第04章+CPU系统故障维修.ppt

第4章CPU系统故障维修 4 1CPU类型与组成4 2CPU生产工艺 重点 4 3CPU结构与性能4 4CPU设计技术4 5CPU散热技术 重点 4 6CPU故障分析与处理 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第2页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 1CPU的发展第一个微处理器Intel4004 特德 霍夫 TedHoff 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第3页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 1CPU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4页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 1CPU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5页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 2CPU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 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6页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 2CPU的类型Intel公司产品系列 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第7页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 2CPU的类型AMD公司CPU产品AMDPhenom系列 羿龙 AMDAthlon系列 速龙 AMDSempron系列 闪龙 AMD笔记本系列 炫龙 AMDOpteron服务器系列 皓龙 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第8页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 3CPU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 字母 数字如 IntelCorei7 965 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第9页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 3CPU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10页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 3CPU型号标识工艺步进 使用 字母 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11页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 4CPU基本组成CPU由半导体硅芯片 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12页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 4CPU基本组成AMDPhenomIICPU 羿龙4核 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第13页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 4CPU基本组成 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第14页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 5CPU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15页共73页 4 1CPU类型与组成 4 1 5CPU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16页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 1CMOS电路工作原理1 MOS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17页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 1CMOS电路工作原理2 MOS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18页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 1CMOS电路工作原理2 MOS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19页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 1CMOS电路工作原理3 CMOS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20页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 1CMOS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21页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 2CPU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22页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 2CPU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23页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 3CPU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 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24页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 3CPU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25页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 3CPU制程线宽技术 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第26页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 3CPU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0 7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27页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 3CPU制程线宽技术 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第28页共73页 4 2CPU生产工艺 4 2 4CPU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29页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 1CPU内核组成1 Corei7CPU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 3CPU结构与性能 4 3 1CPU内核组成1 AMDPhenomCPU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31页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 2CPU系统结构Corei7CPU分为核心与非核心两大部分 CPU始终围绕着速度与兼容两个目标设计 CPU内部主要结构 缓存单元 Cache 取指单元 IF 译码单元 DEC 调度单元 OP 执行单元 EXE 回退单元 RU 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第32页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 2CPU系统结构 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第33页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 2CPU系统结构Corei7CPU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34页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 2CPU系统结构 CPU测试技术参数 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第35页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 3CPU能效指标1 CPU功耗CPU功耗 频率 寄生电容 工作电压的平方即 Power F C V2台式微机CPU功耗在50W 130W之间 2 CPU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36页共73页 4 3CPU结构与性能 4 3 3CPU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 3 CPU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37页共73页 4 3CPU结构与性能 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38页共73页 4 4CPU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39页共73页 4 4CPU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40页共73页 4 4CPU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41页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 3流水线技术486CPU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 Core2和Corei7CPU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42页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 3流水线技术 Atom16级流水线 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第43页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 3流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44页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 3流水线技术超标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 超标量流水线 双发射 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第45页共73页 4 4CPU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CPU15 30 的性能 WindowsXP Vista支持SMT技术 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第46页共73页 4 4CPU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47页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 5多核CPU技术单核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48页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 664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49页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 664位计算技术1 AMD64位技术AMD64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50页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 664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51页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 664位计算技术2 IntelEM64T 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 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第52页共73页 4 4CPU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AMDVT 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第53页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 8CPU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 Corei7CPU的时钟分为三个部分 核心 核外 L3 和I O QPI和IMC 主讲 XX老师 第4章CPU系统故障维修 第54页共73页 4 4CPU设计技术 4 4 8CPU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55页共73页 4 5CPU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56页共73页 4 5CPU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57页共73页 4 5CPU散热技术 4 5 2CPU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CPU系统故障维修 第58页共73页 4 5CPU散热技术 4 5 2CPU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59页共73页 4 5CPU散热技术 4 5 2CPU发热保护技术Pentium2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 第60页共73页 4 5CPU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61页共73页 4 5CPU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62页共73页 4 5CPU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63页共73页 4 5CPU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2000rpm 5000rpm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64页共73页 4 5CPU散热