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1、-计算机组装与维护第4章教案-第 5 页第四章 CPU的使用与维修教学目标u 了解CPU的封装技术u 掌握CPU的结构u 了解主流的CPU型号u 掌握CPU主要的性能指标u 掌握CPU的选购方法及注意事项u 掌握CPU常见故障及维修方法一、 什么是CPUCPU（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是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的
2、硅材料上制造的。一个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（1）算
3、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Registers)RS实质上是CPU
4、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。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。
5、三、 CPU的外观与构造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，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，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/塑料扁平组件式封装）PGA(Pin Grid Array，针脚栅格阵列封装)FC-PGA (Flip Clip Pin Grid Array，倒装芯片针脚栅格阵列)SECC（Single Edge Con
6、tact 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 AMD：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
7、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MHz。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
8、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。 L1Cache(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
9、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。 L2Cache(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，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
10、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AMD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1
11、3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586CPU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
12、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
13、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,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
14、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1CPU安装不正确2风扇运行不正常3CPU有物理损坏4跳线、电压设置不正确小结：本次课主要对CPU的工作原理、外观构造、性能指标、选购方法等内容进行了详细介绍，特别是CPU性能指标，必须掌握它们的含义和作用。同时，还介绍了选购CPU产品的方法和技巧，对同学们具有很强的指导意义。作业：1、什么是CPU的主频、外频和FSB？它们之间的区别是什么？2、什么是CPU的L1 cache和L2 cache？它们有什么作用？