80486 和 80386 一样，也陆续出现了几种类型。上面介绍的最 初类型是 80486DX。 1990 年，Intel 公司推出了 80486 SX，它是 486 类型中的一种低价格 机型，其与 80486DX 的区别在于它没有数学协处理器。80486 DX2 由于用了 时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍， 即芯片内部以 2 倍于系统时钟的速度运行，但仍以原有时钟速度与外界通 讯。80486 DX2 的内部时钟频率主要有 40MHz、50MHz、66MHz 等。80486 DX4 也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以 2 倍或 3 倍于外部 总线的速度运行。为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓 存扩大到 16KB。80486 DX4 的时钟频率为 100MHz，其运行速度比 66MHz 的 80486 DX2 快 40%。80486 也有 SL 增强类型，其具有系统管理方式，用于便 携机或节能型台式机。 CPU 的标准化和小型化都使得这一类数字设备（香港译为“电子零 件”）在现代生活中中央处理器（Intel）的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器出现在包括从 汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。 奔腾时代 Pentium（奔腾）微处理器于 1993 年三月推出，它集成了 310 万个晶 体管。它使用多项技术来提高 cpu 性能，主要包括采用超标量结构，内置 应用超级流水线技术的浮点运算器，增大片上的 cache 容量，采用内部奇 偶效验一边检验内部处理错误等。 性能指标 主频主频也叫时钟频率，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用来表示 CPU 的运算、处理数据的速度。 CPU 的主频＝外频×倍频系数。 很多人认为主频就决定着 CPU 的运行速 度，这不仅是片面的，而且对于服务器来讲，这个认识也出现了偏差。至 今，没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值 关系，即使是两大处理器厂家 Intel（英特尔）和 AMD，在这点上也存在着 很大的争议，从 Intel 的产品的发展趋势，可以看出 Intel 很注重加强自 身主频的发展。像其他的处理器厂家，有人曾经拿过一块 1GHz 的全美达处 理器来做比较，它的运行效率相当于 2GHz 的 Intel 处理器。中央处理器的核心部分主频和实际的运算速度存在一定的关系，但并不是一个简单的线性关系. 所以，CPU 的主频与 CPU 实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在 CPU 内数字脉冲信号震荡的速度。在 Intel 的处理器产品中，也可以看到这 样的例子：1 GHz Itanium 芯片能够表现得差不多跟 2.66 GHz 至强（Xeon） /Opteron 一样快，或是 1.5 GHz Itanium 2 大约跟 4 GHz Xeon/Opteron 一 样快。CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线、总线等等各方面的性能指标。 主频和实际的运算速度是有关的，只能说主频仅仅是 CPU 性能表现的 一个方面，而不代表 CPU 的整体性能。 外频 外频是 CPU 的基准频率，单位是 MHz。CPU 的外频决定着整块主板的运 行速度。通俗地说，在台式机中，所说的超频，都是超 CPU 的外频（当然 一般情况下，CPU 的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服 务器 CPU 来讲，超频是绝对不允许的。前面说到 CPU 决定着主板的运行速 度，两者是同步运行的，如果把服务器 CPU 超频了，改变了外频，会产生 异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成 整个服务器系 统的不稳定。 目前的绝大部分电脑系统中外频与主板前端总线不是同步速度的，而 外频与前端总线(FSB)频率又很容易被混为一谈，下面的前端总线介绍谈谈 两者的区别。 前端总线(FSB)频率前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响 CPU 与内存直接数据交换 速度。有一条公式可以计算，即数据带宽＝(总线频率×数据位宽)/8，数 据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比方，现 在的支持 64 位的至强 Nocona，前端总线是 800MHz，按照公式，它的数据 传输最大带宽是 6.4GB/秒。中央处理器（Intel）外频与前端总线(FSB)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速 度，外频是 CPU 与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz 外频特指 数字脉冲信号在每秒钟震荡一亿次；而 100MHz 前端总线指的是每秒钟 CPU 可接受的数据传输量是 100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。 其实现在“HyperTransport”构架的出现，让这种实际意义上的前端 总线(FSB)频率发生了变化。IA-32 架构必须有三大重要的构件：内存控制 器 Hub (MCH) ,I/O 控制器 Hub 和 PCI Hub，像 Intel 很典型的芯片组 Intel 7501、Intel7505 芯片组，为双至强处理器量身定做的，它们所包含的 MCH 为 CPU 提供了频率为 533MHz 的前端总线，配合 DDR 内存，前端总线带宽可 达到 4.3GB/秒。但随着处理器性能不断提高同时给系统架构带来了很多问 题。而“HyperTransport”构架不但解决了问题，而且更有效地提高了总 线带宽，比方 AMD Opteron 处理器，灵活的 HyperTransport I/O 总线体系 结构让它整合了内存控制器，使处理器不通过系统总线传给芯片组而直接 和内存交换数据。这样的话，前端总线(FSB)频率在 AMD Opteron 处理器就 不知道从何谈起了。 CPU 的位和字长中央处理器（德州仪器）位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中 无论是 “0”或是“1”在 CPU 中都是 一“位”。 字长：电脑技术中对 CPU 在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进 制数的位数叫字长。 所以能处理字长为 8 位数据的 CPU 通常就叫 8 位的 CPU。 同理 32 位的 CPU 就能在单位时间内处理字长为 32 位的二进制数据。字节 和字长的区别：由于常用的英文字符用 8 位二进制就可以表示，所以通常 就将 8 位称为一个字节。字长的长度是不固定的，对于不同的 CPU、字长的 长度也不一样。8 位的 CPU 一次只能处理一个字节，而 32 位的 CPU 一次就 能处理 4 个字节，同理字长为 64 位的 CPU 一次可以处理 8 个字节。 倍频系数 倍频系数是指 CPU 主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下， 倍频越高 CPU 的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的 CPU 本身意义并不大。这是因为 CPU 与系统之间数据传输速度是有限的，一 味追求高主频而得到高倍频的 CPU 就会出现明显的“瓶颈”效应－CPU 从系 统中得到数据的极限速度不能够满足 CPU 运算的速度。一般除了工程样版 的 Intel 的 CPU 都是锁了倍频的，少量的如 Inter 酷睿 2 核心的奔腾双核 E6500K 和一些至尊版的 CPU 不锁倍频，而 AMD 之前都没有锁，现在 AMD 推 出了黑盒版 CPU（即不锁倍频版本，用户可以自由调节倍频，调节倍频的超 频方式比调节外频稳定得多）。 缓存 缓存大小也是 CPU 的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对 CPU 速 度的影响非常大，CPU 内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作， 工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU 往往需要重复读取同 样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升 CPU 内部读取数据的命 中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于 CPU 芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。L1Cache(一级缓存)是 CPU 第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的 L1 高速缓存的容量和结构对 CPU 的性能影响较大，不过高速缓 冲存储器均由静态 RAM 组成，结构较复杂，在 CPU 管芯面积不能太大的情 况下，L1 级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器 CPU 的 L1 缓存的 容量通常在 32－256KB。 L2 Cache(二级缓存)是 CPU 的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯 片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有 主频的一半。L2 高速缓存容量也会影响 CPU 的性能，原则是越大越好，以 前家庭用 CPU 容量最大的是 512KB，现在笔记本电脑中也可以达到 2M，而 服务器和工作站上用 CPU 的 L2 高速缓存更高，可以达到 8M 以上。 L3 Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。 而它的实际作用即是，L3 缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升 大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对 游戏都很有帮助。而在服务器领域增加 L3 缓存在性能方面仍然有显著的提 升。比方具有较大 L3 缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁 盘 I/O 子系统可以处理更多的数据请求。具有较大 L3 缓存的处理器提供更 有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。 其实最早的 L3 缓存被应用在 AMD 发布的 K6-III 处理器上，当时的 L3 缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上。在 只能够和系统总线频率同步的 L3 缓存同主内存其实差不了多少。后来使用 L3 缓存的是英特尔为服务器市场所推出的 Itanium 处理器。接着就是 P4EE 和至强 MP。Intel 还打算推出一款 9MB L3 缓存的 Itanium2 处理器，和以 后 24MB L3 缓存的双核心 Itanium2 处理器。 但基本上 L3 缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，比方配备 1MB L3 缓存的 Xeon MP 处理器却仍然不是 Opteron 的对手，由此可见前端总线 的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升。 CPU 扩展指令集 CPU 依靠指令来自计算和控制系统， 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（指令集共有四个种类）， 而从具体运用看，如 Intel 的 MMX（Multi Media Extended，此为 AMD 猜测 的全称，Intel 并没有说明词源）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SSE3、SSE4 系列和 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。通常会把 CPU 的扩展指令集称为”CPU 的指令 集”。 SSE3 指令集也是目前规模最小的指令集， 此前 MMX 包含有 57 条命令，SSE 包含有 50 条命令，SSE2 包含有 144 条命令，SSE3 包含有 13 条命令。 目前 SSE4 也是最先进的指令集，英特尔酷睿系列处理器已经支持 SSE4 指 令集，AMD 会在未来双核心处理器当中加入对 SSE4 指令集的支持，全美达 的处理器也将支持这一指令集。 CPU 内核和 I/O 工作电压 从 586CPU 开始，CPU 的工作电压分为内核电压和 I/O 电压两种，通常 CPU 的核心电压小于等于 I/O 电压。 其中内核电压的大小是根据 CPU 的生产 工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O 电压一般都在 1.6~5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。 制造工艺 制造工艺的微米是指 IC 内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是 向密集度愈高的方向发展。密度愈高的 IC 电路设计，意味着在同样大小面 积的 IC 中， 可以拥有密度更高、 功能更复杂的电路设计。 现在主要的 180nm、 130nm、90nm、65nm、45 纳米。最近 inter 已经有 32 纳米的制造工艺的酷 睿 i3/i5 系列了。 而 AMD 则表示、自己的产品将会直接跳过 32nm 工艺（2010 年第三季度 生产少许 32nm 产品、如 Orochi、Llano）于 2011 年中期初发布 28nm 的产 品（名称未定） 指令集 （1）CISC 指令集 CISC 指令集，也称为复杂指令集，英文名是 CISC，（Complex Instruction Set Computer 的缩写）。在 CISC 微处理器中，程序的各条指 令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。 顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。 其实它是英特尔生产的 x86 系列（也就是 IA-32 架构）CPU 及其兼容 CPU， 如 AMD、VIA 的。即使是现在新起的 X86-64（也被成 AMD64）都是属于 CISC 的范畴。 要知道什么是指令集还要从当今的 X86 架构的 CPU 说起。 X86 指令集是 Intel 为其第一块 16 位 CPU(i8086)专门开发的，IBM1981 年推出的世界第 一台 PC 机中的 CPU－i 简化版)使用的也是 X86 指令，同时电脑 中为提高浮点数据处理能力而增加了 X87 芯片， 以后就将 X86 指令集和 X87 指令集统称为 X86 指令集。 虽然随着 CPU 技术的不断发展，Intel 陆续研制出更新型的 i80386、 i80486 直到过去的 PII 至强、PIII 至强、Pentium 3，Pentium 4 系列，最后到今天的酷睿 2 系列、至强（不包括至强 Nocona），但为了保证电脑能 继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以 Intel 公司所生产的所有 CPU 仍然继续使用 X86 指令集， 所以它的 CPU 仍属 于 X86 系列。由于 Intel X86 系列及其兼容 CPU（如 AMD Athlon MP、）都 使用 X86 指令集， 所以就形成了今天庞大的 X86 系列及兼容 CPU 阵容。 x86CPU 目前主要有 intel 的服务器 CPU 和 AMD 的服务器 CPU 两类。 （2）RISC 指令集 RISC 是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的缩写，中文 意思是“精简指令集”。它是在 CISC 指令系统基础上发展起来的，有人对 CISC 机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些 比较简单的指令，它们仅占指令总数的 20％，但在程序中出现的频度却占 80％。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间 长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。 基于上述原因， 世纪 80 年代 RISC 型 CPU 诞生了， 20 相对于 CISC 型 CPU ,RISC 型 CPU 不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结 构”，大大增加了并行处理能力。RISC 指令集是高性能 CPU 的发展方向。 它与传统的 CISC(复杂指令集)相对。相比而言，RISC 的指令格式统一，种 类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高很多了。目 前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的 CPU， 特别是高档服务器全都 采用 RISC 指令系统的 CPU。RISC 指令系统更加适合高档服务器的操作系统 UNIX，现在 Linux 也属于类似 UNIX 的操作系统。RISC 型 CPU 与 Intel 和 AMD 的 CPU 在软件和硬件上都不兼容。 目前，在中高档服务器中采用 RISC 指令的 CPU 主要有以下几类： PowerPC 处理器、SPARC 处理器、PA-RISC 处理器、MIPS 处理器、Alpha 处 理器。 （3）IA-64 EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令 计算机）是否是 RISC 和 CISC 体系的继承者的争论已经有很多，单以 EPIC 体系来说， 它更像 Intel 的处理器迈向 RISC 体系的重要步骤。 从理论上说， EPIC 体系设计的 CPU，在相同的主机配置下，处理 Windows 的应用软件比 基于 Unix 下的应用软件要好得多。 Intel 采用 EPIC 技术的服务器 CPU 是安腾 Itanium（开发代号即 Merced）。它是 64 位处理器，也是 IA－64 系列中的第一款。微软也已开 发了代号为 Win64 的操作系统，在软件上加以支持。在 Intel 采用了 X86 指令集之后，它又转而寻求更先进的 64-bit 微处理器，Intel 这样做的原 因是，它们想摆脱容量巨大的 x86 架构,从而引入精力充沛而又功能强大的 指令集，于是采用 EPIC 指令集的 IA-64 架构便诞生了。IA-64 在很多方面 来说，都比 x86 有了长足的进步。突破了传统 IA32 架构的许多限制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性、可观理性等方面获得了 突破性的提高。 IA-64 微处理器最大的缺陷是它们缺乏与 x86 的兼容，而 Intel 为了 IA-64 处理器能够更好地运行两个朝代的软件，它在 IA-64 处理器上 （Itanium、Itanium2 ??)引入了 x86-to-IA-64 的解码器，这样就能够 把 x86 指令翻译为 IA-64 指令。这个解码器并不是最有效率的解码器，也 不是运行 x86 代码的最好途径 （最好的途径是直接在 x86 处理器上运行 x86 代码），因此 Itanium 和 Itanium2 在运行 x86 应用程序时候的性能非常糟 糕。这也成为 X86-64 产生的根本原因。 （4）X86-64 （AMD64 / EM64T） AMD 公司设计，可以在同一时间内处理 64 位的整数运算，并兼容于 X86-32 架构。其中支持 64 位逻辑定址，同时提供转换为 32 位定址选项； 但数据操作指令默认为 32 位和 8 位，提供转换成 64 位和 16 位的选项；支 持常规用途寄存器，如果是 32 位运算操作，就要将结果扩展成完整的 64 位。这样，指令中有“直接执行”和“转换执行”的区别，其指令字段是 8 位或 32 位，可以避免字段过长。 x86-64（也叫 AMD64）的产生也并非空穴来风，x86 处理器的 32bit 寻 址空间限制在 4GB 内存，而 IA-64 的处理器又不能兼容 x86。AMD 充分考虑 顾客的需求，加强 x86 指令集的功能，使这套指令集可同时支持 64 位的运 算模式，因此 AMD 把它们的结构称之为 x86-64。在技术上 AMD 在 x86-64 架 构中为了进行 64 位运算， AMD 为其引入了新增了 R8-R15 通用寄存器作为原 有 X86 处理器寄存器的扩充，但在而在 32 位环境下并不完全使用到这些寄 存器。原来的寄存器诸如 EAX、EBX 也由 32 位扩张至 64 位。在 SSE 单元中 新加入了 8 个新寄存器以提供对 SSE2 的支持。寄存器数量的增加将带来性 能的提升。与此同时，为了同时支持 32 和 64 位代码及寄存器，x86-64 架 构允许处理器工作在以下两种模式：Long Mode(长模式)和 Legacy Mode(遗 传模式)，Long 模式又分为两种子模式(64bit 模式和 Compatibility mode 兼容模式)。该标准已经被引进在 AMD 服务器处理器中的 Opteron 处理器. 而今年也推出了支持 64 位的 EM64T 技术，再还没被正式命为 EM64T 之 前是 IA32E， 这是英特尔 64 位扩展技术的名字,用来区别 X86 指令集。 Intel 的 EM64T 支持 64 位 sub-mode，和 AMD 的 X86-64 技术类似，采用 64 位的线 性平面寻址，加入 8 个新的通用寄存器（GPRs），还增加 8 个寄存器支持 SSE 指令。与 AMD 相类似，Intel 的 64 位技术将兼容 IA32 和 IA32E，只有 在运行 64 位操作系统下的时候， 才将会采用 IA32E。 IA32E 将由 2 个 sub-mode 组成： 位 sub-mode 和 32 位 sub-mode， AMD64 一样是向下兼容的。 64 同 Intel 的 EM64T 将完全兼容 AMD 的 X86-64 技术。现在 Nocona 处理器已经加入了 一些 64 位技术，Intel 的 Pentium 4E 处理器也支持 64 位技术。应该说，这两者都是兼容 x86 指令集的 64 位微处理器架构，但 EM64T 与 AMD64 还是有一些不一样的地方，AMD64 处理器中的 NX 位在 Intel 的处 理器中将没有提供。 超流水线与超标量 在解释超流水线与超标量前，先了解流水线(Pipeline)。流水线是 Intel 首次在 486 芯片中开始使用的。 流水线的工作方式就象工业生产上的 装配流水线。在 CPU 中由 5－6 个不同功能的电路单元组成一条指令处理流 水线，然后将一条 X86 指令分成 5－6 步后再由这些电路单元分别执行，这 样就能实现在一个 CPU 时钟周期完成一条指令，因此提高 CPU 的运算速度。 经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写 回结果，浮点流水又分为八级流水。 超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空 间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个 机器周 期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。例如 Pentium 4 的流水线就长达 20 级。将流水线设计的步(级)越长，其完成一条指令的速 度越快，因此才能适应工作主频更高的 CPU。但是流水线过长也带来了一定 副作用，很可能会出现主频较高的 CPU 实际运算速度较低的现象，Intel 的 奔腾 4 就出现了这种情况，虽然它的主频可以高达 1.4G 以上，但其运算性 能却远远比不上 AMD 1.2G 的速龙甚至奔腾 III。 封装形式 CPU 封装是采用特定的材料将 CPU 芯片或 CPU 模块固化在其中以防损坏 的保护措施，一般必须在封装后 CPU 才能交付用户使用。CPU 的封装方式取 决于 CPU 安装形式和器件集成设计，从大的分类来看通常采用 Socket 插座 进行安装的 CPU 使用 PGA(栅格阵列)方式封装， 而采用 Slot x 槽安装的 CPU 则全部采用 SEC(单边接插盒)的形式封装。现在还有 PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞 争日益激烈，目前 CPU 封装技术的发展方向以节约成本为主。 多线程 同时多线程 Simultaneous Multithreading，简称 SMT。SMT 可通过复 制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处 理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理，提高处 理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或 Cache 未命中带来的访问内 存延时。当没有多个线程可用时，SMT 处理器几乎和传统的宽发射超标量处 理器一样。SMT 最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计，几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。多线程技术则可以为高速的运 算核心准备更多的待处理数据，减少运算核心的闲置时间。这对于 桌面低 端系统来说无疑十分具有吸引力。Intel 从 3.06GHz Pentium 4 开始，所有 处理器都将支持 SMT 技术。 多核心 多核心，也指单芯片多处理器（Chip Multiprocessors，简称 CMP）。 CMP 是由美国斯坦福大学提出的， 其思想是将大规模并行处理器中的 SMP 对 （ 称多处理器）集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的进程。与 CMP 比较， SMT 处理器结构的灵活性比较突出。但是，当半导体工艺进入 0.18 微米以后，线延时已经超过了门延迟，要求微处理器的设计通过划分许多 规模更小、局部性更好的基本单元结构来进行。相比之下，由于 CMP 结构 已经被划分成多个处理器核来设计，每个核都比较简单，有利于优化设计， 因此更有发展前途。目前，IBM 的 Power 4 芯片和 Sun 的 MAJC5200 芯片都 采用了 CMP 结构。多核处理器可以在处理器内部共享缓存，提高缓存利用 率，同时简化多处理器系统设计的复杂度。 2005 年下半年，Intel 和 AMD 的新型处理器也将融入 CMP 结构。新安 腾处理器开发代码为 Montecito，采用双核心设计，拥有最少 18MB 片内缓 存，采取 90nm 工艺制造，它的设计绝对称得上是对当今芯片业的挑战。它 的每个单独的核心都拥有独立的 L1，L2 和 L3 cache，包含大约 10 亿支晶 体管。 SMP SMP（Symmetric Multi-Processing），对称多处理结构的简称，是指 在一个计算机上汇集了一组处理器(多 CPU),各 CPU 之间共享内存子系统以 及总线结构。在这种技术的支持下，一个服务器系统可以同时运行多个处 理器，并共享内存和其他的主机资源。像双至强，也就是所说的二路，这 是在对称处理器系统中最常见的一种（至强 MP 可以支持到四路，AMD Opteron 可以支持 1-8 路）。也有少数是 16 路的。但是一般来讲，SMP 结 构的机器可扩展性较差，很难做到 100 个以上多处理器，常规的一般是 8 个到 16 个，不过这对于多数的用户来说已经够用了。在高性能服务器和工 作站级主板架构中最为常见， UNIX 服务器可支持最多 256 个 CPU 的系统。 像 构建一套 SMP 系统的必要条件是：支持 SMP 的硬件包括主板和 CPU；支 持 SMP 的系统平台，再就是支持 SMP 的应用软件。为了能够使得 SMP 系统 发挥高效的性能， 操作系统必须支持 SMP 系统， WINNT、 如 LINUX、 以及 UNIX 等等 32 位操作系统。即能够进行多任务和多线程处理。多任务是指操作系统能够在同一时间让不同的 CPU 完成不同的任务；多线程是指操作系统能 够使得不同的 CPU 并行的完成同一个任务 。 要组建 SMP 系统，对所选的 CPU 有很高的要求，首先、CPU 内部必须内 置 APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）单元。Intel 多 处理规范的核心就是高级可编程中断控制器（Advanced Programmable Interrupt ControllersCAPICs）的使用；再次，相同的产品型号，同样 类型的 CPU 核心，完全相同的运行频率；最后，尽可能保持相同的产品序 列编号，因为两个生产批次的 CPU 作为双处理器运行的时候，有可能会发 生一颗 CPU 负担过高，而另一颗负担很少的情况，无法发挥最大性能，更 糟糕的是可能导致死机。 NUMA 技术 NUMA 即非一致访问分布共享存储技术，它是由若干通过高速专用网络 连接起来的独立节点构成的系统，各个节点可以是单个的 CPU 或是 SMP 系 统。在 NUMA 中，Cache 的一致性有多种解决方案，需要操作系统和特殊软 件的支持。图 2 中是 Sequent 公司 NUMA 系统的例子。这里有 3 个 SMP 模块 用高速专用网络联起来，组成一个节点，每个节点可以有 12 个 CPU。像 Sequent 的系统最多可以达到 64 个 CPU 甚至 256 个 CPU。显然，这是在 SMP 的基础上，再用 NUMA 的技术加以扩展，是这两种技术的结合。 乱序执行技术 乱序执行（out-of-orderexecution），是指 CPU 允许将多条指令不按 程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。这样将根据个电 路单元的状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的 指令立即发送给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然 后由重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。采用乱序执行 技术的目的是为了使 CPU 内部电路满负荷运转并相应提高了 CPU 的运行程 序的速度。分枝技术：（branch）指令进行运算时需要等待结果，一般无 条件分枝只需要按指令顺序执行，而条件分枝必须根据处理后的结果，再 决定是否按原先顺序进行。 CPU 内部的内存控制器 许多应用程序拥有更为复杂的读取模式（几乎是随机地，特别是当 cache hit 不可预测的时候），并且没有有效地利用带宽。典型的这类应用 程序就是业务处理软件，即使拥有如乱序执行（out of order execution） 这样的 CPU 特性，也会受内存延迟的限制。这样 CPU 必须得等到运算所需 数据被除数装载完成才能执行指令（无论这些数据来自 CPU cache 还是主内存系统）。当前低段系统的内存延迟大约是 120－150ns，而 CPU 速度则 达到了 3GHz 以上，一次单独的内存请求可能会浪费 200－300 次 CPU 循环。 即使在缓存命中率（cache hit rate）达到 99％的情况下，CPU 也