《計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)》第4章教案.doc

第四章 CPU的使用與維修教學(xué)目標(biāo)u 了解CPU的封裝技術(shù)u 掌握CPU的結(jié)構(gòu)u 了解主流的CPU型號(hào)u 掌握CPU主要的性能指標(biāo)u 掌握CPU的選購(gòu)方法及注意事項(xiàng)u 掌握CPU常見(jiàn)故障及維修方法一、 什么是CPUCPU（Central Processing Unit）又叫中央處理器，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，在整個(gè)電腦系統(tǒng)中起到運(yùn)算和控制的作用。它是由數(shù)量眾多（幾千萬(wàn)個(gè)）的晶體管組成的超大規(guī)模集成電路，控制著整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。二、 CPU的工作原理1、CPU的生產(chǎn)過(guò)程在了解CPU工作原理之前，我們先簡(jiǎn)單談?wù)凜PU是如何生產(chǎn)出來(lái)的。CPU是在特別純凈的硅材料上制造的。一個(gè)CPU芯片包含上百萬(wàn)個(gè)精巧的晶體管。人們?cè)谝粔K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(gè)意義上說(shuō)，CPU正是由晶體管組合而成的。簡(jiǎn)單而言，晶體管就是微型電子開(kāi)關(guān)，它們是構(gòu)建CPU的基石，你可以把一個(gè)晶體管當(dāng)作一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)，它們有個(gè)操作位，分別代表兩種狀態(tài)：ON(開(kāi))和OFF(關(guān))。這一開(kāi)一關(guān)就相當(dāng)于晶體管的連通與斷開(kāi)，而這兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的基礎(chǔ)狀態(tài)“0”和“1”對(duì)應(yīng)，這樣，計(jì)算機(jī)就具備了處理信息的能力。眾多晶體管產(chǎn)生的多個(gè)“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(yùn)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(hào)的作用下可完成加、減、乘、除四則運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算。（2）控制單元(Control Unit)控制單元是整個(gè)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0C(Operation Controller)三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。（3）寄存器組 RS(Register Set或Registers)RS實(shí)質(zhì)上是CPU中暫時(shí)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(guò)的數(shù)據(jù)，CPU訪問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問(wèn)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(shí)際上是一組導(dǎo)線，是各種公共信號(hào)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)。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(xiě)數(shù)據(jù)3項(xiàng)基本工作。這個(gè)過(guò)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(shuō)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(hù)芯片和增強(qiáng)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 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(guò)某個(gè)接口與主板連接的才能進(jìn)行工作。CPU接口類(lèi)型不同，在插孔數(shù)、體積、形狀都有變化，所以不能互相接插。引腳式：4004、8008、8086、8088卡式：slot1/2、slotA觸點(diǎn)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(biāo)1、 字長(zhǎng)：CPU在單位時(shí)間內(nèi)(同一時(shí)間)能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)。2、 主頻：主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是MHz，用來(lái)表示CPU的運(yùn)算速度。CPU的主頻外頻倍頻系數(shù)。CPU的主頻與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力是沒(méi)有直接關(guān)系的，主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度。例子：1 GHz Itanium芯片能夠表現(xiàn)得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一樣快， CPU的運(yùn)算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標(biāo)。3、 外頻：外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位也是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運(yùn)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(總線頻率數(shù)據(jù)位寬)/8，數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時(shí)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(duì)比例關(guān)系。在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。6、 緩存：緩存大小也是CPU的重要指標(biāo)之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對(duì)CPU速度的影響非常大，CPU內(nèi)緩存的運(yùn)行頻率極高，一般是和處理器同頻運(yùn)作，工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤(pán)。由于CPU芯片面積和成本的因素來(lái)考慮，緩存都很小。 L1Cache(一級(jí)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(duì)CPU的性能影響較大，不過(guò)高速緩沖存儲(chǔ)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(jí)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32256KB。 L2Cache(二級(jí)緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內(nèi)部和外部?jī)煞N芯片。內(nèi)部的芯片二級(jí)緩存運(yùn)行速度與主頻相同，而外部的二級(jí)緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會(huì)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(guò)。7、 擴(kuò)展指令集CPU依靠指令來(lái)計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)弱也是CPU的重要指標(biāo)，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)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集兩部分，而從具體運(yùn)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(kuò)展指令集，分別增強(qiáng)了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會(huì)把CPU的擴(kuò)展指令集稱(chēng)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，SSE2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。目前SSE3也是最先進(jìn)的指令集，英特爾Prescott處理器已經(jīng)支持SSE3指令集，AMD會(huì)在未來(lái)雙核心處理器當(dāng)中加入對(duì)SSE3指令集的支持，全美達(dá)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(kāi)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1.65V。低電壓能解決耗電過(guò)大和發(fā)熱過(guò)高的問(wèn)題。9、 制造工藝：制造工藝的微米是指IC內(nèi)電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢(shì)是向密集度愈高的方向發(fā)展。密度愈高的IC電路設(shè)計(jì)，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(jì)?，F(xiàn)在主要的180nm、130nm、90nm、65nm。Intel公司更于2007年11月16日發(fā)布了45nm的制造工藝。五、 CPU的選購(gòu)(1)CPU與主板的配合 組裝一臺(tái)計(jì)算機(jī)，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(lèi)型和前端總線頻率，否則影響CPU的工作效率。確定一款CPU時(shí)，同時(shí)也決定了它所使用的主板類(lèi)型。 (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(fēng)冷 散熱是最常見(jiàn)的，而且非常簡(jiǎn)單，就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)環(huán)境依賴(lài)比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)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(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到類(lèi)似冰箱壓縮機(jī)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(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。由于其特殊的傳熱特性，因而可控制管壁溫度，避免露點(diǎn)腐蝕。液冷 則是使用液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴(lài)小等等優(yōu)點(diǎn)。但熱管和液冷的價(jià)格相對(duì)較高，而且安裝也相對(duì)麻煩一些。（二）風(fēng)冷散熱器技術(shù)參數(shù)1、風(fēng)扇功率 2、風(fēng)扇口徑3、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 4、風(fēng)扇噪音5、風(fēng)扇排風(fēng)量 6、散熱片材質(zhì)7、散熱片材料的純度 8、散熱器的精度9、散熱片體積 10、風(fēng)扇軸承（三）散熱器的選購(gòu)七、