《計算機組裝與維護》第4章教案

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一、什么是CPUCPU(CentralProcessingUnit)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)凜PU是如何生產(chǎn)出來的。CPU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

2、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(ArithmeticLogicUnit)ALU是運算器的核心。它是以全加器為基礎(chǔ)，輔

3、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(ControlUnit)控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、指令譯碼器ID(InstructionDecoder)和操作控制器OC(OperationController)三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。(3)寄存器組RS(RegisterSet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

4、。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(DataBus)、地址總線AB(AddressBus)、控制總線CB(ControlBus)。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

5、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（DualIn-linePackage，雙列直插封裝）QFP/PFP（QuadFlatPackage/PlasticFlatPackage,扁平小塊式封裝/塑料扁平組件式封裝）PGA（PinGridArray，針腳柵格陣列封裝）FC-PGA（FlipClipPinGridArray,倒裝芯片針腳柵格陣列）SECC（SingleEdgeContactConnector,單邊接觸連接封裝）BGA（BallGridArray,球狀陣列封裝）LGA（LandGridArray,岸面柵格陣列封裝）。5、接口CPU需

6、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。引腳式：4004、8008、8086、8088卡式：slot1/2、slotA觸點式：LGA775P4針腳式：Intel：socket7（super7）/370/423/478AMD：SocketA（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

7、內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度。例子：1GHzItanium芯片能夠表現(xiàn)得差不多跟2.66GHzXeon/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。6、緩存：緩存大小也是CPU的重要指標之一,而且

8、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。L1Cache(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32256KB。L2Cache(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

9、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)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(MultiMediaExtended)、SSE、SSE2(Streaming-Singleinstruc

10、tionmultipledata-Extensions2)、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，SSE2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，

11、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大和發(fā)熱過高的問題。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(1) CPU與主板的配合組裝一臺

12、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。(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)

13、 CPU散熱方式風(fēng)冷散熱是最常見的，而且非常簡單，就是使用風(fēng)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，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(fēng)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）散熱器的選購七、CP