电脑硬件教程:CPU(三）

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Intel Pentium 4 Northwood

当基于0.13微米技术Northwood核心的Intel Pentium 4 2.0AGhz 和 2.2Ghz处理器以及主频为1.67 Ghz的AMD Athlon XP 2000+发布以后，两个技术上的巨人，Intel 和 AMD又拉开了一场战斗。

简介：

正如我们所看见的那样，随着Intel和AMD之间的 “速度之战”越来越深入，Intel在这方面已经有所领先。当然，这种纯粹的速度比赛仅仅建立在没有实际意义的表现之上，但是无人能够否认时钟频率速度就像IPC一样是CPU的重要表现指标。当然在以上两个方面获得最好的表现是不容易的。所以Intel的策略就是提高P4的时钟频率，而对IPC则不大在意。Intel力图发挥P4的最佳效能，于是在诸如指令交换缓存、快速执行引擎和SSE2指令引擎方面花了很大力气。尽管如此，过去一年Intel还是无法用P4把AMD的Athlon处理器压住，至少在DIY市场是如此。下半年情况有所改观，因为Intel大幅度调低了P4的价格，而同时低廉的SDRAM和DDR SDRAM同P4也能很好的配合起来，这些都使Intel受益匪浅。

从Intel和AMD那里我们能希望什么？

2002年将是一个值得期待的年份。到目前为止，Intel把0.13微米基于Northwood核心的2.0AGHz和2.2GHz P4包装上市，而AMD也将在第一季度或第二季度把基于Thoroughbred核心的0.13微米Athlon XP和基于Appaloosa核心的Duron推向市场。从这个方面来看，我们可以期望Intel在AMD推出值得期待的1.8GHz（编号2200＋）Thoroughbred处理器之前会有一个大手笔。不过从我们所了解的信息来看，Thoroughbred和那些老处理器相比，内部构造改动不大。在今年年初，Intel还有可能推出533Mhz 的Pentium 4版本，而AMD将用Athlon XP 1.8Ghz来回应533Mhz外频的 P4 2.2Ghz, 2.226Ghz 和2.4Ghz的挑战。Intel将会把533Mhz系列的P4同Tehama-E（双通道PC1066 RDRAM, ICH4）、Brookdale-E和Brookdale-G芯片组(DDR266/333, ICH4)结合在一起以提升总体效能。533Mhz P4在市场上出现对AMD Athlon XP而言将是一个不妙的事情。从两家公司各自的计划来看，第一季度Intel Celeron 1.3Ghz和Duron 1.3Ghz，第二季度Celeron 1.4Ghz 与Duron 1.4Ghz的竞争并不会让人那么兴奋。今年晚些时候，我们能够看到Intel 533Mhz Pentium 4系列会有更高频率——比如接近3GHz——的产品出现，以对抗AMD 0.13微米基于SOI Barton核心的Athlon XP。我们还会看到带有128KB cache的1.8GHz P4 Celeron出现，这在速度上是与AMD基于Appaloosa 核心超过1.5GHz的Duron抗争

Northwood构造

从上面的图样大家可以看到0.13微米Northwood与当前0.18微米Willamette P4的区别。从这些资料中我们知道，现在的P4大概有214平方厘米，而Northwood只有145平方厘米，而且制造成本只有前者的55%。

在通常的P4微结构方面最引人瞩目的还是Hyper-pipelined技术、快速执行引擎、执行轨迹缓存、高级转换缓存、高级动力执行功能、提高了的浮点/多媒体功能以及SSE2。

512KB L2 Cache

Northwood和Willamette的内部结构在额外的L2 Cache方面没有太大的差别。Northwood和Willamette都有8KB的L1 cache以及8通道交换的L2 cache。如果你仔细观察了上面的图样，你会发现跟Willamette的L2 cache比较的时候，左边有两个白色的长方形占了很大的空间。这是由于集成在Northwood 的512KB L2 cache是Willamette的两倍。另一个可以观察到的东西是0.18微米的处理器没有空间安放额外的256KB L2 cache，因此Intel只有从其他部件上腾出空间来安放另一个256KB L2 cache。

Hyper-Threading

我们能够观察到Northwood内部还有一些用黑色长方形标示出来的空间，我认为这是用来安放那些占用大约5％空间用来进行SMT和Hyper-Threading 运作的AS（结构部件）。有消息说Northwood支持Hyper-Threading，但是现在还不行。有消息说Intel今年下半年会给自己的533Mhz Northwood提供SMT功能，这当然是个好消息。另外一个好消息说Intel已经把Hyper-Threading集成到服务器版Prestonia处理器上了。据Intel介绍，Hyper-Threading技术能够使单个物理处理器同时执行两个独立的程序代码，这样就能够提高处理器大概30％的性能。

很明显当考虑到时钟频率速度的话，Intel棋高一招。基于Northwood核心和512KB L2 cache的Pentium 4的对AMD而言不啻为一个巨大的压力。然而Athlon XP在如SpecViewPerf, Integer tests、3DMark2001和TMPGEnc的测试项目中表现却比Northwood表现要好。在大多数的测试中，尤其是在综合测试中，Athlon XP 2000+也能够轻易超过P4 2.0Aghz，但是却无法超越P4 2.2Ghz。

我们必须注意到Intel Pentium 4在市场上有两种内存搭配版本供选择：DDR和RDRAM。对于游戏玩家来说，你必须在搭配Intel 850芯片组的Northwood和与DDR主板的Athlon XP之间作出选择。Northwood＋i850的表现将高于Athlon XP的组合，但问题在于价格并不便宜。对于那些要进行许多MPEG编码工作的人而言，Northwood 和Athlon XP都是不错的选择。因为Athlon XP总体上要快一些，而Intel的主板芯片组在驱动器表现和稳定性上处于领先地位。对于那些需要作大量商务应用的专业人士而言，他们自然应该选择Intel P4 Northwood，这能够提供极好的表现以及商务应用的计划。Athlon XP能够提供良好的性价比方案，虽然在商务应用方面Intel P4 Northwood处于领先地位。

集成在P4 Northwood中的512KB cache确实在一些应用中帮了P4 Northwood很大的忙。大容量的缓存对于P4的速度用处很大。我们还必须注意到的是和Tehama-E Dual Channel PC1066 RDRAM主板搭配的533Mhz Pentium 4，就如同内建在Northwood里的SMT一样。

800FSB P4 奔驰而来

新型P4处理器主要针对高端和主流的PC市场。它拥有800MHz的Quad Pumped 总线，并且支持超线程技术。第一款新型的P4处理器在4月14日发布，核心频率达到3.0GHz，而与之配合的最高性能芯片组——官方宣布代号为Canterwood的i875P芯片组也在4月14日发布。Intel宣布i875可以支持更快的总线频率，主要针对高端的工作站市场，所以这款芯片组应该不会大规模生产。

按照Intel的发展计划i875P的市场定位就是取代目前的i850E芯片组，支持800MHz FSB的芯片组将在2003年5月中旬正式开始大规模生产。同期，Intel为了扩大新型P4的市场，会同时推出三款CPU：2.40C，2.60C，2.80C GHz。它们总线规格相同，并且都支持超线程技术。为了更好的支持快速Quad Pumped总线，Intel对芯片组核心重新设计，推出了代号为Springdale的3款芯片组：i865G，i865P，i865PE。它们主要是代替i845PE、GE芯片组，这3款芯片组的推出不仅提升了系统整体性能，也增大了双通道DDR芯片组的市场份额。

新处理器介绍：

P4 3.0G/FSB 800MHz

从外观上来看新的P43.0G同P4 3.06G的背面电阻排列相同。 新处理器同样是采用0.13微米互连工艺生产，拥有12KB一级追踪缓存和8KB一级数据缓存，以及512KB的二级缓存，Northwood核心，采用FC-PGA2封装，并且加上散热效果突出的IHS顶盖散热片，使处理器的性能/发热量方面得到很好的平衡。

其次，前端总线频率从533MHz提升为800MHz，前端总线的数据吞吐量巨增，前端总线带宽提升为6.4G，性能再次提高。并且新处理器支持超线程技术。

未来展望：

Intel Prescott 处理器：

英特尔正式向公众推出了新的PC处理器。这是新一代的处理器，采用 0.9微米工艺制程生产。它的时钟频率可以达到4-5GHz。同时，这种新一代处理器的制造过程使它在性价比上有理由将其L1和L2高速缓存的容量增加到1MB：这样的话，其尺寸就增加了一倍。同时 FSB频率达到了800MHz。 总的来说，几乎所有的CPU部件均得到了一定程度的改进。 但是这一polished-of的产品对软件开发者来说又意味着什么呢？拥有较大的高速缓存无疑是很不错的选择：你毋庸十分关注存储器的读写速度，对存储器而言读写速度经常成为其性能改善的一个限制因素。但是，这并不能解决所有的问题；因为当数据过于庞大时，即使是改进后的高速缓存对此也不会有太大增益。

Intel的这一新款处理器具有更高的前端总线频率，很明显它不受瓶颈效应的限制。与以前的处理器模式不同的是，新处理器的性能改善与频率增长并非成正比变化。新处理器指令系统进行了扩展。 软件开发者对于MMX, SSE 和SSE2的引进非常满意，因为通常开发者为了优化自己的程序不得不对这些指令作一些额外的工作。 否则，程序决不可能快速运行。 但是，Prescott处理器扩展的13条新指令对软件开发者而言，无疑是一道福音，它大大减少了工作量，并且十分容易上手。

Prescott这种800MHz外频，1MB二级缓存的最高频处理器采用90nm制程，核心内含100百万晶体管，与AMD Athlon 64处理器数目相同。还带有16KB一级缓存和1MB二级缓存。Intel还将在其身上贯彻下代NetBurst处理器所用的更高效预取机制。Prescott还具备13条高预测指令集(PNI)，其中包括地址流同步和提高视频解码任务速度的指令集，其他指令集包括浮点到整数转换、SIMD浮点操作和复杂算法操作。最后，Prescott还将支持Intel的 La Grande安全技术，可以帮助创造对应电子商务的安全计算机环境

Prescott将在今年第四季度可用，Intel将于10月24号对桌面版Pentium 4降价。届时3.20GHz (800MHz)、3.0GHz (800MHz)、3.06GHz (533MHz)、2.80GHz (800MHz) 和2.80GHz (533MHz)P4价格为420、275、260、220和180美元。

Prescott 处理器搭配问题：

很遗憾的告诉大家，目前市场上的865/875主板并不是全部都能支持Prescott处理器的，目前支持Prescott需要两种条件，一是FMB1.5、一是VRD10.0，Prescott FMB 1.5规范规定Prescott的最大功耗是103W，最大工作电流是91安培。而目前的主板都是基于FMB 1规范设计的，FMB 1规范规定Prescott的最大功耗是89W，最大工作电流是78安培。这就使得使用现今主板只能期望以后升级Prescott的两款低电压版本。

不知道大家有没有注意到，为符合Intel的Prescott大电流而设计. 支持Prescott的主板要符合VRD10.0标准，其要求供电部分的线圈采用单股粗线绕制（Intel原厂的875主板在下一个版本中将有所改变）,目前推出世面的865/875系列仅仅有屈指可数的厂商采用了此种线圈，所以要等到9月推出最新的ver：2.x版本，才能支持此标准。而符合此标准的I/O控制芯片也仅有几款而已，目前市面上的主板并不完全符合VRD10.0标准，所以只有等厂商修改元气件之后，865/875系列才能真正支持Prescott。

64位CPU面世

自从图形界面的Windows系统的市场份额逐渐扩大之后，随之而来的问题就是如何处理好系统和操作系统之间的关系。早在1992年2月，Compaq公司推出业内第一款64位处理器：Alpha，主频创纪录地突破了200MHz。这次创历史的推出64位处理器，不仅仅是硬件上的创新，而是为网络服务器、高端服务器带来了不可估量的动力。时至今日，家用CPU两大门派Intel和AMD之间争夺64位CPU市场的战争仍然继续着。时不时，Sun、IBM、Sony等巨头企业也来趟一把混水。从中不难看出，64位处理器已经受到了全球IT厂商和使用者的密切注意。那么， 64位处理器究竟怎么回事？

简介：

刚刚步入新世纪的时候，Intel率先发布了IA-64架构的Itanium处理器，其实-64是Intel和Hp一起开发的一种CPU构架。正因为IBM支持这一构架的实现，也就有了IBM要用IA－64来维护在UNIX等大型服务器上的应用地位。其实IA-64架构建立在显式并行指令计算技术基础之上，当然了，这种新的急速比精简指令集以及Cisc技术更先进。正是因为这种先进，让64位处理器被誉为“超级计算机之王”。除此之外，SUN也在2002年发布了0.13微米制造工艺的64位UltraSPARC III Cu 1200处理器来争夺64位处理器市场，紧接着，其他大厂如Sony、Compaq等也纷纷推出自己主打的64位出去，一时间，原本就不安宁的64位处理器市场就变的更加混乱不堪了。

细说64位处理器：

64位处理器的改变，是从处理器的核心构架开始改变的。64位处理器的应用范围与传统处理器有很多不同，但是依旧可以部分向下兼容。也就是说，64位处理器不会支持所有的32位应用程序，只能执行一些代表性的应用。正因如此，如何解决64位处理器与32位系统之间的兼容性是重点中的重点。除此之外，当微软允许并支持64位构架而推出64位版本的操作系统外，硬件平台上，处理器对主板设计的影响以及成本开支也是64位处理器推广中的重要问题。

根据IA－64构架的官方说明可以看出，他将拥有64位内存寻址能力，支持更大空间范围内寻址。在编辑器处理指令时，可以大大提高效率，利用分分析预定技术来增加条件分析的可靠性。通过Speculation技术，处理器编辑指令与其他指令可以同时处理，大大的缩短了处理器处理时间。完善的指令集，可以在64位系统环境中执行非64位指令，当然了，这必须要有操作系统的支持。

从AMD的X86-64策略上来看，主要是走32位与64位相兼容的路。与IA64构架相比，X86-64更为简单明了，仅仅是从扩展X86指令集为主要手段。AMD Sledgehammer虽然是为X86架构32位应用程序设计的，但增加了对64位应用程序的支持。也就是说，Sledgehammer在32位平台下运行速度比iTanium更快，但是在64位平台下则显示出了兼容性的不足。在用户使用64位和32位应用程序的时候，似乎Sledgehammer的胜算是很大的。不过，当应用平台全部转移为64位后，Sledgehammer似乎已经没有生存空间了。 细说iTanium处理器

iTanium代号为“电子”的IA-64编译器是的IA-64架构的有机组成部分。IA-64是采用了许多新概念的全新架构。很显然就要突出“电子”编译器的地位。“电子”编译器不仅要为开发最初的操作系统和应用程序服务，而且还要负责使第三方编译器厂商明白如何为IA-64这个新架构生成新代码。完全的创新并不代表着成功，为了保险起见，Intel已经研制出并在继续完善着具备模拟寄存器和I/O端口级功能的全新系统级模拟器作为最初的开发平台，也就是说，有更多第三方会掌握64位处理器的应用技术。

之后，Intel的64位处理器Itanium2（McKinley/Gallatin）推出了市场。是32位Xeon系列处理器的升级产品，采用小于0.18微米的制造工艺，支持的芯片组是870，该芯片组将支持RAMBUS与DDR SDRAM内存；另外一种芯片组Plumas采用Infiniband的新技术，用于可交换的光纤数据交换解决方案。为什么说是Itanium2是成功的呢？原因是有大头企业的支持。率先被Sun Microsystems和IBM采用的Itanium2处理器的主频为1GHz，三级缓存容量为3MB（要知道最大的家用CPU二级缓存仅仅为512KB）。其速度达到前代Itanium处理器的两倍，新Itanium2处理器的运行速度比具有4MB三级缓存的Itanium 800MHz处理器快1.7-2.6倍，比Sun UltraSparc III 1050MHz快1.5倍。如此之高的性能，岂能不受到众多厂商的关注？岂能不在服务器市场大展身手？

细说Sledgehammer处理器

　AMD通过集成两项主要功能部件增强了X86指令集功能---64位扩展（称为长模式）和附加的寄存器扩展。长模式扩展由两个子模式组成，其中一个为改进的64位模式，另一个为兼容模式。这种改进在执行64位模式时可使速度得到相应提高。64位模式通过增加的8个通用寄存器能够支持新的64位代码和加宽其指令指针。Sledgehammer还增加了8个128位浮点寄存器。 AMD把X86架构提高到64位模式，具有两个64位地址空间和一个64位数据空 间。Sledgehammer能自动检测应用程序需要在32位模式下运行还是在64位模式下运行。当应用程序和操作系统作出响应，CPU就会自动在给定的模式下运行。

说到Sledgehammer就不得不提及到Clawhammer。AMD计划在发布Sledgehammer之后，推出了市场代号为Clawhammer的处理器。Clawhammer也是基于x86-64技术的，但是定位于桌面电脑和笔记本电脑市场，它是单架构的64-bit x86处理器，虽然主要运行64 bit x86 指令，但是AMD推出它的主要目的是把其作为K8处理器的入门产品，来确保AMD可以生产出最快的32bit x86处理器。

总结：

从历史来看，64位处理器必然是CPU发展史上的一个转折点。然而，这次转折似乎来的太快又太狠了，似乎没有给人以考虑的余地。导致这种现象的出现，完全就是在技术上的突破和性能上的提高所导致的，人们没想到64位处理器会有如此多的优势。

孤星寒月

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