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1、第第6 6章章 中央处理器中央处理器第 2 页主要内容主要内容CPUCPU的功能及基本组成的功能及基本组成控制器的组成控制器的组成微程序控制计算机的基本工作原理微程序控制计算机的基本工作原理微程序设计技术微程序设计技术流水线工作原理流水线工作原理第 3 页CPU的功能与基本组成的功能与基本组成指令控制指令控制1操作控制操作控制2时序控制时序控制3数据加工处理数据加工处理4对指令流对指令流和数据流和数据流在时间和在时间和空间上实空间上实施正确控施正确控制！制！第 4 页CPU的功能与基本组成的功能与基本组成 中断中断系统系统CPU控制总线控制总线地址总线地址总线 CU ALU寄存器寄存器数据总线
2、数据总线第 5 页CPU的功能与基本组成的功能与基本组成PC IR指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工处理中断处理中断ALU 寄存器寄存器中断系统中断系统CU 时序电路时序电路第 6 页PSWPSW：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果建立的各种状态信息。结果建立的各种状态信息。CPU的寄存器的寄存器DRDR：暂存由内存中读出或写入的指令或数据。：暂存由内存中读出或写入的指令或数据。GRGR：用来存放操作数和各种地址信息等。：用来存放操作数和各种地址信息等。3 123 3第 7 页CPU的寄存器的寄存器IR：存放当前正在执行的指
3、令。：存放当前正在执行的指令。ARAR：存储当前：存储当前CPUCPU访问的内存单元的地址。访问的内存单元的地址。3 453 6PC：用来确定下一条指令的地址。：用来确定下一条指令的地址。第 8 页控制器的组成控制器的组成负责协调与控制整个计算机系统的操作负责协调与控制整个计算机系统的操作 地址寄存器地址寄存器AR 指令寄存器指令寄存器IR23 程序计数器程序计数器PC1 数据寄存器数据寄存器DR4第 9 页控制器的组成控制器的组成 微操作形成部件微操作形成部件 时序发生器时序发生器67 指令译码器指令译码器5第 10 页控制器的组成控制器的组成控控制制器器的的结结构构组合逻辑控制器微程序控制
4、器第 11 页运算器的组成运算器的组成接收从控制器送来的命令并执行相应的接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，负责对数据进行加工和处理。动作，负责对数据进行加工和处理。程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSWR 通用寄存器通用寄存器GR23 算术逻辑单元算术逻辑单元ALU1 暂存器暂存器LA，LB4 移位器移位器5第 12 页指令执行的过程指令执行的过程开始取一条指令执行这条指令指令周期指令周期:执行一条指令所需要的总的时间。执行一条指令所需要的总的时间。指令周期常常用若干个指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，周期数来表示，CPU周期也周期也称为机器周期。称为机器周期。一个机器周期包含若干
5、个时钟周期。一个机器周期包含若干个时钟周期。第 13 页指令执行的过程指令执行的过程取指令取指令（PC）ARAR存储器读存储器读指令指令DRDR（DRDR）IRIRPC+1 PC+1 PCPC分析指令分析指令执行指令执行指令CU根据分析根据分析结果产生操作结果产生操作控制信号序列，控制信号序列，完成一条指令。完成一条指令。CU对指令译对指令译码，分析操作码，分析操作数地址，得到数地址，得到有效地址。有效地址。第 14 页指令执行的过程指令执行的过程T周 期T1T2T3T4T1T2T3T4CPU周 期(取 指 令)CPU周 期(执 行 指 令)指 令 周 期第 15 页指令执行的过程指令执行的过
6、程取 下 条 指 令P C+1取 指 令P C+1开 始对 指 令译 码对 指 令译 码一 个 C P U 周 期一 个 C P U 周 期取 指 令 阶 段执 行 指 令 阶 段第 16 页指令执行的过程指令执行的过程第 17 页指令执行的过程指令执行的过程（加法指令流程图）（加法指令流程图）PC MARPC+1DB MDRMDR IR（R1）ALU的数据输入端的数据输入端A（R1）+（R2）（R2）ALU的数据输入端的数据输入端B取指令取指令解析指令解析指令执行指令执行指令第 18 页指令执行的过程指令执行的过程完成的功能完成的功能CUCU发出的微命令发出的微命令T1送指令地址送指令地址启
7、动存储器读启动存储器读PCPCMARMAR，读，读PC+1PC+1PCPCPCPCO O，MARMARi i，存储器读存储器读PC+1PC+1T2读入指令读入指令DBUSDBUSMDRMDRIRIRMDRMDRO O，IRIRT3送操作数送操作数1 1R R1 1Y YR1R1O O，YiYiT4送操作数送操作数2 2并与操作数并与操作数1 1相相加加R R2 2+Y+YZ ZR2R2O O，“+”+”T5送结果送结果Z ZR1R1Z ZO O，R1R1i i第 19 页指令执行的过程指令执行的过程例：例：CPU结构如图所示，其中包括一个累加寄存器结构如图所示，其中包括一个累加寄存器AC，一个
8、状态，一个状态寄存器和其他四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭寄存器和其他四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。头表示信息传送方向。（1）标明图中四个寄存器的名称）标明图中四个寄存器的名称（2）简述取指令的数据通路）简述取指令的数据通路（3）简述完成）简述完成LDA X的数据通路的数据通路 （X为内存地址，为内存地址，LDA X的功能为（的功能为（X）（AC）（4）简述完成）简述完成ADD Y的数据通路的数据通路 （Y为内存地址，为内存地址，ADD X的功能为（的功能为（AC）+（Y）（AC）（5）简述完成）简述完成STA Z的数据通路的数据通路 （Z为内存地
9、址，为内存地址，STA Z的功能为（的功能为（AC）（Z）第 20 页指令执行的过程指令执行的过程主主 存存 储储 器器 MACBACALUD状态寄存器状态寄存器操作控制器操作控制器+1第 21 页指令执行的过程指令执行的过程（1）A：数据缓冲寄存器：数据缓冲寄存器MDR B：指令寄存器：指令寄存器IR C：主存地址寄存器：主存地址寄存器MAR D：程序计数器：程序计数器PC（2）取指的数据通路：）取指的数据通路：CMARMMMDRIR（3）LDA X的数据通路：的数据通路：XMARMMMDRALUAC（4）ADD Y的数据通路：的数据通路：YMARMMMDRALUADDAC（5）STA Z的
10、数据通路：的数据通路：ZMAR，ACMDRMM 第 22 页微程序控制器微程序控制器微命令：微程序控制计算机中的微操作控制信号。微命令：微程序控制计算机中的微操作控制信号。基本概念基本概念微操作：控制器中执行部件接受微指令后进行的操作。微操作：控制器中执行部件接受微指令后进行的操作。微指令：在机器的一个节拍中，一组实现一定操作功能的微命令。微指令：在机器的一个节拍中，一组实现一定操作功能的微命令。微程序：由微指令组成的序列称为微程序。一个微程序的功能对应一微程序：由微指令组成的序列称为微程序。一个微程序的功能对应一条机器指令的功能。条机器指令的功能。相斥性微指令：不能在同一个微周期中出现的微命
11、令。相斥性微指令：不能在同一个微周期中出现的微命令。相容性微指令：能在同一个微周期中出现的微命令。相容性微指令：能在同一个微周期中出现的微命令。第 23 页微程序控制器微程序控制器基本概念基本概念微指令周期：执行一条微指令和取出下一条微指令所需的时间。通微指令周期：执行一条微指令和取出下一条微指令所需的时间。通常一个微指令周期与一个常一个微指令周期与一个CPU周期的时间相等。周期的时间相等。水平型微指令：指一次能定义并执行多个并行操作控制信号的微指令。水平型微指令：指一次能定义并执行多个并行操作控制信号的微指令。垂直型微指令：在这种微指令中设置了微操作码字段，采用微操作码垂直型微指令：在这种微
12、指令中设置了微操作码字段，采用微操作码编译法，并由微操作码规定微指令的功能。编译法，并由微操作码规定微指令的功能。指令模拟：在一种计算机上用软件来解释另一种计算机的指令。指令模拟：在一种计算机上用软件来解释另一种计算机的指令。第 24 页微程序控制器微程序控制器M+1转执行转执行转取指转取指P+1P+2MQ+1MMM+1PP+1P+2QQ+1取指微程序取指微程序间址微程序间址微程序中断周期微程序中断周期微程序对应对应ADD的微程序的微程序对应对应LOAD的微程序的微程序微地址微地址（控存示意图）（控存示意图）第 25 页微程序控制器微程序控制器 OPIR编码器编码器顺序控制逻辑顺序控制逻辑微地
13、址寄存器微地址寄存器控制存储器控制存储器控制字段控制字段 下址下址控制信号控制信号取指微程序入口取指微程序入口CLK（微程序控制器结构）（微程序控制器结构）第 26 页微程序控制器微程序控制器微指令地址的形成微指令地址的形成1.计数器方式2.下址字段法3.增量方式与断定方式相结合1.直接编码方式2.译码控制法3.混合编码方式微指令的编码方式微指令的编码方式第 27 页微程序控制器微程序控制器译码控制法译码控制法第 28 页微指令的格式微指令的格式在一个在一个CPU周期内，同时给出多个能并行操作的微命令。周期内，同时给出多个能并行操作的微命令。水平型微指令水平型微指令 控制字段控制字段 判断测试
14、字段判断测试字段 下址字段下址字段直接编码方式的微指令就是典型的水平型微指令直接编码方式的微指令就是典型的水平型微指令 第 29 页微指令的格式微指令的格式 微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，并由微操作码规定微指令的功能。并由微操作码规定微指令的功能。垂直型微指令垂直型微指令第 30 页微指令的格式微指令的格式 微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，并由微操作码规定微指令的功能。并由微操作码规定微指令的功能。两种微指令的比较两种微指令的比较 水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性
15、强。水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强。水平型微指令表示机器指令时，微指令长而微程序短，水平型微指令表示机器指令时，微指令长而微程序短，垂直型微指令则正好相反。垂直型微指令则正好相反。水平型微指令与机器指令差别大，可读性差。水平型微指令与机器指令差别大，可读性差。第 31 页微指令的执行方式微指令的执行方式串行执行方式串行执行方式 微指令周期较长，但控制简单，形成微地址的硬微指令周期较长，但控制简单，形成微地址的硬部件比较少。部件比较少。第 32 页微指令的执行方式微指令的执行方式并行执行方式并行执行方式 可以缩短微指令周期，但需要增加一个微指令寄可以缩短微指令周期，但需要增加一个微
16、指令寄存器，并需要解决如何确定下一条微指令地址。存器，并需要解决如何确定下一条微指令地址。第 33 页微程序控制器的设计步骤微程序控制器的设计步骤 根据根据CPU的结构图，写出每条指令的操作流程图并分的结构图，写出每条指令的操作流程图并分解成微操作序列。解成微操作序列。使用混合控制法对微命令进行编码。使用混合控制法对微命令进行编码。选择合适的控制时序。选择合适的控制时序。用下址字段法为微指令安排微地址。用下址字段法为微指令安排微地址。画出微程序控制器组成框图。画出微程序控制器组成框图。第 34 页流水线技术流水线技术如何提高机器速度？如何提高机器速度？第 35 页流水线技术流水线技术1.提高访
17、存速度提高访存速度2.提高提高 I/O 和主机之间的传送速度和主机之间的传送速度 提高整机处理能力提高整机处理能力高速器件高速器件改进系统结构改进系统结构，开发系统的并行性，开发系统的并行性3.提高运算器速度提高运算器速度第 36 页流水线技术流水线技术系统的并行性系统的并行性时间上互相重叠时间上互相重叠并行并行并发并发同时同时两个或两个以上事件在两个或两个以上事件在 同一时刻同一时刻 发生发生两个或两个以上事件在两个或两个以上事件在 同一时间段同一时间段 发生发生第 37 页流水线技术流水线技术只有连续提供同类任务才能发挥流水线效率只有连续提供同类任务才能发挥流水线效率每个流水线段都要设置一
18、个流水寄存器每个流水线段都要设置一个流水寄存器各流水段的时间应尽量相等各流水段的时间应尽量相等流水线需要有流水线需要有“装入时间装入时间”和和“排空时间排空时间”特点特点第 38 页流水线技术流水线技术非流水线非流水线技术技术流水线技术流水线技术超标量超标量流水线技术流水线技术第 39 页流水线技术流水线技术 例：假设处理器内的每个执行阶段都需要一个时钟周期，例：假设处理器内的每个执行阶段都需要一个时钟周期，K级的处理器，执行级的处理器，执行N条指令需要多少个时钟周期？条指令需要多少个时钟周期？非流水线技术：（非流水线技术：（N*K）单条流水线技术（一个阶段需要一个周期）：单条流水线技术（一个
19、阶段需要一个周期）：K+（N-1）单条流水线技术（某个阶段需要两个周期）：单条流水线技术（某个阶段需要两个周期）：K+2N-1超标量流水线技术：超标量流水线技术：K+N第 40 页流水线技术流水线技术程序的相近指令之间出现某种关联程序的相近指令之间出现某种关联，使指令流水出现停使指令流水出现停顿，影响流水线效率顿，影响流水线效率。影响指令流水线性能的因素影响指令流水线性能的因素不同指令争用同一功能部件产生资源冲突不同指令因重叠操作，可能改变操作数的 读/写 访问顺序由转移指令引起结构相关结构相关数据相关数据相关控制相关控制相关第 41 页微程序控制器微程序控制器1.与微指令的执行周期对应的是（
20、与微指令的执行周期对应的是（）A、指令周期、指令周期 B、机器周期、机器周期 C、节拍周期、节拍周期 D、时钟周期、时钟周期习题习题2.在微程序控制器中，机器指令和微指令的关系是（在微程序控制器中，机器指令和微指令的关系是（）A、每一条机器指令指令由一条微指令来执行、每一条机器指令指令由一条微指令来执行 B、一条微指令由若干条机器指令组成、一条微指令由若干条机器指令组成 C、每一条机器指令由一段微指令组成的微程序来解释执行、每一条机器指令由一段微指令组成的微程序来解释执行 D、一段微程序由一条机器指令来执行、一段微程序由一条机器指令来执行 3.某寄存器中的值有时是地址，这只有计算机的（某寄存器
21、中的值有时是地址，这只有计算机的（）才能识别它。）才能识别它。A、译码器、译码器 B、判断程序、判断程序 C、指令、指令 D、时序信号、时序信号第 42 页微程序控制器微程序控制器4.关于微指令的编码方式，下面叙述正确的是（关于微指令的编码方式，下面叙述正确的是（）A、直接表示法和编码不影响微指令的长度、直接表示法和编码不影响微指令的长度 B、一般情况下，直接表示法的微指令位数多、一般情况下，直接表示法的微指令位数多 C、一般情况下，编码表示法的微指令位数多、一般情况下，编码表示法的微指令位数多 D、以上都不对、以上都不对习题习题5.为了确定下一条微指令的地址，通常采用断定方式，其基本思为了确
22、定下一条微指令的地址，通常采用断定方式，其基本思想是（想是（）A、用程序计数器、用程序计数器PC来产生后继微指令地址来产生后继微指令地址 B、通过微指令顺序控制字段由设计者指定或由设计者指定的判、通过微指令顺序控制字段由设计者指定或由设计者指定的判别字段控制产生后继微指令地址别字段控制产生后继微指令地址 C、用微程序计数器、用微程序计数器PC来产生后继微指令地址来产生后继微指令地址 D、通过指令中指定一个专门字段来控制产生后继微指令地址、通过指令中指定一个专门字段来控制产生后继微指令地址第 43 页微程序控制器微程序控制器6.已知：某已知：某CPU的微程序控制器中，控存的容量为的微程序控制器中
23、，控存的容量为512字字32位。微程序可在整个控存中实现转移，控制微程序转位。微程序可在整个控存中实现转移，控制微程序转移的条件有移的条件有6个，微指令采用水平型格式（直接控制方个，微指令采用水平型格式（直接控制方式），后继地址采用断定方式，式），后继地址采用断定方式，微指令格式为：控制字段微指令格式为：控制字段 判别测试判别测试 下址。要求：说明微下址。要求：说明微指令中三个字段各为多少位？指令中三个字段各为多少位？习题习题解：由于控存为解：由于控存为512字，字，512=29，所以，下址字段的位，所以，下址字段的位数也即控存的微地址位数为数也即控存的微地址位数为9。而控制微程序转移的条。而
24、控制微程序转移的条件有件有6个，判别测试字段就有个，判别测试字段就有6位，控制字段的位数为位，控制字段的位数为32-9-6=17位。位。第 44 页微程序控制器微程序控制器7某机采用微程序控制器，已知每一条机器指令的执行某机采用微程序控制器，已知每一条机器指令的执行过程均可分解成过程均可分解成8条微指令组成的微程序，该机指令系统条微指令组成的微程序，该机指令系统采用采用6位定长操作码格式。控存至少应能容纳多少条微指位定长操作码格式。控存至少应能容纳多少条微指令？令？习题习题解：机器中的机器指令最多为解：机器中的机器指令最多为26=64条条 可容纳的微指令条数可容纳的微指令条数=646=512条
25、条第 45 页微程序控制器微程序控制器8下表中给出了下表中给出了8条指令条指令I1I8所包含的微控制信号。试设计微指令所包含的微控制信号。试设计微指令控制字段的格式，要求所用的控制位最少，而且保持微指令本身内在控制字段的格式，要求所用的控制位最少，而且保持微指令本身内在的并行性。的并行性。微指令与包含命令对应表微指令与包含命令对应表 微指令微指令 所包含微命令所包含微命令 微指令微指令 所包含微命令所包含微命令 I1 ABCDE I5 CEGI I2 ADFG I6 AGJ I3 BH I7 CDH I4 C I8 ABH习题习题第 46 页微程序控制器微程序控制器9某机采用微程序控制方式，微
26、指令字长某机采用微程序控制方式，微指令字长24位，水平编位，水平编码控制的微指令格式，断定方式，共有码控制的微指令格式，断定方式，共有30个微命令，构成个微命令，构成4个相斥类，各包含个相斥类，各包含5个，个，8个，个，14个和个和3个微命令，外部条个微命令，外部条件共件共3个。个。（1）控制存储器的容量应为多少？）控制存储器的容量应为多少？（2）设计出微指令的具体格式。）设计出微指令的具体格式。习题习题第 47 页微程序控制器微程序控制器10某计算机字长某计算机字长16 位，采用位，采用16 位定长指令字结构，部位定长指令字结构，部分数据通路结构如图所示。图中所有控制信号为分数据通路结构如图
27、所示。图中所有控制信号为1时表示时表示有效、为有效、为0时表示无效。例如时表示无效。例如：控制信号控制信号MDRinE 为为1 表表示允许数据从示允许数据从DB 打入打入MDR，MDRin 为为1 表示允许数据从表示允许数据从内总线打入内总线打入MDR。假设。假设MAR 的输出一直处于使能状态。的输出一直处于使能状态。加法指令加法指令“ADD（R1），），R0”的功能为（的功能为（R0）+（R1）（R1），即将），即将R0 中的数据与中的数据与R1 的内容所的内容所指主存单元的数据相加，并将结果送入指主存单元的数据相加，并将结果送入R1 的内容所指主的内容所指主存单元中保存。存单元中保存。习题
28、习题第 48 页微程序控制器微程序控制器第 49 页微程序控制器微程序控制器如表所示给出上述指令取指和译码阶段每个节拍（时钟周如表所示给出上述指令取指和译码阶段每个节拍（时钟周期）的功能和有效控制信号，请按表格中描述的方式，用期）的功能和有效控制信号，请按表格中描述的方式，用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。时钟时钟功能功能有效控制信号有效控制信号C1C1MAR(PC)MAR(PC)PCout MARinPCout MARinC2C2MDRM(MAR)MDRM(MAR)PC(PC)+1PC(PC)+1MemR MDRinEPC+
29、1MemR MDRinEPC+1C3C3IR(MDR)IR(MDR)MDRout IRinMDRout IRinC4C4指令译码指令译码无无C5C5MAR(R1)MAR(R1)MARin R1outMARin R1outC6C6MDRM(MAR)MDRM(MAR)MemR MDRinEMemR MDRinEC7C7A(R0)A(R0)Ain R0outAin R0outC8C8AC(MDR)+AAC(MDR)+AMDRout Add ACin MDRout Add ACin C9C9MDRACMDRACACout MDRinACout MDRinC10C10M(MAR)MDRM(MAR)MDR
30、MDRoutE MemWMDRoutE MemW第 50 页流水线技术流水线技术11有一主频为有一主频为25MHz的微处理器，平均每条指令的执行的微处理器，平均每条指令的执行时间为两个机器周期，每个机器周期由两个时钟脉冲组成。时间为两个机器周期，每个机器周期由两个时钟脉冲组成。（1）假如存储器为）假如存储器为“0”等待，请计算机器的速度。等待，请计算机器的速度。（2）假如存储器速度较慢，每两个机器周期有一个访问）假如存储器速度较慢，每两个机器周期有一个访问存储器周期，需插入两个时钟的等待时间，请计算机器的存储器周期，需插入两个时钟的等待时间，请计算机器的速度。速度。习题习题第 51 页流水线技
31、术流水线技术解：（解：（1）因为存储器）因为存储器“0”等待，所以存储周期等待，所以存储周期=机器周期机器周期 机器周期机器周期=主振周期主振周期2=2/25MHz=0.08s 指令周期指令周期=2机器周期机器周期=0.16s 机器平均速度机器平均速度=1/0.16=6.25MIPS （2）若两个机器周期有一个是访存，则需插入两个）若两个机器周期有一个是访存，则需插入两个时钟的等待时间，则时钟的等待时间，则 指令周期指令周期=0.16s+0.08s=0.24s 机器平均速度机器平均速度=1/0.244.2MIPS第 52 页流水线技术流水线技术12今有今有4级流水线，分别完成取指、指令译码并取
32、数、级流水线，分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作，假设完成各步操作的时间依次为运算、送结果四步操作，假设完成各步操作的时间依次为100ns，100ns，80ns，50ns。（1）流水线的操作周期应设计为多少？）流水线的操作周期应设计为多少？（2）若相邻两条指令发生数据相关，且在硬件上不采取）若相邻两条指令发生数据相关，且在硬件上不采取措施，那么第措施，那么第2条指令要推迟多少时间？条指令要推迟多少时间？（3）若对硬件加以改进，那么第）若对硬件加以改进，那么第2条指令至少要推迟多少条指令至少要推迟多少时间？时间？习题习题第 53 页流水线技术流水线技术解（解（1）流水线的操作周期
33、应按各步操作的最大时间考虑。）流水线的操作周期应按各步操作的最大时间考虑。所以，其操作周期应为所以，其操作周期应为100ns。（2）若相邻两条指令发生数据相关，就停顿在第）若相邻两条指令发生数据相关，就停顿在第2条指令条指令的执行，直到前面的结果产生，因此，至少要推迟的执行，直到前面的结果产生，因此，至少要推迟2个时个时钟周期。钟周期。（3）若对硬件加以改进，则不会推迟。）若对硬件加以改进，则不会推迟。第 54 页CPU的能效指标的能效指标1CPU功耗功耗CPU功耗功耗=频率频率寄生电容寄生电容工作电压的平方工作电压的平方即：即：Power=FCV2台式微机台式微机CPU功耗在功耗在之间。之间
34、。2CPU性能评价指标性能评价指标CPU性能频率性能频率每个时钟周期执行指令数每个时钟周期执行指令数第 55 页CPU的能效指标的能效指标3CPU设计热功耗设计热功耗设计热功耗（设计热功耗（TDP）是）是CPU热量释放指标，它是热量释放指标，它是CPU达达到最大负载时释放出的热量。到最大负载时释放出的热量。CPU功耗是对主板提出的要求，要求主板能提供相应的电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。压和电流。TDP是对散热系统提出的要求，要求散热系统能把是对散热系统提出的要求，要求散热系统能把CPU发发出的热量发散掉。出的热量发散掉。第 56 页提高提高CPU性能的方法性能的方法
35、1.改进体系结构改进体系结构2.改进指令系统改进指令系统3.改进生产工艺改进生产工艺4.改进工作环境改进工作环境第 57 页CPU设计技术设计技术1.指令系统指令系统2.高速缓存技术高速缓存技术3.流水线技术流水线技术4.同步多线程（同步多线程（SMT）技术）技术5.多核多核CPU技术技术6.虚拟化技术虚拟化技术7.CPU节能技术节能技术8.高温对高温对CPU的危害的危害第 58 页CPU散热技术散热技术高温对高温对CPU的危害的危害电子迁移对电子迁移对CPU芯片造成的损坏。芯片造成的损坏。第 59 页 CPU散热技术散热技术CPU发热保护技术发热保护技术。CPU内核温度达到内核温度达到时，时
36、，CPU内核的温度内核的温度控制电路被激活，它会降低控制电路被激活，它会降低CPU任务周期信任务周期信号，强制号，强制CPU的工作频率按这个信号指定的的工作频率按这个信号指定的周期运行，达到降低周期运行，达到降低CPU工作频率的目的。工作频率的目的。第 60 页CPU散热技术散热技术CPU温度升高到温度升高到时，时，CPU性能下降幅度性能下降幅度将超过将超过50。CPU温度升高到温度升高到时，会出现系统死机。时，会出现系统死机。CPU温度升高到温度升高到时，时，CPU将自动关闭系将自动关闭系统。统。早期早期CPU的温度通过主板的温度通过主板来监测。来监测。第 61 页CPU散热技术散热技术CP
37、U发热保护技术发热保护技术 Pentium 2以后的以后的CPU内部集成了热敏二极管，内部集成了热敏二极管，直接测量直接测量CPU核心温度。核心温度。Intel将将CPU的警戒温度和极限温度写入的警戒温度和极限温度写入CPU内内部的温控电路中，用户无法修改它们。部的温控电路中，用户无法修改它们。第 62 页CPU散热技术散热技术风冷散热系统风冷散热系统1热传递方式热传递方式。第 63 页CPU散热技术散热技术2散热风道散热风道传统散热器的安装方式是风扇在顶部，气流传统散热器的安装方式是风扇在顶部，气流朝下，即垂直于朝下，即垂直于CPU。高温区第 64 页CPU散热技术散热技术现在多数将风扇改为
38、侧向吹风，让气流的方现在多数将风扇改为侧向吹风，让气流的方向平行于向平行于CPU。第 65 页CPU散热技术散热技术单滚珠轴承风扇价格低，但寿命不长；单滚珠轴承风扇价格低，但寿命不长；风扇寿命长，但噪音较高；风扇寿命长，但噪音较高；含油轴承风扇使用时间短，被摒弃；含油轴承风扇使用时间短，被摒弃；风扇是改进的含油轴承，这类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。噪音小，使用寿命低于双滚珠轴承。风扇转速在风扇转速在2000rpm5000rpm之间，过高的之间，过高的转速会导致更大的噪音。转速会导致更大的噪音。第 66 页CPU散热技术散热技术热管散热系统热管散热系统热管的
39、一端吸收来自热管的一端吸收来自CPU的热量，通过热管的热量，通过热管传送到热管的另一端后，通过风扇将热量散传送到热管的另一端后，通过风扇将热量散发出去。发出去。热管的导管中含有导热剂，能根据温差自动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。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效果和较小的热管技术可以得到满意的散热效果和较小的噪音。噪音。第 67 页CPU散热技术散热技术主板热管第 68 页CPU散热技术散热技术水冷散热系统水冷散热系统水冷散热系统：风扇散热器、循环水泵、散水冷散热系统：风扇散热器、循环水泵、散热水槽、密封水箱、塑料水管、蒸馏水或绝热水槽、密封水箱、塑料水管、蒸馏水或绝缘油等。缘油等。水泵的流量应当大于水泵的流量应当大于5升升/分钟。分钟。第 69 页CPU散热技术散热技术第 70 页第4章 CPU系统故障维修CPU散热技术散热技术第 71 页CPU散热技术散热技术其它散热技术其它散热技术半导体散热半导体散热空气压缩机散热空气压缩机散热液氮或液氦散热液氮或液氦散热固态风扇散热固态风扇散热纯液冷散热纯液冷散热CPU内核液体循环散热内核液体循环散热