《計算機組裝與維護》第4章教案

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1、第四章 CPU 的使用與維修 教學(xué)目標 了解CPU的封裝技術(shù) 掌握CPU的結(jié)構(gòu) 了解主流的CPU型號 掌握CPU主要的性能指標 掌握CPU的選購方法及注意事項 掌握CPU常見故障及維修方法 一、 什么是 CPU CPU (Central Processing Unit )又叫中央處理器，是計算機系統(tǒng)的核心部件，在整個電腦系統(tǒng)中起到運算和 控制的作用。它是由數(shù)量眾多(幾千萬個)的晶體管組成的超大規(guī)模集成電路，控制著整個計算機系統(tǒng)的運行。 二、 CPU 的工作原理 1、 CPU 的生產(chǎn)過程 在了解 CPU 工作原理之前，我們先簡單談?wù)?CPU 是如何生產(chǎn)出來的。 CPU

2、是在特別純凈的硅材料上制造的。一個 CPU 芯片包含上百萬個精巧的晶體管。人們在一塊指甲蓋大小 的硅片上，用化學(xué)的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個意義上說， CPU 正是由晶體管組合而成的。簡單 而言，晶體管就是微型電子開關(guān)，它們是構(gòu)建 CPU 的基石，你可以把一個晶體管當作一個電燈開關(guān)，它們有個 操作位，分別代表兩種狀態(tài)： 0N(開)和OFF(關(guān))。這一開一關(guān)就相當于晶體管的連通與斷開，而這兩種狀態(tài)正好 與二進制中的基礎(chǔ)狀態(tài)“ 0”和“ 1”對應(yīng)，這樣，計算機就具備了處理信息的能力。眾多晶體管產(chǎn)生的多個“ 0” 和“ 1”的特殊次序和模式能代表不同的情況，將其定義為字母、數(shù)字、顏色

3、和圖形，如 ASCII 碼。 2、 CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ( 1)算術(shù)邏輯單元 ALU(Arithmetic Logic Unit) ALU 是運算器的核心。它是以全加器為基礎(chǔ)，輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏輯組合而成的電路，在控制 信號的作用下可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算。 ( 2)控制單元 (Control Unit) 控制單元是整個 CPU的指揮控制中心，由指令寄存器 IR(Instruction Register)、指令譯碼器 ID(Instruction Decoder)和操作控制器 OC(Operation Controller)三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有

4、序工作極為重要。 ( 3)寄存器組 RS(Register Set 或 Registers) RS 實質(zhì)上是 CPU 中暫時存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)， CPU 訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器，可以減少 CPU 訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了 CPU 的工作速度。 ( 4)總線 (Bus) 總線實際上是一組導(dǎo)線， 是各種公共信號線的集合， 用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的 “公 路”。包括： 數(shù)據(jù)總線 DB(Data Bus) 、地址總線 AB(Address Bus) 、控制總線 CB(Control Bus)

5、 。 3、 CPU 工作流程( P10) CPU 就是執(zhí)行讀出數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和往內(nèi)存寫數(shù)據(jù) 3 項基本工作。這個過程不斷快速地重復(fù)，快速地執(zhí)行 一條又一條指令，產(chǎn)生顯示器上所看到的結(jié)果。 三、 CPU 的外觀與構(gòu)造 1、 內(nèi)核 2、 基板 3、 填充物 4、 封裝 封裝也可以說是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼， 它不僅起著安放、固定、 密封、 保護芯片和增強導(dǎo)熱 性能的作用，而且還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁 封裝方式： DIP （ Dual In-line Package ，雙列直插封裝） QFP/PFP （Quad Flat Package/Plastic

6、Flat Package,扁平小塊式封裝 /塑料扁平組件式封裝） PGA（Pin Grid Array ，針腳柵格陣列封裝 ） FC-PGA （Flip Clip Pin Grid Array ,倒裝芯片針腳柵格陣列 ） SECC（ Single Edge Contact Connector ,單邊接觸連接封裝） BGA （ Ball Grid Array ,球狀陣列封裝） LGA （ Land Grid Array ,岸面柵格陣列封裝） 。 5、接口 CPU 需要通過某個接口與主板連接的才能進行工作。 CPU 接口類型不同, 在插孔數(shù)、 體積、 形狀都有變化, 所以不能互相接插

7、。 引腳式： 4004、8008、 8086、8088 卡式： slot1/2 、slotA 觸點式： LGA775 P4 針腳式： Intel ：socket 7（super 7）/370/423/478 AMD ：Socket A（462）/754/939/940 四、 CPU 的性能指標 1、 字長： CPU 在單位時間內(nèi) （同一時間 ）能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。 2、 主頻：主頻也叫時鐘頻率，單位是 MHz，用來表示CPU的運算速度。CPU的主頻=外頻X倍頻系數(shù)。 CPU 的主頻與 CPU 實際的運算能力是沒有直接關(guān)系的, 主頻表示在 CPU 內(nèi)數(shù)字脈沖信號震

8、蕩的速度。 例子： 1 GHz Itanium芯片能夠表現(xiàn)得差不多跟 2.66 GHz Xeon/Opteron —樣快，CPU的運算速度還要看 CPU的流水線 的各方面的性能指標。 3、 外頻：外頻是 CPU 的基準頻率,單位也是 MHz。 CPU 的外頻決定著整塊主板的運行速度。 4、 前端總線：前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）是直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。 數(shù)據(jù)帶寬=（總 線頻率X數(shù)據(jù)位寬）/8，數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率。 5、 倍頻：倍頻系數(shù)是指 CPU 主頻與外頻之間的相對比例關(guān)系。在相同的外頻下,倍頻越高 CPU 的頻率也 越高

9、。 6、 緩存：緩存大小也是 CPU 的重要指標之一,而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對 CPU 速度的影響非常大, CPU 內(nèi)緩存的運行頻率極高,一般是和處理器同頻運作,工作效率遠遠大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤。由于 CPU 芯片面積和 成本的因素來考慮，緩存都很小。 L1 Cache(—級緩存)是CPU第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內(nèi)置的 L1高速緩存的容量和結(jié) 構(gòu)對 CPU 的性能影響較大，不過高速緩沖存儲器均由靜態(tài) RAM 組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在 CPU 管芯面積不能太大 的情況下， L1 級高速緩存的容量不可能做得太大。一般服務(wù)器 CPU 的 L1 緩存的容量通常在 32—256KB 。

10、 L2 Cache(二級緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內(nèi)部和外部兩種芯片。內(nèi)部的芯片二級緩存運行速度與 主頻相同，而外部的二級緩存則只有主頻的一半。 L2 高速緩存容量也會影響 CPU 的性能，原則是越大越好，現(xiàn) 在家庭用 CPU 容量通常有 256KB-2MB ，而服務(wù)器和工作站上用 CPU 的 L2 高速緩存可以有 256KB-3MB ，有的 4MB 也不為過。 7、 擴展指令集 CPU 依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每款 CPU 在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指 令的強弱也是 CPU 的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。 從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)

11、構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡指令集兩部分，而從具體運用看，如 Intel 的 MMX ( Multi Media Extended )、 SSE、 SSE2(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2 )、 SEE3 和 AMD 的 3DNow! 等都是 CPU 的擴展指令集，分別增強了 CPU 的多媒體、圖形圖象和 Internet 等的處理能力。我 們通常會把 CPU 的擴展指令集稱為” CPU 的指令集”。 SSE3 指令集也是目前規(guī)模最小的指令集，此前 MMX 包 含有57條命令，SSE包含有50條命令，SS

12、E2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。目前 SSE3也是最 先進的指令集，英特爾 Prescott處理器已經(jīng)支持 SSE3指令集，AMD會在未來雙核心處理器當中加入對 SSE3指 令集的支持，全美達的處理器也將支持這一指令集。 8、 內(nèi)核與 I/O 電壓：從 586CPU 開始， CPU 的工作電壓分為內(nèi)核電壓和 I/O 電壓兩種，通常 CPU 的核心 電壓小于等于 I/O 電壓。其中內(nèi)核電壓的大小是根據(jù) CPU 的生產(chǎn)工藝而定，一般制作工藝越小，內(nèi)核工作電壓 越低；I/O電壓一般都在1.6~5V。低電壓能解決耗電過大和發(fā)熱過高的問題。 9、 制造工藝：制造工藝的微米是指 I

13、C 內(nèi)電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向 發(fā)展。密度愈高的 IC 電路設(shè)計，意味著在同樣大小面積的 IC 中，可以擁有密度更高、功能更復(fù)雜的電路設(shè)計。 現(xiàn)在主要的180 nm、130 nm、90nm、65nm。In tel公司更于2007年11月16日發(fā)布了 45 nm的制造工藝。 五、 CPU 的選購 (1) CPU 與主板的配合 組裝一臺計算機，要充分發(fā)揮 CUP 的性能，必須有相應(yīng)的主板支持，這又取決于主板上采用的芯片組，它 決定 CPU 的接口(插座)類型和前端總線頻率，否則影響 CPU 的工作效率。確定一款 CPU 時，同時也決定了 它所使用的主板類型。

14、 (2) CPU 與內(nèi)存的配合 不同的 CPU 產(chǎn)品擁有不同的前端總線，要想充分發(fā)揮 CPU 的性能，選擇與之相配的內(nèi)存非常重要。至于如 何搭配才能獲得最佳性能，一般都是看系統(tǒng)前端總線數(shù)據(jù)傳輸帶寬與內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸帶寬是否吻合。 比如：800MHz 前端總線的 P4 處理器可心提供 6.4GB/s 的數(shù)據(jù)傳輸帶寬 ,而雙通道的 DDR400 所提供的數(shù)據(jù)傳輸帶寬恰好是 6.4GB/S,這二者剛好形成好的配合。 六、 CPU 散熱器 (一) CPU 散熱方式 風冷 散熱是最常見的，而且非常簡單，就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低，安裝 簡單等優(yōu)點，但對環(huán)境依賴比較

15、高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。 熱管 是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件， 它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量， 它 利用毛吸作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機制冷的效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳 熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu) 緊湊、流體阻損小等優(yōu)點。由于其特殊的傳熱特性，因而可控制管壁溫度，避免露點腐蝕。 液冷 則是使用液體在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量， 與風冷相比具有安靜、 降溫穩(wěn)定、 對環(huán)境依 賴小等等優(yōu)點。但熱管和液冷的價格相對較高，而且安裝也相對麻煩

16、一些。 （二）風冷散熱器技術(shù)參數(shù) 2、風扇口徑 4、風扇噪音 6、散熱片材質(zhì) 8、散熱器的精度 10、風扇軸承 1、風扇功率 3、風扇轉(zhuǎn)速 5、風扇排風量 7、散熱片材料的純度 9、散熱片體積 （三）散熱器的選購 七、 CPU 常見故障及維修 1． CPU 安裝不正確 2．風扇運行不正常 3． CPU 有物理損壞 4．跳線、電壓設(shè)置不正確 小結(jié)：本次課主要對CPU的工作原理、外觀構(gòu)造、性能指標、選購方法等內(nèi)容進行了詳細介紹， 特別是CPU 性能指標，必須掌握它們的含義和作用。同時，還介紹了選購 CPU 產(chǎn)品的方法和技巧，對同學(xué)們具有很強的指 導(dǎo)意義。 作業(yè)： 1、 什么是CPU的主頻、外頻和 FSB?它們之間的區(qū)別是什么? 2、 什么是 CPU的L1 cache和L2 cache ?它們有什么作用？