3.3　CPU的结构

传统的CPU由控制器和运算器两大部分组成。但随着高密度集成电路技术的发展，早期放在CPU芯片外部的一些逻辑功能部件，如浮点运算器、转移部件等纷纷移入CPU内部，因而使CPU的内部组成越来越复杂。由此CPU的基本部分变成了控制器、运算器和寄存器三大部分。同时，为了进一步提高CPU访问存储器操作（包括取指令和读/写存储器操作数）的执行速度，从80486开始，在CPU内部设置了Cache，CPU内部的Cache一般分为两级（分别简称一级缓存Ll和二级缓存L2，一般真正在CPU内部即作为CPU硅片的一部分的是L1，而L2是采用特殊工艺和CPU封装在一起）。以现今常见的双核CPU为例，其内部结构简图如图3-14所示。

CPU各部分之间相互作用、协调工作共同完成分析、判断和运算等工作。其中控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成，是数据加工处理部件。运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。寄存器的组成因CPU的不同而不同，但至少要有六类寄存器，分别是指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、缓冲寄存器、累加寄存器、状态寄存器，共同来完成地址、指令和数据的暂存。

通常CPU查找数据或指令的顺序是：先到一级缓存中查找，如果找到就立即读取并送给CPU处理；如果没有找到再到二级缓存中找（二级缓存是比一级缓存速度慢、容量大，主要就是做一级缓存和内存之间数据临时交换的地方用）；如果还找不到，就用相对更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。CPU在缓存中找到有用的数据被称为命中。从理论上讲，在一颗拥有两级缓存的CPU中，读取一级缓存的命中率为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一种缓存，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。

CPU经过多年的发展，其物理结构也经过许多变化，现在的CPU物理结构可分为内核、基板、填充物、封装以及接口5部分。CPU外形结构如图3-15所示。

1.内核

内核是CPU最重要的组成部分，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令单元和总线接口等，并且各逻辑单元都有科学的布局。CPU中心那块隆起的长方形或正方形芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU核心的另一面，也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面，一般通过针脚或触点与主板电路连接。

CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积（这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU的销售价格）、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能（如集成内存控制器等）以及双核心和多核心等。CPU核心的进步对普通消费者而言，最有意义的是能以更低的价格买到性能更强的CPU。图3-16所示为CPU内核。

2.基板

CPU基板就是承载CPU内核用的电路板，它负责内核芯片和外界的一切通信，并决定这一颗芯片的时钟频率，在它上面，有经常在主板上见到的电容、电阻，还有决定了CPU时钟频率的电路桥（俗称金手指），在基板的背面或者下沿，还有用于和主板连接的针脚或者卡式接口。比较早期的CPU基板都是采用陶瓷制成的，如AMD的Duron处理器采用这种材料，而新型的CPU都改为采用有机物制造，这是因为有机物能提供更好的电气性能和散热性能。

3.填充物

CPU内核和CPU基板之间往往还有填充物，填充物的作用是用来缓解来自散热器的压力以及固定芯片和电路基板，由于它连接着温度有较大差异的两个方面，所以必须保证十分的稳定，它的质量的优劣有时就直接影响着整个CPU的质量。

4.封装

CPU封装技术是一种将CPU芯片或CPU模块用绝缘的塑料或陶瓷等材料打包的技术。

封装对于CPU芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为CPU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。封装也可以说是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CPU产品而言，封装技术是非常关键的一环。随着CPU总线宽度的增加、功能的增强，CPU的引脚数目也在不断增多，同时对散热和各种电气特性的要求也在逐渐提高，这就演化出了PGA（Pin－Grid Array，针栅阵列）、LGA（Land Grid Array，触点阵列）、Micro-FCBGA（Micro Flip Chip Ball Grid Array，微型倒装晶片球状栅格阵列）、SPGA（Staggered Pin Grid Array，交错针栅阵列）、PPGA（Plastic Pin Grid Array，塑针栅格阵列）等封装方式。

5.接口

CPU通过接口与主板连接，经过多年的发展，采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。CPU的安装通常采用Socket（Socket在英文里就是插槽、插座的意思）插座安装。而目前主流CPU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。目前常见的接口类型如下：

（1）Socket 775

Socket 775又称为Socket T或LGA 775，是目前应用于Intel LGA 775封装的CPU所对应的接口，采用此种接口的有LGA 775封装的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D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。Socket 775 CPU接口及其插座如图3-17所示。

（2）LGA 1366

LGA 1366接口又称Socket B，逐步取代流行多年的LGA 775。从名称上就可以看出LGA1366要比LGA 775多出约600个针脚，这些针脚会用于QPI总线、3条64bit DDR3内存通道等连接。Bloomfield、Gainestown以及Nehalem处理器的接口为LGA 1366，比目前采用LGA 775接口的Penryn的面积大了20％。图3-18所示为LGA 1366 CPU接口及其插座。

（3）Socket AM2

Socket AM2是AMD公司2006年5月底发布的支持DDR2内存的AMD 64位桌面CPU的接口标准，具有940根CPU针脚，支持双通道DDR2内存。虽然同样都具有940根CPU针脚，但Socket AM2与原有的Socket 940在针脚定义以及针脚排列方面都不相同，并不能互相兼容。目前采用Socket AM2接口的有低端的Sempron、中端的Athlon 64、高端的Athlon 64 x2以及顶级的Athlon 64 FX等

（4）Socket AM3

AM3的全称是Socket AM3，它是一个CPU接口标准。所有的AMD桌面级45nm处理器均采用了新的Socket AM3插座，它有938针的物理引脚，这也就意味着AM3的CPU可以与旧有Socket AM2+插座甚至是更早的Socket AM2插座在物理上是兼容的，因为后两者的物理引脚数均为940针，事实上Socket AM3处理器也完全能够直接工作在Socket AM2+主板上（BIOS支持），不过940针的Socket AM2+处理器将不能在938针的Socket AM3主板上使用。图3-19所示为Socket AM3 CPU接口及其插座。

（5）Socket AM3+

Socket AM3+（又称Socket AM3b）是AMD推出的CPU插座，于2011年发布，取代上一代Socket AM3并支持AMD新一代32nm处理器AMD FX（代号Zambezi）。Socket AM3+接口的推土机处理器要安装在Socket AM3+的主板上，在针脚上，Socket AM3+是没有变化的，一样是938针。