哈佛結(jié)構(gòu)與馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)區(qū)別以及X86體系

哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。

哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。

目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。

馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個(gè)存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。

目前使用馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。

這里所說的CPU，是指目前廣泛使用的電腦即IBM PC及其兼容機(jī)中所使用的CPU，也就是大家平常所說的X86系列CPU。

CPU是“Central Processor Unit”的縮寫，它是電腦中的最關(guān)鍵部件，電腦的升級實(shí)際上主要就是CPU芯片的升級。

以下我們從業(yè)余角度介紹CPU的一般技術(shù)結(jié)構(gòu)和接口，主要技術(shù)參數(shù)及其意義，另外再從應(yīng)用角度介紹一下當(dāng)前主流的CPU及其主要技術(shù)特性

一、X86 CPU的簡歷

1.X86 CPU系列的產(chǎn)生

1978年，美國Intel公司首次生產(chǎn)出16位的微處理器，并命名為i8086，同時(shí)還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些專門用于對數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算指令。

由于這些指令集應(yīng)用于i8086和i8087，所以人們也稱之為X86指令集。雖然以后Intel又陸續(xù)生產(chǎn)出第二代、第三代等更先進(jìn)和更快的新型CPU，但都仍然兼容原來的X86指令

而且Intel在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到后來因商標(biāo)注冊問題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯?dāng)?shù)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的命名方式為自己的X86系列CPU命名。

但到了586時(shí)代，同樣由于商標(biāo)注冊問題，無法繼續(xù)使用與Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外為自己的586、686兼容CPU命名了。

2.X86系列CPU的發(fā)展史

X86系列CPU的發(fā)展史實(shí)際上是以Intel公司的產(chǎn)品為代表的發(fā)展史。

從1978年Intel制造出第一片i8086以來的短短二十年，CPU已經(jīng)發(fā)展到第六代的Pentium Ⅱ，并且64位的第七代芯片也即將推出。X86系列CPU的發(fā)展史是從1978年開始的：

·80861978年6月推出，為第一代CPU（16位），其運(yùn)算速度《1MIPS（1個(gè)MIPS表示每秒鐘運(yùn)算1百萬次）。

·80881979年6月推出，8086的簡化型CPU，與8086的區(qū)別是：其數(shù)據(jù)總線寬度內(nèi)部為16位、外部為8位。

·802861982年2月推出，為第二代CPU（16位），運(yùn)算速度1～2MIPS。

·803861985年10月推出，為第三代CPU（32位），運(yùn)算速度6～12MIPS。

·804861989年4月推出，為第四代CPU（32位），運(yùn)算速度20～40MIPS，首次在486DXCPU內(nèi)部集成了數(shù)學(xué)協(xié)處理器。

·Pentium1993年3月推出的第五代CPU（32位），廠家代號：P54C，運(yùn)算速度在100～200MIPS以上。Intel的第五代CPU推出后，為擺脫AMD等兼容CPU廠家的糾纏而進(jìn)行了注冊申請，但由于不能用阿拉伯?dāng)?shù)字申報(bào)注冊。

所以Intel將i80586改成了Pentium（Pentium是拉丁文，表示“五”的意思），另外還為Pentium起了中文名字“奔騰”，但我國多數(shù)人還是習(xí)慣稱之為“586”。

·Pentium Pro1995年11月推出，為第六代CPU（32位），中文名稱“高能奔騰”。Intel公司第一次采用了雙芯片CPU生產(chǎn)技術(shù)，在CPU內(nèi)部集成了256～512KB的L2 Cache，因此L2 Cache能與CPU內(nèi)部時(shí)鐘同步運(yùn)行。Pentium Pro主要應(yīng)用在服務(wù)器方面。

·Pentium MMX1997年1月推出，仍然是第五代CPU（32位），廠家代號：P55C，中文名稱“多能奔騰”。是在原Pentium芯片中增加了處理多媒體數(shù)據(jù)的MMX指令集改進(jìn)而成。

·Pentium Ⅱ1997年5月推出，仍然屬于第六代CPU（32位），中文文稱“奔騰二代”。將Pentium Ⅱ CPU芯片、Tag RAM（L2 Cache的管理和控制芯片）和L2 Cache集成在一塊電路板上，然后封裝在單邊接觸盒（SEC）中并加上冷卻風(fēng)扇。所以它的外形與以往的CPU大不一樣，是一個(gè)扁黑盒子

二、當(dāng)前主用的CPU和技術(shù)特點(diǎn)

1.目前主用的CPU

目前我們使用的CPU主要有Pentium MMX（586）和Pentium Ⅱ（686）及其兼容CPU。

586級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兼容級CPU產(chǎn)品；686級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的實(shí)際封裝形式

目前的主流CPU有兩種封裝形式：一種是Socket 7，采用296根針腳的PGA封裝；另一種是Slot 1結(jié)構(gòu)的Pentium Ⅱ系列CPU，采用單邊接觸盒封裝。

●Socket 7結(jié)構(gòu)電腦從486開始普遍采用Socket插座來安裝CPU，從Socket 4、Socket 5一直延續(xù)到現(xiàn)在的Socket 7。

Socket 7是方形多針腳ZIF（零插拔力）插座，插座上有一根拉桿，在安裝和更換CPU時(shí)只要將拉桿向上拉出，就可以輕易地插進(jìn)或取出CPU芯片了。

Socket 7插座不但可以安裝Intel公司的Pentium、Pentium MMX，還能安裝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也可以安裝。適用范圍非常廣。

●Slot 1結(jié)構(gòu)Slot 1是一個(gè)242線的插槽，外形與AGP插槽有點(diǎn)相似，實(shí)際上，Slot 1是一種電路板插槽。使用Slot 1接口的CPU只有Intel的Pentium Ⅱ系列、Celeron和Celeron 300A/333。

3.CPU的主要技術(shù)特征

●主頻主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是MHz，用來表示CPU的運(yùn)算速度，主頻越高，表明CPU的運(yùn)算速度越快，從i80486DX2開始，主頻=外頻×倍頻系數(shù)。

●外頻外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，也叫前端總線頻率和系統(tǒng)總線頻率，單位也是MHz。在Socket架構(gòu)主板上，外頻頻率與系統(tǒng)內(nèi)存和L2 Cache總線時(shí)鐘頻率相同。CPU的外頻越高，證明CPU與L2 Cache和系統(tǒng)內(nèi)存交換速度越快，對提高電腦系統(tǒng)的整體運(yùn)行速度很有利。

●倍頻系數(shù)即CPU主頻和外頻之間的相對比例關(guān)系。例如當(dāng)某CPU的倍頻系數(shù)為3、外頻為100MHz時(shí)，CPU的主頻就是300MHz；當(dāng)將外頻改為112MHz時(shí)，則主頻將為336MHz等等。現(xiàn)在Intel生產(chǎn)的CPU基本上全部采用了倍頻系數(shù)不能改變的鎖頻技術(shù)，因此電腦發(fā)燒友對CPU超頻只好從提高外頻的方法進(jìn)行了。不過AMD和Cyrix等公司的兼容CPU現(xiàn)在都沒有鎖頻。

●L1 Cache容量集成在CPU內(nèi)部的高速緩存，容量通常在32～64KB。

●生產(chǎn)工藝技術(shù)指在硅材料上生產(chǎn)CPU時(shí)內(nèi)部各元器件間的聯(lián)接線寬度，一般用微米（μm）表示，微米數(shù)值越小，生產(chǎn)工藝越先進(jìn)，CPU內(nèi)部功耗和發(fā)熱量就越小。目前生產(chǎn)工藝已經(jīng)達(dá)到0.25微米，正在向0.18微米技術(shù)努力。

●CPU內(nèi)核和I/O工作電壓從586CPU開始，CPU的工作電壓分內(nèi)核電壓和I/O電壓兩種，其中內(nèi)核電壓根據(jù)CPU生產(chǎn)工藝而定，一般微米數(shù)值越小，內(nèi)核工作電壓越低；I/O工作電壓一般都在3V左右，具體數(shù)值根據(jù)各廠家具體的CPU型號規(guī)格確定。

●接口標(biāo)準(zhǔn)指CPU安裝在電腦主板上時(shí)使用的插座類型，主要有Socket 7和Slot 1。其中Socket 7可以使用Intel的586系列和所有其他廠家生產(chǎn)的與其兼容的CPU；Slot 1由于受專利保護(hù)，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為原X86系列CPU增加的多媒體或3D處理指令。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處理多媒體和3D圖形等數(shù)據(jù)的能力。

●超頻能力超頻就是在實(shí)際使用時(shí)讓CPU工作在高于標(biāo)稱時(shí)鐘頻率上。一般情況下，CPU都能在正常工作電壓下跳高一檔主頻運(yùn)行，特別是Intel的Pentium Ⅱ系列CPU，在正常供電情況下大多能超頻25％左右運(yùn)行。

而AMD和Cyrix等兼容CPU最多只能高跳一檔（約17％以內(nèi)），且在多數(shù)情況下需要調(diào)節(jié)CPU工作電壓和加大散熱器才能讓CPU穩(wěn)定運(yùn)行，所以AMD等公司的CPU超頻性能與Intel產(chǎn)品相比要差很多