2022年《計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)》第章教案 3

1、第四章 CPU 的使用與維修教學(xué)目標(biāo) 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(hào) 掌握 CPU主要的性能指標(biāo) 掌握 CPU的選購(gòu)方法及注意事項(xiàng) 掌握 CPU常見(jiàn)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(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)?CPU 是在特別純凈的硅材料上制造的。一個(gè)CPU 是如何生產(chǎn)出來(lái)的

2、。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)（

3、 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

4、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

5、。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)造它不僅起著安放、固定、密封、 保護(hù)芯片和增強(qiáng)導(dǎo)熱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，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 PGA(Pin Grid Array ，針腳柵格陣列封裝 ) FC-PGA (Flip Clip Pin Grid Array，

6、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/塑料扁平組件式封裝）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 A

7、MD ：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 MH

8、z 。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。L1 C

9、ache(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 。L2 Cache(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

10、，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AM

11、D 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 586

12、CPU 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

13、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 ,

14、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、CPU 常見(jiàn)故障及維修