CPU是 Central processing Unit的缩写,其中文含义为“中央处理器”,CPU是决定一台计算机性能的核心部件,人们常以它来判定一台计算机的档次,其重要程度相当于人的大脑,下面我们对CPU进行比较全面的介绍:
构成:
运算器:完成计算机中所有的算术运算和逻辑运算,相当于工厂中的机器。
算术运算:加、减、乘、除
逻辑运算:与、或、非
控制器:根据程序控制数据的输入、处理、输出,相当于工厂的工人。
高速缓存:解决高速的处理器内核与低速内存通信的瓶颈问题。
主频:(CPU Clock speed)
CPU内核的运行时的时钟频率,单位为MHZ或GHZ,我们买了一个CPU为PENTIUM Ⅲ500,这里的“500”就是主频,指500MHZ;而如果是CERLON D 2.4,“2.4”就是主频,指2.4GHZ(1GHZ=1000MHZ)。从486DX2开始,为了将高主频的CPU与较低时钟频率的主板相匹配,CPU采用了较低的输入时钟和在内部倍频到主时钟频率的方法:CPU输入时钟称为外频,常取系统总线频率,如33、50、66、100、133MHZ等;CPU内部倍频常取为3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8等。CPU的主频高低与外频和倍频有关:CPU主频=外频*倍频
*一般来说,主频越高,速度就越快;
*但由于内部结构不同,并不是所有时钟频率相同的CPU性能都一致;
*另外要说明:CYRIX的CPU对主频这项指标采用PR(Performance Rating)性能等级参数来标称,表示CPU性能相当于INTEL某主频CPU的性能。用PR参数标称的CPU实际运行时钟频率与标称并不一致。例如MⅡ300的实际运行频率为233MHZ(66*3.5),但PR参数主频标为300MHZ,意思就是MⅡ300相当于INTEL的PⅡ300,不过事实上也仅是MⅡ300的整数性能与PⅡ300相当而已。
外频:
主板为CPU内核工作提供的基准频率;一般内存运行也取这个频率。
倍频:
主频与外频的倍数,在相同外频情况下,倍频越高,主频就越高。倍频为5—8倍比较合适,若太低,CPU运算速度显得太慢;若太高,内存与CPU交换数据速度跟不上,浪费了CPU的运算能力。
前端总线:FSB
CPU与北桥芯片交换数据的频率,例如:PENTIUM 4 2.4C的FSB为800MHZ,而CPU外部数据总线宽度为64bit,可以计算出数据传输率为800*64/8=6400MB/S=6.4GB/S;CERLON 2.4的FSB为400MHZ,则可计算出数据传输率为400*64/8=3200MB/S=3.2GB/S。
字长:
指CPU内部数据总线宽度,代表了CPU一次可以处理数据的最大宽度,单位是二进制位(bit),反映了CPU处理数据的速度和精度。平时所说的32位或64位处理器说的就是字长。486CPU数据总线宽度为32位,就是32位处理器。而也有内外部数据总线宽度不一致的情况:如8088CPU内部数据总线16位,外部数据总线为8位,仍然是16位处理器,只不过以8位方式与北桥芯片交换数据;而PENTIUM CPU内部数据总线32位,处部数据总线64位,仍然是32位处理器,不能称为64位处理器,它只是以64位方式与北桥芯片交换数据而已。
高速缓存:
以前的系统,CPU的速度大高于内存的运行速度,假设CPU可以1秒钟完也一件事,而内存要5秒钟才可以准备好CPU下一次要用的数据,那么CPU的工作方式就是1秒钟完成了一件事,再等待4秒钟,才开始做下一件事,对CPU的工作能力造成了巨大的浪费。为了解决高速的CPU与低速内存通信的瓶颈问题,采用了在CPU和内存之间加入高速缓存的方法,高速缓存的速度与CPU的速度相同,这样在工作时,就可以把要加工的一块数据先从内存放入高速缓存,这样CPU直接与高速缓存打交道,就可以全速工作了,当高速缓存中数据加工完后再到内存中取一大快数据到高速缓存,这样极大的提高了整机性能,一开始高速缓存是安装在主板上的,称为外部高速缓存(External Cache)。这样只有一级高速缓存的系统还是有缺点:即当把高速缓存中的数据加工完了之后,又要从内存中提取数据,CPU又要等待4秒钟。为了解决这一问题,从486CPU开始,把高速缓存集成到了CPU内部,称为内部高速缓存,加上主板上的高速缓存,形成了二级高速缓存,这样,CPU在加工一级高速缓存数据时,可以并行地把内存里即将要加工的数据往二级高速缓存里放,当把一级高速缓存数据处理完后,直接到二级高速缓存取,由于二级高速缓存速度和CPU相同或稍慢,这样就不至于等很长时间。到PENTIUM Ⅱ的时候,INTEL公司把二级高速缓存也集成到了CPU内部,有的主板上还保留有高速缓存,这样就形成了三级高速缓存。
*二级缓存容量大一倍,整体性能能有10%的提升,大家都知道,INTEL公司的CERLON系列产品就去除了二级高速缓存,或只有少量二级高速缓存的PENTIUM产品。
CPU的外部总线:
CPU的总线是指CPU芯片与外部连接的总线,四其引脚引出,包括数据线、地址线、控制线三组。数据线传送数据,是双向的,其宽度通常表示着CPU的字长,但出于某些原因,一些CPU内、外部数据总线宽度并不一致;地址线传送内存单元的地址或I/O地址,是单向的,地址线的宽度表示着CPU直接可以寻址的内存空间大小。如286CPU地址线为24位,则它可以支持的最大地址为224,即16MB;又如486CPU的地址线为32位,则它可以支持的最大地址为232,即4GB。控制线传送CPU发出的各种命令和外部返回的响应和申请,控制线也是双向的。
CPU的指令系统:
为CPU增加X86扩展指令的目的是提高CPU处理多媒体数据的能力。
当前所使用的各种X86扩展指令中,MMX(多媒体扩展指令集,57条)和SSE(因特网数据流单指令扩展,71条)由INTEL公司开发,3Dnow!(21条)和增强版3Dnow!(45条)为AMD公司开发。在以上扩展指令集中,SSE和3Dnow!都是为弥补MMX的不中而开发的。
目前所有X86系列CPU都支持MMX,但对SEE和3Dnow!的支持却分为两大阵营,INTELCPU只支持SSE,而AMD公司的CPU仅支持3Dnow!,而其他口牌的CPU在支持SSE或3Dnow!上的态度至今不明朗。扩展指令集的分裂也迫使各应用软件开发商不得不在其软件中同时提供分别对SSE和3Dnow!指令进行优化的软件包。
CPU的工作电压:
早期的CPU仅以+5V或+3.3V供电,称为单电压CPU。而现在的CPU一般都采用双电压供电,CPU核心用低电压,它的I/O电路则用较高的电压,既保证了电路的可靠性,又减少了功耗。CPU的核心电压( Vcore)从2.9V到1.8V,甚至到0.8V。CPU的I/O电压(Vio)从3.3V到3.6V。
CPU内核电压的高低主要取决于CPU的制造工艺,也就是平常所说的“0.35微米”或“0.25微米”等,制造芯片的微米值越小,表明制造工艺越先进,CPU运行时所需的内核电压越低,CPU相对消耗的能源就越小。例如PENTIUM MMX和早期的PⅡ采用“0.35微米”制造工艺,所以它们的内核工作电压都是2.8V;而后来PⅡ和PⅢ改用“0.25微米”制造工艺,所以其内核工作电压也相继降为2.0V(前端总线为100MHZ的PⅢ,厂家称内核1.8V,但主板实测仍为1.98V)。
在CPU的实际应用时,使用SUPER7主板的用户需按要求分别调整CPU内核和I/O供电电压。而使用SLOT1架构CPU时则由主板自动调整相应的内核和I/O供电电压。部分厂家为迎合发烧友级用户的超频欲望,为该SLOT主板上增加了可由用户控制的CPU内核电压微调功能。
CPU的运算速度:
CPU的运算速度是指其每秒钟能够处理的指令数,单位为MIPS(百万指令每秒)。这个指标是CPU速度的本质指标,它不光取决于主频,更主要地取决于CPU处理指令的逻辑结构。以前CPU处理一条指令需要几个时钟周期,目前的CPU采用了超标量结构等技术,一个时钟周期就可以处理几条指令。举例来说:INTEL80286—12MHZCPU的运算速度为2.66MIPS;80386DX—33MHZCPU的运算速度为11.4MIPS;80486DX—33MHZCPU的运算速度为27MIPS;80486DX2—66MHZCPU的运算速度为54MIPS;PENTIUM—66MHZCPU的运算速度为112MIPS。由此可以看出不同档次的CPU既使主频相同,其运算速度也有成倍的差别。
CPU的封装形式:
CPU和外围芯片都是集成电路IC(Integrate Circuit)器件。自从1971年INTEL公司制造出4位微处理器芯片以来,在30时间里,CPU从INETL4004、8008、一直发展到令天的PENTIUM 4。CPU的性能和功能都越来越强,结构越来越复杂,制造工艺也越来越精细。由于在有限面积的芯片集成的晶体管数由几千个升到几千万个,集成度越来越高,半导体芯片由小规模集成电路(SSIC)、中规模集成电路(MSIC)、大规模集成电路(LSIC)、超大规模集成电路(VLSIC)到特大规模集成电路(ULSIC)。由于电路越来越复杂,集成电路与外部连接的引脚从几十条增加到几百条,这就使得芯片封装形式也不断变化。
所谓芯片的封装是指安放半导体芯片所用的外壳,芯片内部电路用非常精细的导线连接到封装外壳的导电引脚上,通过引脚与印刷电路板上的其它元器件连接。因此,封装对CPU和其它集成电路都是非常重要的。新一代的CPU也往住采用新型的封装形式。
芯片的封装从DIP、QFP、PGA到BGA等经历了若干代的改进,使得封装面积与芯片面积越来越接近,适用频率越来越高,散热耐温性能越来越好,引脚数目越来越多而间距越来越小,可靠性越来越高,安装越来越方便。下面对各种封装做一个简单的介绍:
DIP:(Dual In-line Package)双列直插封装,是70年代流行的中小规模集成电路的封装形式。引脚直立在矩形集成电路的两个长边上,通常为8到40脚。INTEL公司的8088、80286处理器都采用了DIP封装。
PQFP:(Plastic Quad Flat Package)塑料四方扁平封装,是80年代的大规模集成电路的封装形式。引脚由方形集成电的四个边上引出,通常为几十到上百脚。INTEL公司的80386处理器有采用PQFP封装的。
PPGA:(Plastic Pin Grid Array Package)塑料针栅阵列封装或CPGA陶瓷针栅阵列封装,是90年代超大规模集成电路的封装形式。针形引脚由集成电路的方形底面上直立引出,通常为二、三百脚。这个时期的多种CPU、外围芯片组等采用此种封装,如80486、PENTIUM等。这类CPU采用的插座有SOCKET2、3直到8,还用SOCKET370和SUPER7等。
BGA:(Ball Grid Array Package)球栅阵列封装,是90年代后期超大规模集成电路的另一种封装形式。球形引脚由集成电路的方形底面上引出,通常为五、六百脚。目前大多数外围芯片和便携机专用CPU采用此种封装,便于将高密度的引脚焊接到主板上。
CPU的接口介绍:
SOCKET:插座
Socket 370用于后期的Pentium Ⅲ和Celeron
Socket 423用于早期的Pentium 4A
Socket 478用于Pentium 4A、Pentium 4B、Pentium 4C、Pentium 4E、Celeron 4、Celeron D
LGA 775用于Pentium 4E
SLOT:插槽
Slot1:Pentium Ⅱ、早期Pentium Ⅲ和Celeron
Slot2:Pentium Ⅲ
ZIF:零插拔力插座。
CPU的技术名词:
超标量:超标量是指在一个时钟同期内CPU可以执行一会以上的指令。这在486或者以前的CPU上是很难实现的,只有PENTIUM级以上的CPU才具有这种超标量结构。486以下的CPU属于低标量结构,即在这类CPU内执行一条指令需要一个或一个以上的时钟周期。
超线程:是INTEL推出PEINTIUM 4C系列处理器含有的新技术,其实质是用两个逻辑内核模拟两个物理芯片,其性能要提升10%。
双核心:与超线程不同,它指物理上的双核心,性能要提升70%以上。
64位处理器:指CPU内部数据总线为64位,具有64位运算能力,AMD公司推出的Athlon64就是64位处理器,但要配合64的操作系统,才能发挥其优势。
动态处理:动态处理是应用在高性能Pentium处理器中的新技术,创造性地把3项专为提高处理器对数据的操作效率而设计的技术融合在一起。这3项技术是多路分流预测、数据流量分析和猜测执行。动态处理并不是简单执行一串指令,而是通过操作数据来提高处理器的工作效率。动态处理包括以下几个方面:
多路分流预测:通过几个分支对程序流向进行预测,采用多路公流预测算法后,处理器便可参与指令流向的跳转。预测下一条指令在内存中的位置,其精确度达到尺人的90%以上。这是因为处理器在取指令时,还会在程序中寻找未来要执行的指令。这个技术可加速向处理器传送任务。
数据流量分析:抛开原程序的顺序,分析并重排指令,优化执行顺序。处理器读取经过解码的软件指令,判断该指令能否处理或是否需与其他指令一道处理。然后,处理器再决定如何优化执行顺序以便高效地处理和执行指令。
猜测执行:通过提前判读并执行有可能需要的程序指令的方式提高执行速度。当处理器执行指令时(每次5条),采用的是“猜测执行”的方法。这样可使Pentium Ⅱ及以上的处理器超级处理能力得到充分的发挥,从而提升软件性能。被处理的软件指令是建立在猜测分支基础之上,因此结果也就作为“预测结果”保留起来。一旦其最终状态能被确定,指令便可返回到其正常顺序并保持永久的机器状态。
CPU的发展:
4004
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1971-11-15
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108KHZ
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4bit
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4bit
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8bit
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计算器
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8008
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1972-4
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200KHZ
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8bit
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8bit
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14bit
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计字符处理
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8080
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1974-4
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2MHZ
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8bit
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8bit
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16bit
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天文计算
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8085
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1976-3
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5MHZ
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8bit
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8bit
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16bit
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称重与计价
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8086
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1978-8-6
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5/8/10MHZ
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16bit
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16bit
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20bit
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便携机
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8088
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1979-6
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5/8MHZ
|
16bit
|
8bit
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20bit
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IBM PC/XT
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80186
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1982
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工业控制
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80286
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1982-2
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6/10/12MHZ
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16bit
|
16bit
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24bit
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IBM PC/AT
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80386DX
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1985-10-17
1992-10-26
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16/20/25/33/40MHZ
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32Bbit
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32Bbit
|
32Bbit
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倍频为1/2
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80386SX
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16/20/25/33MHZ
|
32Bbit
|
16bit
|
24bit
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倍频为1/2
|
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80486DX
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1989-4-10
…………
…………
1992-8-10
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25/33/50MHZ
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32Bbit
|
32Bbit
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32Bbit
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倍频为1
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芯片内部包含了FPU,8KB Level 1 Cache,
80486DX2一般包含了128KB L2 Cache
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80486SX
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16/20/25/33MHZ
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32Bbit
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32Bbit
|
32Bbit
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倍频为1
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80486DX2
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50/66/80 MHZ
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32Bbit
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32Bbit
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32Bbit
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倍频为2
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80486DX4
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75/100 MHZ
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32Bbit
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32Bbit
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32Bbit
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倍频为3
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ODP处理器
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可以用486SX ODP和486DX ODP替换486SX和486DXCPU升级为486DX2
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Over Drive Processor
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Pentium
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1993-3-22
…………
1996-6-10
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60/66/75/90/100/120/133/150/166/200MHZ
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32Bbit
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64Bbit
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32Bbit
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8KB程序Cache,8KB数据CACHE。296针的PGA封装的Socket 7
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Pentium Pro
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1995-11-1
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150/166/180/200MHZ
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32Bbit
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64Bbit
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36Bbit
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16KB程序Cache,16KB的数据CACHE。256/512/1024KB的内部L2 Cache。387针的PGA封装的Socket 8
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Pentium MMX
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1997-1-8
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166/200/233MHZ
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32Bbit
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64Bbit
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32Bbit
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增加了57条多媒体扩展指令MMX。296针的PGA封装的Socket 7
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Pentium Ⅱ
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1997-5-7
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233/266/300/333/350/400/450MHZ
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可以看作是Pentium Pro和Pentium MMX的结合,另外支持AGP显卡和SDRAM内存。采用242脚的SEC单边接插盒封装的Slot接口。66/100MHZFSB,512KB L2 Cache
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Pentium Ⅲ
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1999-2-26
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450/500/550/600MHZ
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支持100MHZFSB,32KB的L1 Cache,内部也安装了分立的512KB L2 Cache(半速带ECC)。采用单边接触SECC封装和Slot1、Slot2插槽。
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Pentium Ⅲ
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500/533A/533/550/600/650/667/700/733/750/800/850/866/933MHZ/1GHZ/1.13GHZ
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支持100/133MHZFSB,32KB的L1 Cache,内部也安装了分立的256KB L2 Cache(全速带ECC)。采用单边接触SECC、SECC2封装和Slot1、Slot2插槽。或FC-PGA封装Socket370插座。71条SSE。
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Pentium4A
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2000-11-21
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1.3/1.4/1.5/1.7GHZ
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144条SSE2指令,400MHZFSB,8KB L1、256KB L2,快速执行引擎:ALU可以两倍CPU核心工作,Flip-Chip PGA封装Socket 423插座
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Pentium4B
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533MHZFSB,Socket 478插座
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Pentium4C
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2.4GHZ
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800MHZFSB,超线程(HT)技术。Socket 478插座
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Pentium4E
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2.8GHZ
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800MHZFSB,增强的超线程(HT)技术。1MBL2,SSE3指令Socket 478/LGA775插座
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Celeron
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1998-4-15
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266/300/300A/333/366/400
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基于Pentium Ⅱ,取消了内部512KB L2 Cache,采用242针的SEPP封装和Slot1插槽。
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Celeron
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433/466/500/533A/566/600/633/667/700/733/766/800/850MHZ
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基于Pentium Ⅲ内部又集成了128KB的L2 Cache,433以上的CPU用PPGA封装的Socket370插座,433的也有用242脚SEPP封装的SLOT1插槽的。
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Celeron 4
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为P4A的简化版,400MHZFSB,128KB的L2 Cache ,Socket 478插座
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Celeron D
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为P4E的简化版,533MHZFSB,256KB的L2 Cache ,Socket 478插座不含超线程(HT)技术
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