2022年《计算机组装与维护》第章教案 3

1、第四章 CPU 的使用与维修教学目标 了解 CPU的封装技术 掌握 CPU的结构了解主流的 CPU型号 掌握 CPU主要的性能指标 掌握 CPU的选购方法及注意事项 掌握 CPU常见故障及维修方法一、什么是 CPU CPU （Central Processing Unit ）又叫中央处理器，是计算机系统的核心部件，在整个电脑系统中起到运算和 控制的作用。它是由数量众多（几千万个）的晶体管组成的超大规模集成电路，控制着整个计算机系统的运行。二、CPU 的工作原理 1、CPU 的生产过程在了解 CPU 工作原理之前，我们先简单谈谈 CPU 是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU 是如何生产出来的

2、。CPU 芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU 正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU 的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态：ON( 开)和 OFF(关 )。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0” 和“1” 对应，这样，计算机就具备了处理信息的能力。众多晶体管产生的多个“0”和“1” 的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形，如 ASCII 码。2、CPU 的内部结构（

3、 1）算术逻辑单元 ALU(Arithmetic Logic Unit) ALU 是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。（ 2）控制单元 (Control Unit) 控制单元是整个 CPU 的指挥控制中心，由指令寄存器 IR(Instruction Register)、指令译码器 ID(Instruction Decoder)和操作控制器 0C(Operation Controller) 三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。（ 3）寄存器组 RS(Register Set 或

4、Registers) RS 实质上是 CPU 中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少 CPU 访问内存的次数，从而提高了 CPU的工作速度。（ 4）总线 (Bus) 总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“ 公路” 。包括：数据总线 DB(Data Bus) 、地址总线 AB(Address Bus) 、控制总线 CB(Control Bus) 。3、CPU 工作流程（ P10）CPU 就是执行读出数据、处理数据和往内存写数据3 项基本工作

5、。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生显示器上所看到的结果。三、CPU 的外观与构造它不仅起着安放、固定、密封、 保护芯片和增强导热1、内核2、基板3、填充物4、封装封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁 封装方式：DIP（Dual In-line Package ，双列直插封装）QFP/PFP（Quad Flat Package/Plastic Flat Package，扁平小块式封装 PGA(Pin Grid Array ，针脚栅格阵列封装 ) FC-PGA (Flip Clip Pin Grid Array，

6、倒装芯片针脚栅格阵列 ) SECC（Single Edge Contact Connector ，单边接触连接封装）BGA （Ball Grid Array ，球状阵列封装）LGA （Land Grid Array ，岸面栅格阵列封装） 。5、接口/塑料扁平组件式封装）CPU 需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。CPU 接口类型不同， 在插孔数、 体积、形状都有变化，所以不能互相接插。引脚式： 4004、8008、 8086、8088 卡式： slot1/2 、slotA 触点式： LGA775 P4 针脚式： Intel ：socket 7(super 7)/370/423/478 A

7、MD ：Socket A(462)/754/939/940 四、CPU 的性能指标1、字长： CPU 在单位时间内 (同一时间 )能一次处理的二进制数的位数叫字长。2、主频：主频也叫时钟频率，单位是 MHz ，用来表示 CPU 的运算速度。 CPU 的主频外频 倍频系数。CPU 的主频与 CPU 实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在 CPU 内数字脉冲信号震荡的速度。例子：1 GHz Itanium 芯片能够表现得差不多跟 2.66 GHz Xeon/Opteron 一样快，CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线的各方面的性能指标。3、外频：外频是 CPU 的基准频率，单位也是 MH

8、z 。CPU 的外频决定着整块主板的运行速度。4、前端总线： 前端总线 (FSB)频率 (即总线频率 )是直接影响 CPU 与内存直接数据交换速度。数据带宽 (总线频率 数据位宽 )/8，数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。5、倍频：倍频系数是指 CPU 主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高 CPU 的频率也越高。6、缓存：缓存大小也是 CPU 的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对 CPU 速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。由于 CPU 芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。L1 C

9、ache(一级缓存 )是 CPU 第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的 L1 高速缓存的容量和结构对 CPU 的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态 RAM 组成，结构较复杂，在 CPU 管芯面积不能太大的情况下， L1 级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器 CPU 的 L1 缓存的容量通常在 32256KB 。L2 Cache(二级缓存 )是 CPU 的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2 高速缓存容量也会影响 CPU 的性能，原则是越大越好，现在家庭用 CPU 容量通常有 256KB-2MB

10、，而服务器和工作站上用 CPU 的 L2 高速缓存可以有 256KB-3MB ，有的4MB 也不为过。7、扩展指令集CPU 依靠指令来计算和控制系统，每款CPU 在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是 CPU 的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，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 的扩展指令集，分别增强了 CPU 的多媒体、图形图象和 Internet 等的处理能力。我们通常会把 CPU 的扩展指令集称为”CPU 的指令集” 。SSE3 指令集也是目前规模最小的指令集，此前 MMX 包含有 57 条命令， SSE 包含有 50 条命令， SSE2 包含有 144 条命令， SSE3 包含有 13 条命令。目前 SSE3 也是最先进的指令集，英特尔 Prescott 处理器已经支持 SSE3 指令集， AMD 会在未来双核心处理器当中加入对 SSE3 指令集的支持，全美达的处理器也将支持这一指令集。8、内核与 I/O 电压：从 586

12、CPU 开始， CPU 的工作电压分为内核电压和 I/O 电压两种，通常 CPU 的核心电压小于等于 I/O 电压。其中内核电压的大小是根据 CPU 的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低； I/O 电压一般都在 1.65V 。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。9、制造工艺：制造工艺的微米是指 IC 内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的 IC 电路设计，意味着在同样大小面积的 IC 中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。现在主要的 180nm、130nm、90nm、 65nm。Intel 公司更于 2007 年 11 月 16 日发布

13、了 45nm 的制造工艺。五、CPU 的选购(1)CPU 与主板的配合组装一台计算机，要充分发挥 CUP 的性能，必须有相应的主板支持，这又取决于主板上采用的芯片组，它决定 CPU 的接口（插座）类型和前端总线频率，否则影响 CPU 的工作效率。确定一款 CPU 时，同时也决定了它所使用的主板类型。(2)CPU 与内存的配合不同的 CPU 产品拥有不同的前端总线，要想充分发挥CPU 的性能，选择与之相配的内存非常重要。至于如何搭配才能获得最佳性能，一般都是看系统前端总线数据传输带宽与内存数据传输带宽是否吻合。比如：800MHz前端总线的 P4 处理器可心提供 6.4GB/s 的数据传输带宽 ,

14、而双通道的 DDR400 所提供的数据传输带宽恰好是6.4GB/s, 这二者刚好形成好的配合。六、CPU 散热器（一） CPU 散热方式风冷 散热是最常见的，而且非常简单，就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装简单等优点，但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到类似冰箱压缩机制冷的效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。由于其特殊的传热特性，因而可控制管壁温度，避免露点腐蚀。液冷则是使用液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比具有安静、降温稳定、 对环境依赖小等等优点。但热管和液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。（二）风冷散热器技术参数1、风扇功率 2、风扇口径3、风扇转速 4、风扇噪音5、风扇排风量 6、散热片材质7、散热片材料的纯度 8、散热器的精度9、散热片体积 10、风扇轴承（三）散热器的选购七、CPU 常见故障及维修