走近CPU和主板

李肖锋
1999年 第1期 23版

#1    第一篇  认识CPU
    这里所说的CPU，是指目前广泛使用的电脑即IBM PC及其兼容机中所使用的CPU，也就是大家平常所说的X86系列CPU。CPU是“Central Processor Unit”的缩写，它是电脑中的最关键部件，电脑的升级实际上主要就是CPU芯片的升级。
    以下我们从业余角度介绍CPU的一般技术结构和接口，主要技术参数及其意义，另外再从应用角度介绍一下当前主流的CPU及其主要技术特性。
#1    一、X86 CPU的简历
    1.X86 CPU系列的产生
    1978年，美国Intel公司首次生产出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指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也称之为X86指令集。虽然以后Intel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。 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，同样由于商标注册问题，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。
    2.X86系列CPU的发展史
    X86系列CPU的发展史实际上是以Intel公司的产品为代表的发展史。
    从1978年Intel制造出第一片i8086以来的短短二十年，CPU已经发展到第六代的Pentium Ⅱ，并且64位的第七代芯片也即将推出。X86系列CPU的发展史是从1978年开始的：
    ·8086  1978年6月推出，为第一代CPU（16位），其运算速度<1MIPS（1个MIPS表示每秒钟运算1百万次）。
    ·8088  1979年6月推出，8086的简化型CPU，与8086的区别是：其数据总线宽度内部为16位、外部为8位。
    ·80286  1982年2月推出，为第二代CPU（16位），运算速度1～2MIPS。
    ·80386  1985年10月推出，为第三代CPU（32位），运算速度6～12MIPS。
    ·80486　1989年4月推出，为第四代CPU（32位），运算速度20～40MIPS，首次在486DXCPU内部集成了数学协处理器。
    ·Pentium　1993年3月推出的第五代CPU（32位），厂家代号：P54C，运算速度在100～200MIPS以上。Intel的第五代CPU推出后，为摆脱AMD等兼容CPU厂家的纠缠而进行了注册申请，但由于不能用阿拉伯数字申报注册，所以Intel将i80586改成了Pentium（Pentium是拉丁文，表示“五”的意思），另外还为Pentium起了中文名字“奔腾”，但我国多数人还是习惯称之为“586”。
    ·Pentium Pro　1995年11月推出，为第六代CPU（32位），中文名称“高能奔腾”。Intel公司第一次采用了双芯片CPU生产技术，在CPU内部集成了256～512KB的L2 Cache，因此L2 Cache能与CPU内部时钟同步运行。Pentium Pro主要应用在服务器方面。
    ·Pentium MMX  1997年1月推出，仍然是第五代CPU（32位），厂家代号：P55C，中文名称“多能奔腾”。是在原Pentium芯片中增加了处理多媒体数据的MMX指令集改进而成。
    ·Pentium Ⅱ  1997年5月推出，仍然属于第六代CPU（32位），中文文称“奔腾二代”。将Pentium Ⅱ CPU芯片、Tag RAM（L2 Cache的管理和控制芯片）和L2 Cache集成在一块电路板上，然后封装在单边接触盒（SEC）中并加上冷却风扇。所以它的外形与以往的CPU大不一样，是一个扁黑盒子。
#1    二、当前主用的CPU和技术特点
    1.目前主用的CPU
    目前我们使用的CPU主要有Pentium MMX（586）和Pentium Ⅱ（686）及其兼容CPU。
    586级CPU主要有Intel公司的Pentium MMX、AMD公司的K6、Cyrix公司的6x86MMX和IDT公司少量的Pentium兼容级CPU产品；686级CPU主要有Intel公司的Pentium Ⅱ和Celeron，AMD公司的K6－2和Cyrix公司的MⅡ。
    2.CPU的实际封装形式
    目前的主流CPU有两种封装形式：一种是Socket 7，采用296根针脚的PGA封装；另一种是Slot 1结构的Pentium Ⅱ系列CPU，采用单边接触盒封装。
    ●Socket 7结构  电脑从486开始普遍采用Socket插座来安装CPU，从Socket 4、Socket 5一直延续到现在的Socket 7。
    Socket 7是方形多针脚ZIF（零插拔力）插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片了。Socket 7插座不但可以安装Intel公司的Pentium、Pentium MMX，还能安装AMD公司的K5、K6和K6－2，Cyrix公司的6x86、6x86MMX和6x86 MⅡ和IDT公司的Winchip C6也可以安装。适用范围非常广。
    ●Slot 1结构  Slot 1是一个242线的插槽，外形与AGP插槽有点相似，实际上，Slot1是一种电路板插槽。使用Slot 1接口的CPU只有Intel的Pentium Ⅱ系列、Celeron和Celeron 300A/333。
    3.CPU的主要技术特征
    ●主频  主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度，主频越高，表明CPU的运算速度越快，从i80486DX2开始，主频=外频×倍频系数。
    ●外频  外频是CPU的基准频率，也叫前端总线频率和系统总线频率，单位也是MHz。在Socket架构主板上，外频频率与系统内存和L2 Cache总线时钟频率相同。CPU的外频越高，证明CPU与L2 Cache和系统内存交换速度越快，对提高电脑系统的整体运行速度很有利。
    ●倍频系数  即CPU主频和外频之间的相对比例关系。例如当某CPU的倍频系数为3、外频为100MHz时，CPU的主频就是300MHz；当将外频改为112MHz时，则主频将为336MHz等等。现在Intel生产的CPU基本上全部采用了倍频系数不能改变的锁频技术，因此电脑发烧友对CPU超频只好从提高外频的方法进行了。不过AMD和Cyrix等公司的兼容CPU现在都没有锁频。
    ●L1 Cache容量  集成在CPU内部的高速缓存，容量通常在32～64KB。
    ●生产工艺技术  指在硅材料上生产CPU时内部各元器件间的联接线宽度，一般用微米（μm）表示，微米数值越小，生产工艺越先进，CPU内部功耗和发热量就越小。目前生产工艺已经达到0.25微米，正在向0.18微米技术努力。
    ●CPU内核和I/O工作电压  从586CPU开始，CPU的工作电压分内核电压和I/O电压两种，其中内核电压根据CPU生产工艺而定，一般微米数值越小，内核工作电压越低；I/O工作电压一般都在3V左右，具体数值根据各厂家具体的CPU型号规格确定。
    ●接口标准  指CPU安装在电脑主板上时使用的插座类型，主要有Socket 7和Slot 1。其中Socket 7可以使用Intel的586系列和所有其他厂家生产的与其兼容的CPU；Slot 1由于受专利保护，目前只能使用Intel自己的686系列CPU。
    ●CPU附加指令集  附加指令集通常是指为原X86系列CPU增加的多媒体或3D处理指令。目前有Intel的MMX、AMD的3D Now！和Intel下一步的KNL（MMX2）。附加指令可以提高CPU处理多媒体和3D图形等数据的能力。
    ●超频能力  超频就是在实际使用时让CPU工作在高于标称时钟频率上。一般情况下，CPU都能在正常工作电压下跳高一档主频运行，特别是Intel的Pentium Ⅱ系列CPU，在正常供电情况下大多能超频25％左右运行。而AMD和Cyrix等兼容CPU最多只能高跳一档（约17％以内），且在多数情况下需要调节CPU工作电压和加大散热器才能让CPU稳定运行，所以AMD等公司的CPU超频性能与Intel产品相比要差很多。
#1    第二篇  关注主板
    主板和CPU一样，是电脑中最关键部件之一。从某种意义上说，主板比CPU更关键。因为在电脑系统中，CPU、RAM、存储设备和显示卡等所有部件都必须通过主板相结合，主板性能和质量的好坏将直接影响整个系统。因此关注和了解主板，对我们今后使用和装、修电脑非常有用。
    电脑主板按不同的标准架构，由各种不同的主要部件和接口组合而成。
#1    1.架构标准
    架构标准是指主板提供的CPU安装（插座/槽）标准。目前主板分为Slot 1和Super 7两类。Slot 1结构主板使用Intel公司Pentium Ⅱ系列的CPU；Super 7结构主板使用所有Socket 7接口的CPU。Super 7实际上是指支持Socket 7＋AGP扩展槽的主板。
#1    2.物理结构标准
    主板根据需要生产成不同尺寸和安装规格标准，目前仍然使用的结构标准有Baby－AT、ATX、Micro ATX和NLX。
    ●Baby－AT型  这种主板是我们以前常用的，它的特征是串口和打印口等需要用电缆联接后安装在机箱后框上。
    ●ATX和Micro ATX型  这种主板是将Baby－AT旋转90度，并将串、并口和鼠标接口等直接设计在主板上，取消了联接电缆，使串、并、键盘等接口集中在一起，对机箱工艺有一定要求。Micro ATX主板与ATX基本相同，但通常只有两个PCI和两个ISA扩展槽，两个168线的DIMM内存槽，整个主板尺寸减少很多，需要特制的Micro ATX机箱。
    ●NLX型  NLX结构是英语“Now Low Profile Extension/新型小尺寸扩展结构”的意思，这是进口品牌机经常使用的主板，它在将各串、并等接口直接安装在主板上后，专门用一块电路板将扩展槽设置在上面，然后再将这块插入主板上预留的一个安装接口槽，这样可以将机箱尺寸做得比较小。
    ●其它结构主板  主板中还有一种将显示卡、声卡甚至一部分内存也集成在一起的主板，目的是降低电脑整机生产成本。这就是所谓的All－In－One主板，这种主板性能价格比较高，但作为个人装机用，多数情况下不太理想。另外还有双CPU插座（槽）的主板，这些主板主要是供服务器或专用工作站使用的。
    我们在组装电脑时使用最多的是Baby－AT和ATX结构， Micro ATX和NLX结构目前多为各IT厂商生产品牌电脑使用。
#1    3.主板芯片组
    芯片组是主板上最重要的部件，主板的功能主要取决于芯片组。芯片组负责管理CPU和内存、各种总线扩展以及外设的支持等，见图1。
    ^012301a^1 芯片组在主板中的作用
    目前使用的芯片组按主板架构分为两类，一类支持Socket 7标准主板，一类支持Slot 1标准主板。支持Socket 7标准的有Intel公司的430系列及其兼容芯片组，见图2；支持Slot 1标准的有Intel公司的440系列及其兼容芯片组，具体见图3。
    ^012301b^2  Socket 7架构主板芯片组发展情况
    ^012301c^3  Slot 1 架构主板芯片组发展情况
#1    4.BIOS芯片
    BIOS是“基本输入输出系统”程序的专用存储芯片。BIOS芯片负责在主板通电后即对电脑各分系统各部件的自检，当一切“OK”后才开始启动操作系统。在486电脑时代，BIOS芯片出厂后就无法由用户自己修改，而586以上的主板BIOS是可以根据情况由用户自行逐步更新了。
    目前各IT厂商生产的主板上（除供整机厂使用的专用BIOS外）安装的BIOS基本上可以分成三种：Award BIOS、AMI BIOS和Phoenix BIOS。其中我们接触最多的是第一、第二种，第三种通常应用于进口品牌机中，比如HP机用的就是它。
#1    5.总线扩展槽
    扩展槽按功能可分为内存插槽、PCI/ISA扩展槽、AGP显示卡插槽等。主板上的内存插槽，分DIMM（双列直插内存，常用168线）和SIMM（单列直插内存，常用72线）两种，但在Slot 1主板上很少有SIMM内存槽。主板上的AGP（高速图形接口）显示卡专用槽是目前主流电脑必配的。Intel的Triton 440系列芯片组从440LX开始才支持AGP槽；而在Socket 7主板上，所有Intel的Triton 430系列均不支持AGP，反而只有在非Intel芯片组基础上发展起来的兼容芯片组才能支持，并将Slot 1主板上的一些先进技术引进了Socket 7主板。
#1    6.各类I/O接口
    这类接口是联接各种硬、软盘的EIDE口和软驱口、串口、并口、PS/2、USB（通用串行总线）和红外传输接口。
#1    7.L2 Cache（二级高速缓存）
    这一项仅限于Socket 7主板，容量通常在512KB～1MB。在Slot 1主板上没有设置L2 Cache，因为Intel已经将L2 Cache和Tag RAM集成在Pentium Ⅱ的单边接触盒中。