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1、主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第1页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.1 CPU的发展第一个微处理器Intel 4004特德霍夫（Ted Hoff）主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第2页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.1 CPU的发展x86系列CPU：生产厂商有Intel、AMD、VIA；产品在操作系统一级相互兼容；产品覆盖95%以上的桌面微机市场。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第3页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.1 CPU的发展非x86系列CPU 生产厂商有IBM、Sun、HP、MIPS、ARM、日立、三星、现代、中科院计算所等；产品
2、主要用于大型服务器和嵌入式系统；这些产品大多互不兼容；在桌面微机市场中占有份额小。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第4页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.2 CPU的类型Intel公司CPU产品：桌面型、移动型、服务器型和嵌入式。Intel公司桌面型产品有：酷睿酷睿（Core）系列；奔腾（Pentium）系列；赛扬（Celeron）系列。不同系列CPU产品在软件上相互兼容。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第5页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.2 CPU的类型Intel公司产品系列产品类型产品类型产品系列产品系列桌面型酷睿系列、奔腾系列、赛扬系列移动型移动酷睿、
3、凌动系列、迅驰系列、移动奔腾、移动赛扬服务器型至强系列、安腾系列主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第6页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.2 CPU的类型AMD公司CPU产品 AMD Phenom系列（羿龙）；AMD Athlon系列（速龙）；AMD Sempron系列（闪龙）；AMD笔记本系列（炫龙）；AMD Opteron服务器系列（皓龙）。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第7页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.3 CPU型号标识CPU型号的外观标识方法CPU型号命名规则：子系列名称子系列名称+字母字母+数字数字 如：Intel Core i7-965主讲：X
4、X老师第4章 CPU系统故障维修第8页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.3 CPU型号标识S-Spec编码 Intel公司为用户查询CPU产品制定的编码 S-Spec编码为5位，以“SLxxx”进行标记，“xxx”为英文字母或数字，如：SLBCJ主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第9页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.3 CPU型号标识工艺步进：使用“字母字母+数字数字”表示，英文字母和数字越大，CPU核心工艺就越新，也意味着CPU工作更稳定。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第10页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.4 CPU基本组成CPU由半导体硅芯片（
5、die）、基板、针脚或无针脚触点、导热材料、金属外壳等组成。电阻和电容主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第11页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.4 CPU基本组成AMD Phenom II CPU（羿龙4核）主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第12页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.4 CPU基本组成主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第13页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.5 CPU接口形式Intel公司LGA封装的CPU没有针脚，只有金属接触圆点，CPU需要安装扣架固定。LGA插座主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第14页 共73页4.1
6、CPU类型与组成4.1.5 CPU接口形式AMD公司的CPU采用短针脚设计。AM3插座主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第15页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.1 CMOS电路工作原理1MOS电容结构 集成电路利用MOS电容作为电子开关器件。MOS电容由多晶硅（M）、二氧化硅（O）和半导体（S）组成。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第16页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.1 CMOS电路工作原理2MOS晶体管工作原理MOS管有三个接口：栅极、源极、漏极，由栅极控制漏极与源极之间的电流流动。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第17页 共73页4.2 CPU生产
7、工艺4.2.1 CMOS电路工作原理2MOS晶体管工作原理源极与漏极完全对称，只有根据电流的流向才能确认源极与漏极。栅极起着控制开关的作用，使MOS管在“开”和“关”两种状态中进行切换。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第18页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.1 CMOS电路工作原理3CMOS电路工作原理CMOS电路由PMOS晶体管和NMOS晶体管互补配对组成。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第19页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.1 CMOS电路工作原理CMOS中的PMOS管和NMOS管具有相反的特性（非0即1），当其中一个MOS管为关（OFF，对应逻辑0）状态
8、时，另一个MOS管则为开（ON，对应逻辑1）状态。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第20页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.2 CPU制造工艺流程掩模版图生成；硅原料生产；晶圆切割；氧化处理；掩膜光刻；刻蚀处理；掺杂工艺；主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第21页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.2 CPU制造工艺流程金属引线；多层连接；测试封装。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第22页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术1沟道长度沟道长度是电流从源极（S）流到漏极（D）经过的距离。MOS晶体管的沟道长度越小，晶体管的工作频率就越高。
9、2半节距与制程线宽节距为集成电路内，第1层两个平行单元之间的距离，半节距为节距的一半。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第23页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术CPU栅极半节距为两个平行栅极之间距离的一半。“制程线宽”（或线宽）是指CPU栅极半节距，而不是金属线路的半节距。MOS晶体管栅极隔离层主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第24页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第25页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术半导体产品工艺改进规律：每代产品的线宽大约实现每
10、代产品的线宽大约实现0.7倍的缩小。倍的缩小。例如，上一代CPU产品制程工艺为65nm线宽时，则下一代产品线宽为45nm。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第26页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第27页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.4 CPU芯片材料特性栅极隔离层厚度越薄，CPU的工作电压也就越低。栅极隔离层太薄时，容易出现泄漏电流，造成CPU功耗猛增，发热严重。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第28页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.1 CPU内核组成1Core i7 CPU物理内核（4核
11、）CPU核心主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第29页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.1 CPU内核组成1AMD Phenom CPU物理内核（4核）CPU核心主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第30页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.2 CPU系统结构Core i7 CPU分为核心与非核心两大部分。CPU始终围绕着速度速度与兼容兼容两个目标设计。CPU内部主要结构：缓存单元缓存单元（Cache）、取指单元取指单元（IF）、译码单元译码单元（DEC）、调度单元调度单元（OP）、执行单元执行单元（EXE）、回退单元回退单元（RU）主讲：XX老师第4章 CPU系统故障
12、维修第31页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.2 CPU系统结构主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第32页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.2 CPU系统结构Core i7 CPU指令执行速度 5个64位ALU，3个128位FPU；每个时钟周期可以取指令160位；译码5条x86指令；发射7条微指令；重排序和重命名4条微指令；发送6条微指令到执行单元；完成并退出4条微指令。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第33页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.2 CPU系统结构主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第34页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.3 C
13、PU能效指标1CPU功耗CPU功耗=频率寄生电容工作电压的平方即：Power=FCV2台式微机CPU功耗在50W130W之间。2CPU设计热功耗设计热功耗（TDP）是CPU热量释放指标，它是CPU达到最大负载时释放出的热量。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第35页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.3 CPU能效指标CPU功耗是对主板提出的要求，要求主板能提供相应的电压和电流。TDP是对散热系统提出的要求，要求散热系统能把CPU发出的热量发散掉。3CPU性能评价指标CPU性能频率每个时钟周期执行指令数主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第36页 共73页4.3 CPU结构与性
14、能4.3.4 提高CPU性能的方法主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第37页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.1 指令系统x86指令集 一共166条，这些指令长度各不相同。MMX（多媒体扩展）MMX指令用于增强CPU对多媒体信息的处理能力。SSE（数据流单指令序列扩展）SSE指令提高了浮点运算、视频处理速度。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第38页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.1 指令系统主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第39页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.2 高速缓存技术存储器局部性原理：CPU对局部范围的内存地址频繁访问，而对此范围以外的地址
15、则访问比较少的现象，称为存储器局部性原理。CPU内部的高速缓存完全由硬件进行控制，不需要软件进行调度指挥。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第40页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3 流水线技术486 CPU指令流水线：取指令指令译码取操作数执行运算写回结果虽然流水线使指令的执行周期延长了，但能使CPU在每个时钟周期都有指令输出。Core 2和Core i7 CPU流水线长度为14工步。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第41页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3 流水线技术主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第42页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3 流
16、水线技术流水线太长会带来副作用，一旦发生指令转移，流水线就必须清空，这降低了CPU处理效率。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第43页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3 流水线技术超超标标量量技术是集成多条流水线结构的CPU，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令。时钟周期时钟周期取指令取指令译码译码取操作数取操作数执行执行写回写回1指令1指令22指令3指令1指令4指令23指令5指令3指令1指令6指令4指令24指令7指令5指令3指令1指令8指令6指令4指令25指令9指令7指令5指令3指令1指令10指令8指令6指令4指令2超标量流水线（双发射）主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维
17、修第44页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.4 同步多线程（SMT）技术同步多线程也称为超线程（HT）。SMT使1个物理CPU作2个逻辑CPU来使用。SMT无需改动硬件，但要在BIOS中进行设置。应用软件根据不同的CPUID来识别各个逻辑CPU。SMT可以提高CPU 15%30%的性能。Windows XP/Vista支持SMT技术。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第45页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.4 同步多线程（SMT）技术同步多线程。4核CPU8个多线程主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第46页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.5 多核CPU技术单核
18、CPU过快的温度和功耗上升，使得CPU厂商不得不采用多核CPU提高性能。多核CPU具有更强的并行处理能力，大大减少了CPU的发热和功耗。多核CPU需要软件支持，只有在基于线程化的软件上，多核CPU才能发挥出效能。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第47页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.6 64位计算技术64位计算指CPU通用寄存器宽度为64位。64位计算需要64位CPU、64位操作系统和64位应用软件的支持。目前Intel和AMD公司的CPU几乎都为64位。64位CPU可以运行在32位操作系统上，32位CPU也可以运行64位操作系统。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第48
19、页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.6 64位计算技术1AMD 64位技术AMD 64位技术称为x86-64，是在32位x86指令集基础上，加入了扩展的64位x86指令，使CPU在硬件上兼容原来的32位软件，并同时支持64位计算。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第49页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.6 64位计算技术64位计算指CPU通用寄存器宽度为64位。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第50页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.6 64位计算技术2Intel EM64T（扩展64位内存技术）EM64T工作模式：传统IA-32模式和IA-32e扩展模式。主
20、讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第51页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.7 虚拟化技术虚拟化技术（VT）可以使一台主机同时运行多种不同类型的操作系统。Intel公司在入门级CPU中省去了虚拟化功能。AMD主流CPU都支持AMD VT。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第52页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.8 CPU节能技术减少功耗的理想解决方案是：不同工作模式下使用不同的工作电压，但这会造成CPU设计太过复杂。简单的设计方法是：按照高性能高电压，低性能低电压的原则进行设计。可以使用多个时钟域来降低芯片工作频率。Core i7 CPU的时钟分为三个部分：核心、核外（
21、L3）和I/O（QPI和IMC）。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第53页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.8 CPU节能技术CPU采用逻辑电路动态控制电源或时钟。在电路不工作时，关闭部分晶体管，这样对应的电路就不会产生功耗。增强型动态加速技术可以根据应用程序的负载状态，动态地调整多核CPU的工作状态，安排单核心或多核心CPU的工作频率。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第54页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.1 高温对CPU的危害CPU频率提高后，产生了更多的热量，CPU的面积非常小，散热不好将会产生极高的温度，从而引发电子迁移现象。电子迁移是电子高速流动时，会导
22、致金属原子发生迁移。电子迁移对芯片的损坏是一个缓慢的过程，一旦发生线路损坏，情况会越来越严重，最后会造成整个电路短路。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第55页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.1 高温对CPU的危害电子迁移对CPU芯片造成的损坏。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第56页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.2 CPU发热保护技术 CPU的警戒温度值为72，极限温度为135。CPU内核温度达到72时，CPU内核的温度控制电路被激活，它会降低CPU任务周期信号，强制CPU的工作频率按这个信号指定的周期运行，达到降低CPU工作频率的目的。主讲：XX老师第4章
23、CPU系统故障维修第57页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.2 CPU发热保护技术 CPU温度升高到85时，CPU性能下降幅度将超过50。CPU温度升高到94时，会出现系统死机。CPU温度升高到135时，CPU将自动关闭系统。早期CPU的温度通过主板CPU插座下面的热敏电阻来监测。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第58页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.2 CPU发热保护技术 Pentium 2以后的CPU内部集成了热敏二极管，直接测量CPU核心温度。Intel将CPU的警戒温度和极限温度写入CPU内部的温控电路中，用户无法修改它们。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修
24、第59页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统1热传递方式传导、对流 和辐射。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第60页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统2散热风道传统散热器的安装方式是风扇在顶部，气流朝下，即垂直于CPU。高温区主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第61页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统现在多数将风扇改为侧向吹风，让气流的方向平行于CPU。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第62页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统散热片表面积越大，散热效果越好。单滚珠轴承风扇价格低，但寿命不
25、长；双滚珠轴承风扇寿命长，但噪音较高；含油轴承风扇使用时间短，被摒弃；液压轴承风扇是改进的含油轴承，这类轴承噪音小，使用寿命低于双滚珠轴承。风扇转速在2000rpm5000rpm之间，过高的转速会导致更大的噪音。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第63页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第64页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.4 热管散热系统热管的一端吸收来自CPU的热量，通过热管传送到热管的另一端后，通过风扇将热量散发出去。热管的导管中含有导热剂，能根据温差自动均衡热量，达到平均散热的效果。热管技术可以得到满意的散热
26、效果和较小的噪音。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第65页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.4 热管散热系统热管工作原理主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第66页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.4 热管散热系统主板热管主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第67页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.5 水冷散热系统水冷散热系统：风扇散热器、循环水泵、散热水槽、密封水箱、塑料水管、蒸馏水或绝缘油等。水吸热慢放热快，油吸热快放热慢。水泵的流量应当大于5升/分钟。主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第68页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.5 水冷散热系统
27、主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第69页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.5 水冷散热系统主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第70页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.6 其它散热技术半导体散热空气压缩机散热液氮或液氦散热固态风扇散热纯液冷散热CPU内核液体循环散热主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第71页 共73页4.6 CPU故障分析与处理CPU常见故障现象 故障现象故障现象故障主要原因分析故障主要原因分析死机CPU超频、CPU散热不良、CPU工作电压过低、电源供电不足等运行速度降低CPU温度过高引起自动降频等重新启动CPU温度过高等主讲：XX老师第4章 CPU系统故障维修第72页 共73页 课程讨论1.CPU的发明有哪些意义。2.高速缓存对CPU性能有哪些影响。3.长流水线技术有哪些优点与缺点。4.超线程与双CPU有哪些区别。5.水冷散热系统的发展前途如何。作业：4-4、4-5、4-9【本章结束本章结束】