硬件技术工程师理论讲义.ppt

1 学习目标 对计算机硬件的组成有一个清晰的认识本章重点 PC的组成部件本章主要内容 主机组成部分以及外部设备 第一章PC的组成 2 PC的组成 一 PC的组成PC的硬件系统从功能上来分可以分为主机 外设两大部分 1 主机主机是PC的心脏 计算机的一切操作都要经过它来完成 它还协调主机与外部设备的通讯 主机里面的主要部件有主板 CPU 内存等 三大件 和电源等配件 2 外部设备外部设备包括输入设备 输出设备 外部存储器 其他辅助扩展设备等部件 从功能上分为主板 CPU 内存 而硬盘 光驱 软驱等虽然也是在机箱内部 但在功能上是划分为外部存储器 3 二 主机各个组成部分 1 主板 Mainboard 主板也叫主机板或者母板 主板是PC硬件系统的核心 是一块控制和驱动计算机的印刷电路板 PCB 主板和整个计算机通常按它所使用的CPU归类 主板的类型决定了一台计算机的类型 2 CPU CentralProcessingUnit CPU包含了计算机中的控制部件和算术逻辑部件 是PC中的 大脑 是PC的关键部件 如图1 2所示 CPU包括运算器和控制器 PC品质的好坏 运算速度的快慢关键在于CPU 3 内存 Memory 内存就是内部主存储器 是PC运行程序时用于快速存放程序和数据的载体 内存由半导体大规模集成电路芯片组组成 内存的容量和速度很大程度上影响着PC的运行能力和运行效率 4 电源 PowerSupplyUnit PC的电源就是将交流电转换为PC工作所需要的直流电的转换器 就是电气行业上所说的开关电源 PC电源分为AT ATX等标准 5 机箱 Case 机箱是一个装载主机的各个配件的箱子 通常由金属材料和塑料面板组成 PC机箱分为立式和卧式两大类 以立式机箱为主 4 三 外部设备 1 输入设备人们比较熟悉的输入设备是能够直接记入信息的键盘 鼠标等 一些专业方面的需求也出现了一些特定功能的输入设备 如纸带机 读卡机 比较常见的输入设备还有手写板 游戏控制杆 扫描仪 数码相机 麦克风 摄像头等等 2 输出设备输出设备是用来将PC主机处理的结果转换为人们所熟悉的信息形式 如数字 字符 声音 图像 动画 的部件 常见的输出设备有显示器 打印机 绘图仪 音箱等 3 外部存储设备外部存储器是相对于内部主存储器而言的 为了能存储更多的数据 提高处理能力 计算机常常需要一个额外的存储器 它的存储能力比内存储器要大的多 这类存储器有硬盘驱动器 光盘驱动器等 现在还有便携式的移动硬盘以及U盘等 4 扩展设备这一类其实是上述分类以外的设备总和 是一切多媒体功能的扩展而增加的设备 比如调制解调器和网卡 为了实现在显示器上收看电视节目而增加的电视卡 5 第二章主板 学习目标 掌握主板的组成 结构规范 总线及总线的技术指标 接口功能及技术规范 芯片组的功能和芯片组的技术指标 本章重点 主板上各部件和它们的工作时所遵守的规范 各种技术特性 总线和接口的系统知识 本章主要内容 主板的构成和结构类型 微型计算机的体系结构 主板上常见部件的接口功能和接口规范 主板上的芯片组的结构和作用 6 2 1主板的构成和结构类型 7 主板的结构标准是指主板上各元器件的布局排列方式和主板的尺寸大小及形状 不同结构之间的差别主要包括 尺寸大小和形状 元器件的布局 所使用的电源规格等 主板结构分为AT Baby AT ATX MicroATX LPX NLX FlexATX EATX WATX以及BTX等结构 2 1 1ATX结构ATX主板是目前最常见的主板结构 它是Intel公司在1995年7月提出的 ATX主板有如下特点 1 空间增加2 提供标准的I O面板插座 3 硬盘 软盘接口电路设计在主板的边缘 提高了传输数据的速度 4 内存条插槽移至主板中间 避免了与硬盘 软盘线挤在一起 内存条更换也更加方便 5 使用20针的电源插座 6 支持网络唤醒 Modem开机 键盘开机 定时开关机等功能 7 支持硬件监视 HardwareMonitoring 功能 8 高级电源配置接口ACPI AdvancedConfigurationPowerInterface 功能 9 STR SuspendtoRAM 技术 8 2 1 2MicroATX结构MicroATX结构与ATX结构基本相同 只是减少了部分扩展槽 最多支持四个扩展槽 所以习惯上又称MicroATX结构主板为小板 通常MicroATX结构的主板价格便宜 但扩充性不如ATX结构好 2 1 3NLX结构NLX结构的主板将强电 扩展槽等部分从原主板上分离出来 单独设置在一块扩展板上 这样就大大提高了主板的可靠性 减少了信号传输中的干扰和衰减 提高了数据传输的速度和质量 Intel目前正致力于该规格主板的研发 9 NLX结构的主板由底板和扩展板两个部分组成 如果你的计算机使用的是卧式机箱的话 扩展板将竖插在底板上 而像显卡之类的接口卡则水平插在扩展板上 而对于立式机箱 扩展板将横插在底板上 2 1 4其它结构1 AT结构2 FlexATX结构3 LPX结构4 WATX EATX 10 2 2微型计算机的体系结构 2 2 1主板的体系结构1 南北桥体系结构Intel芯片组 以及许多其他非Intel的芯片组 都采用一种多层结构 既包括一个北桥和一个南桥 还有SuperI O芯片的体系结构 这种含有南北桥的主板体系结构 我们就称之为南北桥体系结构 11 2 中心体系结构中心体系结构是Intel提出的 它是由相当于传统北桥芯片的GMCH Graphics MemoryControllerHub 图形 存储器控制中心 和相当于传统南桥芯片的ICH I OControllerHubI O控制中心 以及新增的FWH FirmwareHub 固件控制器 相当于传统体系结构中的BIOSROM 共3块芯片构成 12 1 GMCH Graphics MemoryControllerHub 图形与内存控制中心 也就是传统意义的 北桥芯片 它与传统的北桥一样 仍然负责支持和管理CPU 内存以及图形显示控制电路 随着技术的发展 如今Intel的GMCH体型都比较大 看起来和一块CPU差不多 因此我们可以快速在主板上找到它 图2 60为GMCH芯片 2 ICH Input OutputControllerHub 输入 输出控制中心 芯片也就是传统意义上的 南桥芯片 它负责支持PCI总线 IDE设备以及各种高速和传统的I O接口和电脑系统能源控制等 用户仍然可以在PCI插槽附近找到这种ICH芯片 3 FWH FirmwareHub 固件中心 则是一块包括主板及显示系统BIOS 随机数发生器等电脑在内的综合芯片 13 2 2 2主板上的总线1 系统总线 SystemBus 系统总线又被称为前端总线 FSB 用于连接CPU和RAM 包括CPU的内部缓存和系统主内存 2 I O总线I O总线用于CPU与除RAM之外的其它部件的连接 3 AGP总线AGP AcceleratedGraphicsPort 即加速图形接口 它是一种为了提高视频带宽而设计的用来替代PCI总线的规范 4 IEEE1394总线定义了数据的传输协议及连接系统 可用较低的成本达到较高的性能 以增强计算机与外设如硬盘 打印机 扫描仪 与消费性电子产品如数码相机 DVD播放机 视频电话等的连接能力 符合IEEE1394总线规范的接口 14 5 USB总线USB UniversalSerialBus 通用串行总线 是由7家世界领先的计算机及通信产业厂商 Compaq DEC IBM Intel Microsoft NEC NorthernTelecom 共同制定的一种通用外部设备总线规范 2 2 3总线的主要参数CPU通过总线实现程序接发指令或与内存 外设的数据交换 在CPU与外设一定的情况下 总线速度是制约计算机整体性能的最大因素 当前总线结构方式已经成为微机性能的重要指标之一 总线又分为用于传输数据的数据总线 DataBus 传输地址信息的地址总线 AddressBus 和用于传输控制信号 时钟信号和状态信息的控制总线 ControlBus 1 总线的带宽 MB s 总线的带宽指的是单位时间内总线上可传送的数据量 即每秒钟传送多少MB字节的最大稳态数据传输率 与总线带宽密切相关的两个参数是总线的位宽和总线的工作时钟频率 15 2 总线的位宽 bit 总线的位宽指的是总线一次能同时传送的数据位数 即常说的32位 64位等总线宽度的概念 总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大 也即总线带宽越大 3 总线的工作时钟频率 MHz 总线分为CPU内部使用的内部总线和CPU对外联系的外部总线 外部总线又称为系统总线 众多的功能部件要正常工作 必须有一个统一的指挥 这个指挥就是时钟信号 时钟信号协调各部件的动作 控制它们的工作速度 这就好比指挥合唱时打拍子一样 控制总线的时钟信号频率称为总线的工作时钟频率 内部总线频率就是常说的内频 而外部总线频率就是外频了 总线带宽的计算方法 总线带宽 总线位宽 总线工作频率 8单方面提高总线的位宽或工作时钟频率都只能部分提高总线的带宽 并容易达到各自的极限 只有两者配合才能使总线的带宽得到更大的提升 16 2 3主板上的常见部件 2 3 1接口的概念接口一般是指主板和某类外设之间的适配电路 其功能是解决主板和外设之间在电压等级 信号形式和速度上的匹配问题 2 3 2主板上的常见部件及其规范1 印制电路板主板所用的PCB PrintedCircuitBoard 印制电路板 是由几层树脂材料粘合在一起的 内部采用铜箔走线 2 CPU插座通常位置处在主板上方的白色方形插座就是CPU插座 它的重要作用是把CPU固定在主板上 3 内存插槽CPU插座右侧的长插槽是内存插槽 用来把内存条固定在主板上 17 4 AGP插槽CPU插座下方的是褐色的AGP插槽 显示卡就插接在上面 有些主板出于芯片设计原因是没有AGP插槽的 5 PCI插槽AGP插槽下方的白色插槽是PCI插槽 用来插接各种功能扩展卡6 ISA插槽从PCI插槽向下的黑色长插槽是ISA插槽 这是一种老式的功能扩展卡接口 性能不高 现在已经很少在主板上出现了 7 IDE接口IDE接口靠近主板右侧边的长条形接口是IDE接口 诸如硬盘驱动器和光盘驱动器这样的IDE设备通过IDE信号排线插接在上边 8 软盘驱动器接口软驱接口电源接口紧靠IDE接口的长条形接口是软驱接口 18 9 电源接口主机电源通过它与主板相连 为主板的工作提供动力 电源接口通常位于CPU插座或内存插槽附近 10 各种前面板接口机箱前面板的按钮和状态灯与此相连 控制主机的开关并反映配件的状态 另外 新式的机箱上有前置USB接口和前置音频接口 主板上也有相应的针脚 11 各种背板接口当各种配件装入机箱之后 主机的扩展功能就需要通过背板接口实现了 背板接口上有PS 2接口 USB接口 串行通讯接口 并行通讯接口 MIDI接口 音频信号接口等等各类扩展接口 12 SATA接口 串行ATA接口 这是新型主板上的串行ATA接口 由于其简洁 高速的特点 串行ATA硬盘被认为是现有硬盘的替代者 串行ATA接口总共只有7根针脚 信号线和连接方法都比以前简便了很多 19 13 BIOS芯片BIOS BasicInputOutputSystem 基本输入输出系统 芯片是主板上一个很重要的芯片 因为BIOS包含一组例行程序 由它们来完成系统与外设之间的输入输出工作 它的功能当然不止这些 它还有内部的诊断程序和一些实用程序 比如每次启动计算机时 都要调用BIOS的自检程序 检查主要部件以确保它们工作正常 14 供电模块供电模块位于CPU插座的左侧或上侧 它为主板及其上插接的各种板卡提供稳定的电力支持 供电模块的设计直接影响微型计算机主机系统运行的稳定性 20 2 4主板芯片组2 4 1主板芯片组结构 1 传统的南北桥芯片组结构北桥芯片一般位于CPU插座与AGP插槽的中间 其芯片体型较大 加上其工作强度高 发热量也很可观 因此一般在该芯片的上面 还覆盖有一个散热片或者散热风扇 南桥芯片一般位于主板的下方 PCI插槽的附近 其芯片体型较小 加上其发热量不大 所以一般都没有加装散热片 可以直接查看其型号 在传统的南北桥芯片组结构中 南北桥之间是通过PCI总线进行沟通 CPU 内存 AGP和PCI总线交由北桥控制 而南桥控制的IDE 超级I O等器件必须和整个PCI总线共享带宽 目前PCI32的数据线宽度为32bit 工作频率为33MHz 数据传输的最大速率为133MB s 这样就导致了数据传输的瓶颈 21 2 Intel中心结构南北桥结构是相当流行的主板芯片组架构 但值得一提的是 Intel从i810 i815系列芯片组开始 就不再以 南北桥 的形式来构成主板芯片组 取而代之的是ICH GMCH FWH等三块芯片组成主板芯片组 3 SiS单芯片结构在主板芯片组领域 单芯片具有更加紧密的应用集成和更高的性价比 目前在单芯片主板芯片组领域最活跃的厂商就是矽统 SiS SiS首款采用单芯片高整合性的芯片组是SiS630 在这款产品中首次将传统的南北桥芯片组整合为单一的芯片 从SiS630开始 SiS推出了多款单芯片的主板芯片组 对于采用这种芯片组的主板 我们只能在主板的中央看到一块芯片 22 2 4 2主板芯片组的作用 1 提供对CPU的支持目前CPU的型号与种类繁多 功能特点也不尽相同 更新速度更是惊人 但不管CPU如何发展 它都必须有相应的主板芯片组支持才行 当新类型的CPU出现后 往往新的主板芯片组也就随之出现 2 提供对不同类型和标准内存的支持我们平常所说的内存 主要用来存放各种现场的输入 输出数据 中间计算结果 以及与外部存储器交换信息和作堆栈用 它的存储单元根据具体需要可以读出 也可以写入或改写 由于内存由电子器件组成 所以只能用于暂时存放程序和数据 一旦关闭电源或发生断电 其中的数据就会丢失 23 内存之所以能够正常地工作 离不开 内存控制器 MemoryController 的帮助 而这个关系到内存生死存亡的部件 就集成在主板芯片组的北桥芯片中 因此 北桥芯片对内存及CPU的影响是非常大的 另外 主板芯片组也决定了一块主板能够使用的内存类型 不同芯片组所支持的内存类型 最大容量不同 而这些都将影响整台电脑的性能及可扩展性 3 提供对图形接口的支持显卡是目前发展速度最快的设备之一 而显卡的接口也随着技术的发展经历了AGP2 AGP4 AGP8 PCI E等多种标准 而不管什么标准 都需要相应的主板芯片组的支持 4 对输出模式的支持以硬盘传输模式为例 UltraDMA33 66 100就是由主板芯片组决定的 同样的一块硬盘 连接在不同芯片组的主板上 其磁盘性能或多或少都有区别 24 2 5主板跳线 主板上的跳线实际是一组用来改变主板电路工作状态的开关 主板上常见跳线开关有如下几种 1 清除开机口令跳线 2 BIOS升级跳线 3 系统总线频率跳线和CPU工作电压跳线 25 2 6主板其它技术 1 防病毒技术 如防BIOS写入保护功能 在BIOS中固化反CIH病毒程序等 2 免跳线技术 通过BIOS程序或其它软件改变主板上的参数 而不需要打开机箱了 3 温控监测技术 采用温度检测和系统散热管理功能 用以防止过热而影响系统速度 或烧坏关键部件 4 其它技术 主板设计人性化 语音诊断技术 26 第三章中央处理器 CPU 学习目标 掌握CPU发展历程 工作原理 技术参数 生产工艺 封装形式 主流技术和CPU风扇的非类 性能参数等知识 重点 CPU的发展史以及各代CPU的技术特色 主要内容 CPU的基本组成 工作原理以及主要技术参数主流CPU的生产工艺和封装形式CPU的最新技术CPU风扇的分类和风扇的性能参数5 CPU的发展历程 27 中央处理器简称CPU CentralProcessingUnit 是一块超大规模集成电路芯片 它是整个计算机系统的核心 CPU主要包括运算器 控制器和寄存器三个部件 这三个部件相互协调 便可以进行分析 判断 运算并控制计算机各部分协调工作 其中运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算 而控制器是指挥中心 控制运算器及其它部件工作 它能对指令进行分析 作出相应的控制 寄存器是用来暂时存放运算的中间结果或数据 28 3 1CPU的工作原理3 1 1CPU的基本构成1 指令高速缓存指令高速缓存是芯片上的指令仓库 这样微CPU就不必停下来查找计算机内存中的指令 这种快速访问方式加快了处理速度 因为预取单元已经 取得 了这些指令 并将其以正确的顺序存放在预取单元中等待处理 2 控制单元控制单元是微CPU最重要的部件之一 因为它负责整个处理过程 根据来自译码单元的指令 它会生成控制信号 告诉运算逻辑单元 ALU 和寄存器如何运算 对什么进行运算以及怎样对结果进行处理 控制单元可以确保一切事情均发生在正确的时间和正确的地点 3 运算逻辑单元 ALU 运算逻辑单元是芯片中的最后一个处理阶段 运算逻辑单元是芯片的智能部件 能够执行加 减 乘 除等各种命令 此外 它还知道如何读取逻辑命令 如或 与 非 来自控制单元的讯息将告诉运算逻辑单元应该做些什么 然后运算逻辑单元将从它的 近邻 寄存器中提取数据 以完成任务 4 寄存器寄存器是运算逻辑单元 ALU 为完成控制单元请求的任务所使用数据的小型存储区域 数据可以来自于数据高速缓存 内存或控制单元 但都存储在寄存器内专门的位置 这就使运算逻辑单元的检索快速而高效 29 5 预取单元预取单元可以根据命令或将要执行的任务决定 何时开始从指令高速缓存或计算机内存中获取数据和指令 当指令到达时 预取单元最重要的任务就是确保所有指令均按正确的顺序排列 以发送至译码单元 6 数据高速缓存数据高速缓存与 处理合作伙伴 运算逻辑单元 寄存器 译码单元的协作非常紧密 数据高速缓存中存储了来自译码单元专门标记的数据 以备运算逻辑单元使用 同时还准备了分配到计算机不同部分的最终结果 7 译码单元译码单元的作用是将复杂的机器语言指令解译成运算逻辑单 ALU 和寄存器能够理解的简单格式 这项工作可以使处理效率更高 8 总线单元总线单元是指令从计算机内存流进和流出微CPU的地方 30 3 1 2CPU的工作原理1 取指周期 FC 在FC中完成取指所需的操作 每条指令都必须经历取指周期FC 在FC中完成的操作是与指令操作码无关的公共操作 但FC结束后转向哪个周期则与本周期中取出的指令类型有关 2 源周期 SC 在SC中完成取源操作数所需的操作 如指令需要源操作数 则进入SC 在SC中根据指令寄存器IR中的源地址信息 形成源地址 读取源操作数 3 目的周期 DC 如果CPU需要获得目的操作数或形成目的地址 则进入DC 在DC中根据IR中的目的地址信息进行相应操作 4 执行周期 EC CPU在取得操作数后 则进入EC 这也是每条指令都需经历的最后一个工作阶段 在EC中将依据IR中的操作码执行相应操作 如传递 算术运算 逻辑运算 形成转移地址等 31 5 中断相应周期 IC CPU除了考虑指令正常执行 还应考虑对外部中断请求的处理 CPU在响应中断请求后 进入中断响应周期IC 在IC中将直接依靠硬件进行保存断点 关中断 转中断服务程序入口等操作 IC结束后转入取指周期 开始执行中断服务程序 6 DMA传送周 DMAC CPU控制流程CPU响应DMA请求后 进入DMAC 在DMAC中 CPU交出系统总线的控制权 由DMA控制器控制系统总线 实现主存与外围设备之间的数据直接传送 因此对CPU来说 DMAC是一个空操作周期 32 3 2CPU的主要技术参数 1 位 字节和字长二进制数系统中 每个0或1就是一个位 bit 位是表示电子信号的最小单位 一个字节 byte 是由8个位所组成 可代表一个字符 A Z 数字 0 9 或符号 是数据存储的基本单位 1byte 8bit 1KB 1024bytes 2 主频主频也就是CPU的时钟频率 简单地说也就是CPU的工作频率 一般说来 一个时钟周期完成的指令数是固定的 所以主频越高 CPU的速度也就越快了 不过由于各种CPU的内部结构也不尽相同 所以并不能完全用主频来概括CPU的性能 最新的含超线程技术的Pentium4CPU就比同样主频的不含超线程技术的Pentium4CPU快得多 至于外频就是系统总线的工作频率 而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数 用公式表示就是 主频 外频 倍频 33 3 内存总线速度内存总线速度或者叫系统总线速度 一般等同于CPU的外频 内存总线的速度对整个系统性能来说很重要 4 工作电压工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压 早期CPU 386 486 由于工艺落后 它们的工作电压一般为5V Pentium等是3 5V 3 3V 2 8V等 随着CPU的制造工艺与主频的提高 CPU的工作电压在不断下降 新的Pentium4CPU已经采用1 5V的工作电压了 而新的基于Intel迅驰移动计算技术的笔记本计算机里的Pentium4 MCPU的工作电压更低 低电压能降低耗电量和发热量 这对于笔记本计算机尤其重要 5 协处理器协处理器也叫数学协处理器 协处理器主要的功能就是负责浮点运算 34 6 超标量流水线技术流水线 pipeline 是Intel公司首次在486芯片中开始使用的 流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线 在CPU中由5 6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线 然后将一条X86指令分成5 6步后再由这些电路单元分别执行 这样就能实现在一个CPU时钟周期完成多条指令 因此提高了CPU的运算速度 超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令 这在486或者以前的CPU上是很难想象的 只有Pentium级以上CPU才具有这种超标量结构 这是因为现代的CPU越来越多的采用了RISC技术 所以才会超标量的CPU 7 乱序执行和分支预测乱序执行是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术 分枝是指程序运行时需要改变的节点 分枝分无条件分枝和有条件分枝 其中无条件分枝只需要CPU按指令顺序执行 而条件分枝则必须根据处理结果再决定程序运行方向是否改变 因此需要 分枝预测 技术处理的是条件分枝 35 8 L1高速缓存L1高速缓存也就是我们经常说的一级高速缓存 在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU的运行效率 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 采用回写 WriteBack 结构的高速缓存 它对读和写操作均有可提供缓存 而采用写通 Write through 结构的高速缓存 仅对读操作有效 在486以上的计算机中基本采用了回写式高速缓存 9 L2高速缓存L1高速缓存的容量太小 所以增加L2高速缓存从而进一步提高CPU的工作效率 IntelPentium4CPU采用了与CPU核心同频工作的512KBL2高速缓存 而笔记本式计算机专用的IntelPentium4 M采用了1MBL2高速缓存 大大提升了CPU的性能 10 制造工艺制造工艺即指CPU内部线路的尺度 IntelPentium4CPU现在普遍采用0 13um的制造工艺 从而使得CPU的集成度非常高 达到5500万晶体管 而同样采用0 13um制造工艺的IntelPentium4 MCPU集成的晶体管数量更多 达到7700万个 36 3 3CPU的生产 3 3 1主流CPU的生产工艺1 制造CPU的基本原料除去硅之外 制造CPU还需要一种重要的材料就是金属 目前为止 铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料 而铜则逐渐被淘汰 这是有一些原因的 在目前的CPU工作电压下 铝的电迁移特性要明显好于铜 所谓电迁移问题 就是指当大量电子流过一段导体时 导体物质原子受电子撞击而离开原有位置 留下空位 空位过多则会导致导体连线断开 而离开原位的原子停留在其它位置 会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能 进而导致芯片无法使用 2 CPU制造的准备阶段单晶硅硅锭在必备原材料的采集工作完毕之后 这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作 而作为最主要的原料 硅 的处理工作至关重要 首先 硅原料需要进行化学提纯 这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别 为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要 还必须将其整形 这一步是通过溶化硅原料 然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的 而后 将原料进行高温溶化 为了达到高性能处理器的要求 整块硅原料必须高度纯净 即单晶硅 然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出 此时一个圆柱体的硅锭就产生了 从目前所使用的工艺来看 硅锭圆形横截面的直径为300毫米 37 在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后 下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片 切片越薄 用料越省 自然可以生产的处理器芯片就更多 切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑 之后检查是否有扭曲或其它问题 这一步的质量检验尤为重要 它直接决定了处理器的成品质量 标准晶元切片新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料 而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路 在掺入化学物质的工作完成之后 标准的切片就完成了 然后将每一个切片放入高温炉中加热 通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜 准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层 这一层物质用于同一层中的其它控制应用 这层物质在干燥时具有很好的感光效果 而且在光刻蚀过程结束之后 能够通过化学方法将其溶解并除去 3 光刻蚀这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤 光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕 由此改变该处材料的化学特性 38 4 掺杂在残留的感光层物质被去除之后 剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层 这一步之后 另一个二氧化硅层制作完成 然后 加入另一个带有感光层的多晶硅层 多晶硅是门电路的另一种类型 由于此处使用到了金属原料 因此称作金属氧化物半导体 多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路 感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀 再经过一部刻蚀 所需的全部门电路就已经基本成型了 然后 要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击 此处的目的是生成N沟道或P沟道 这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接 没个晶体管都有输入端和输出端 两端之间被称作端口 重复这一过程 从这一步起 将持续添加层级 加入一个二氧化硅层 然后光刻一次 重复这些步骤 然后就出现了一个多层立体架构 这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了 在每层之间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接 接下来就需要对晶圆进行测试 看是否有逻辑错误 如果有 是在哪一层出现的等等 而后 整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元 在最初测试中 那些检测不合格的单元将被遗弃 39 3 3 2封装形式1 DIP封装20世纪70年代流行的是DIP封装 DualIn linePackage 双列直插封装 DIP封装结构具有以下特点 1 适合PCB 印刷电路板 的穿孔安装 2 比TO型封装易于对PCB布线 3 操作方便2 载体封装20世纪80年代出现了芯片载体封装 其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC LeadlessCeramicChipCarrier 塑料有引线芯片载体PLCC PlasticLeadedChipCarrier 小尺寸封装SOP SmallOutlinePackage 塑料四边引出扁平封装PQFP PlasticQuadFlatPackage QFP封装比DIP封装的尺寸大大减小 QFP的特点是 1 用SMT表面安装技术在PCB上安装布线 2 封装外形尺寸小 寄生参数减小 适合高频应用 3 操作方便 4 可靠性高 40 3 PGA封装 1 SPGA封装SPGA英文全称为 StaggeredPin GridArray 又称 交错针栅阵列封装 此前的Pentium AMDK5处理器就是采用此种封装 2 PPGA封装PPGA的英文全称为 PlasticPinGridArray 中文名为 塑料针栅阵列 它也是用插针插入插座中 为了提高热传导率 此种封装在处理器顶部附加了一片镀镍的铜片 处理器底部的引脚针也是交错排列的 并且只能以一个方向插入 PPGA封装方式通常应用于早期的370针Celeron处理器 3 FC PGA封装FC PGA英文全称为 FlipChipPin GridArray 倒装芯片格栅阵列 也就是我们常说的翻转内核封装形式 平时我们所看到的CPU内核其实是硅芯片的底部 它是翻转后封装在电路基板上的 这样各连接点之间的连接不需要专门的连接线 大大方便了高密度引脚芯片的开发 而且这种封装的另一好处就是处理器芯片朝上 暴露在外 更加有利于芯片的散热 芯片底部的引脚插针是交叉排列的 为了防止插错 处理器的引脚插针设计成限定只有一个方向可以插入到插座中 而且FC PGA是将芯片暴露在外的封装形式 这样芯片直接跟散热片接触 无须进行特别的处理 就能达到良好的热交换效果 AthlonXP及以前Coppermine核心的Pentium Celeron 就是采用此种封装技术 41 4 FC PGA2封装FC PGA2封装是在FC PGA的基础之上加装了一个HIS顶盖 IntegratedHeatSpreader 整合式散热片 这样的好处可以有效保护内核免受散热器挤压损坏和增强散热效果 英特尔的Tualatin核心的P Celeron Pentium4和AMD新一代Athlon64和Opteron处理器都采用此种封装 由于受生产工艺的限制 早期的423针的Pentium4处理器是采用OOI OlgaonInterposer 也称 奥尔加内插 封装技术 OOI封装也是采用倒装晶片技术设计 只不过这种封装方式中处理器芯片是内插在基板正面的底层 并增加了一个热传导装置 它可以在附加风扇的基础上更有效地帮助芯片散热 42 4 BGA封装其特点有 1 I O引脚数虽然增多 但引脚间距远大于QFP 从而提高了组装成品率 2 虽然它的功耗增加 但BGA能用可控塌陷芯片法焊接 简称C4焊接 从而可以改善它的散热性能 3 厚度比QFP减少1 2以上 重量减轻3 4以上 4 寄生参数减小 信号传输延迟小 使用频率大大提高 5 组装可用共面焊接 可靠性高 6 BGA封装仍与QFP PGA一样 占用基板面积过大 43 5 CSP封装CSP封装具有以下特点 1 满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要 2 解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题 3 封装面积缩小到BGA的1 4甚至1 10 延迟时间大大缩小 曾有人想 当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时 能否将高集成度 高性能 高可靠的CSP芯片 用LSI或IC 和专用集成电路芯片 ASIC 在高密度多层互联基板上用表面安装技术 SMT 组装成为多种多样电子组件 子系统或系统 由这种想法产生出多芯片组件MCM MultiChipModel 它将对现代化的计算机 自动化 通讯业等领域产生重大影响 MCM的特点有 1 封装延迟时间缩小 易于实现组件高速化 2 缩小整机 组件封装尺寸和重量 一般体积减小1 4 重量减轻1 3 3 可靠性大大提高 44 6 BBUL封装技术BBUL BumplessBuild UpLayer 也称 无凸块式增层 技术 是一种全新的半导体封装技术 BBUL封装的关键在于芯片直接放入封装基板中 从而把组成一个处理器的6 7层金属减少大约3层 使处理器的厚度只有1mm BBUL技术还有一个明显的优点 就是可以将处理器的寄生电感降低至少30 这样可以大大降低处理器的能耗 有利于提升主频 45 3 4CPU的新技术 3 4 1IntelCPU新技术1 Hyper ThreadingTechnology超线程技术就是利用特殊的硬件指令 把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片 让单个CPU都能使用线程级并行计算 从而兼容多线程操作系统和软件 提高CPU的性能 2 双核心处理器技术 双核心 技术 顾名思义 就是在一颗CPU中真正集成两个物理运行核心 并且每个核心都拥有独立的高速缓存 因此在实际使用中 这种双核心处理器与使用两颗独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别 46 3 Intel酷睿微体系结构 1 Intel宽位动态执行 IntelWideDynamicExecution 如今衡量一款处理器的性能水平 已经不能再单纯的以频率的高低考量 而是更强调 每瓦特性能 也就是所谓的能效比 性能 频率 每个时钟周期的指令数 是Intel提出的对性能的创新理解 Intel宽位动态执行通过提升每个时钟周期完成的指令数 从而显著改进了处理器的执行能力 Intel酷睿微架构拥有4组解码器 相比上代PentiumPro P6 PentiumII PentiumIII PentiumM架构拥有3组可多处理一组指令 简单来说 每个内核将变得更加 宽阔 这样每个内核就可以同时处理更多的指令 Intel酷睿微体系结构在提升每个时钟周期的指令数方面新加入了宏融合 Macro Fusion 技术 它可以让处理器在解码的同时 将同类的指令融合为单一的指令 这样可以减少处理的指令总数 让处理器在更短的时间内处理更多的指令 2 Intel智能功率能力 IntelIntelligentPowerCapability Intel智能功率能力 可以进一步降低功耗 优化电源使用 从而为服务器 台式机和笔记本电脑提供个更高的每瓦特性能 新一代处理器在制程技术方面做出优化 采用了65nm应变硅技术 加入低K栅介质及增加金属层 相比上代90nm制程减少漏电达1000倍 通过该特性 可以智能地打开当前需要运行的子系统 而其他部分则处于休眠状态 这样将大幅降低处理器的功耗及发热 47 3 Intel高级智能高速缓存 IntelAdvancedSmartCache 以往的多核心处理器 其每个核心的二级缓存是各自独立的 这就造成了二级缓存不能够被充分利用 并且两个核心之间的数据交换路线也更为冗长 必须要通过共享的前端串行总线和北桥来进行数据交换 影响了处理器工作效率 Intel酷睿微结构体系结构采用了共享二级缓存的做法 有效加强了多核心架构的效率 这样两个核心就可以共享二级缓存 提高了二级高速缓存的命中率 从而可以较少通过前端串行总线和北桥进行外围交换 Intel高级智能高速缓存还有其他方面的优势 每个核心都可以动态支配全部二级高速缓存 当某一个内核当前对缓存的利用较低时 另一个内核就可以动态增加占用二级缓存的比例 甚至当其中的一个内核关闭时 全部缓存仍可以保持工作状态 另外也可以根据需求关闭部分缓存来降低功耗 这样可以降低二级缓存的命中失误 减少数据延迟 改进处理器效率 增加绝对性能和每瓦特性能 48 4 Intel智能内存访问 IntelSmartMemoryAccess Intel智能内存访问是另一个能够提高系统性能的特性 通过缩短内存延迟来优化内存数据访问 Intel智能内存访问能够预测系统的需要 从而提前载入或预取数据 大幅提高了执行程序的效率 它可以对内存读取顺序做出分析 智能地预测和装载下一条指令所需要的数据 这样能够减少处理器的等待时间 减少闲置 同时降低内存读取的延迟 而且它可以侦测出冲突并重新读取正确的资料及重新执行指令 保证运算结果不会出错误 大大提高了执行效率 5 Intel高级数字媒体增强 IntelAdvancedDigitalMediaBoost 上面提到了 性能 频率 每个时钟周期的指令数 这个新概念 Intel高级数字媒体增强也同样是为了提高每个时钟周期的指令数而诞生 它可以提高SIMD流指令扩展指令 SSE SSE2 SSE3 的执行效率 之前的处理器需要两个时钟周期来处理一条完整指令 而Intel酷睿微体系结构则拥有128位的SIMD执行能力 一个时钟周期就可以完成一条指令 效率提升明显 49 3 4 2AMDCPU新技术1 HyperTransport技术简介HyperTransport是一种可支持集成电路进行高速 高性能点对点联系的互连技术 可满足新一代计算机及通信平台的带宽需要 HyperTransport技术有助减少总线的数目 并确保PC 工作站 服务器 多种不同的嵌入式应用方案以及高度灵活的多CPU系统可以进行高性能的连系 HyperTransport技术可确保PC芯片 网络及通信器件能以比现有的某些总线技术快48倍的速度互相通信 HyperTransport互连技术可确保高性能计算机 网络及通信设备内的芯片能以更快的速度进行传输 非目前的技术所能及 HyperTransport技术可支持12 8Gbps的带宽 而目前的系统互连技术一般最高只能支持266Mbps的带宽 因此相比之下 HyperTransport的数据传输速度比目前的技术高48倍 HyperTransport可支持外露式总线标准如外围设备互连 PCI 以及新一代的技术如InfiniBand及10Gb以太网 50 2 AMD的x86 64技术简介AMD扩展x86架构引进64位模式 为x86架构提供一个64位地址空间及一个64位数据空间 AMD的64位CPU可以检测系统究竟采用32位还是64位的模式 然后才按照该模式进行操作 计算机业界曾经两度扩展x86指令集 第一次由8位扩展至16位 第二次由16位扩展至32位 x86指令集于二十多年前面世 AMD的x86 64架构特别为此采用简单直接的方式将这套指令集扩展 使开发商可以充分利用多年来累积的经验以及沿用一向惯用的工具 AMD特别为提高x86指令集的性能而引进两个重要的功能特色 其中一个特色是64位扩展 亦称为长模式 而另一特色是寄存器扩展 长模式包括两个子模式 即64位模式及兼容模式 64位模式加添了8个通用寄存器 并联同指令指针扩大寄存器容量 以便可以支持全新的64位代码 这个模式亦添加了8个128位的浮点寄存器 兼容模式可为现有的16位及32位应用程序提供支持 确保这两大类应用程序可在64位操作系统内执行 AMD的x86 64架构除了可支持长模式之外 也可支持上一代的纯x86模式 确保这一模式可与目前的16位及32位应用程序及操作系统二进制兼容 51 3 AMDOpteronCPU简介AMDOpteronCPU建立在AMD的第八代CPU内核的基础上 是业界第一款采用了64位x86技术的产品 这技术的设计目的是在保护企业对于32位应用的投资的同时 帮助他们根据需要无缝地移植到64位计算 AMDOpteronCPU采用了独特的设计 可以为目前要求最严格的大型企业应用提供高性能的服务器和工作站解决方案 该CPU还具有很高的可扩展性 可靠性和兼容性 可以降低企业的整体运营成本 AMDOpteronCPU的主要创新包括 1 一个内部集成的内存控制器 它可以减少内存瓶颈 2 HyperTransport 技术 它可以通过消除或者减少I O瓶颈 增加带宽或减少延时 从而提高整体性能 52 3 5CPU的散热系统 3 5 1CPU风扇的分类1 按照工作原理来分一般来说 CPU用散热器根据工作原理不同可以分为 风冷式 水冷式 半导体制冷和液态氮制冷四种 2 按照散热器的电源线芯来分一般来说 CPU用散热器根据电源线芯的不同可以分为 两芯 三芯和四芯三种 1 两芯最早计算机内的风扇大多是两芯的 一红一黑 其中红色的是 12V电压 黑色的为地线 2 三芯目前CPU风扇大多为3芯 它在原来基础上加入了一条蓝线 或者是白线 目的是侦测风扇的转速 CPU温度高的时候 风扇转的就快一点 相反转的就慢一点 3 四芯LGA775CPU散热器采用4芯设计 加入一条黄线 通过增加的第四条线缆随时监控处理器的温度和转速 在外观上 新的LGA775CPU散热器和老的mPGA478CPU搭配的风扇都是60mm的 而Intel的这款散热器风扇尺寸达到了80mm 在同等转速的条件下 可以产生更大的风压和排风量 53 3 5 2风扇的性能参数1 风扇功率风扇功率是影响风扇散热效果的一个很重要的条件 2 风扇转速风扇的转速与功率是密不可分的 转速的大小直接影响到风扇功率的大小 3 风扇口径该性能参数对风扇的出风量也有直接的影响 4 散热片材质CPU散热器中的散热片的最大作用是扩展CPU表面积 从而提高CPU的热量散发速度 5 散热片的形状6 风扇噪声7 风扇排风量风扇排风量是一个比较综合的指标 54 3 6 1IntelCPU的发展历程1 4004 804862 Pentium家族桌面CPU3 Celeron家族CPU4 IntelConroe家族CPU5 Intel移动家族CPU 3 6CPU的发展历程 55 3 6 2AMDCPU的发展历程1 K5 K72 AthlonXP Athlon643 AMD双核心系列 56 3 6 3其他厂商CPU的发展历程1 Cyrix 1 6x86 M1 2 MediaGX 3 6x86MX 4 MII 5 MediaPC2 Centaur 1 WinchipC6 2 Winchip 23 VIA 威盛 VIA先后收购了CPU大厂Cyrix和Centaur 从主板芯片组的生产商跨入了CPU生产商的行列 1 Joshua 2 Samuel 3 VIACyrixIII 4 VIAC3 5 VIAAntaur 汉腾 CPU 6 VIAC7 57 3 7Cpu术语概览 BGA BallGridArray 球状矩阵排列CMOS ComplementaryMetalOxideSemiconductor 互补金属氧化物半导体CISC ComplexInstructionSetComputing 复杂指令集计算机COB Cacheonboard 板上集成缓存COD CacheonDie 芯片内集成缓存CPGA CeramicPinGridArray 陶瓷针型栅格阵列CPU CenterProcessingUnit 中央处理器EC EmbeddedController 微型控制器FEMMS FastEntry ExitMultimediaState 快速进入 退出多媒体状态FIFO FirstInputFirstOutput 先入先出队列FPU FloatPointUnit 浮点运算单元HL PBGA 表面黏著 高耐热 轻薄型塑胶球状矩阵封装IA IntelArchitecture 英特尔架构ID identify 鉴别号码IMM IntelMobileModule 英特尔移动模块 58 KNI KatmaiNewInstructions Katmai新指令集 即MMX2MMX MultiMediaExtensions 多媒体扩展指令集NI Non Intel 非英特尔PGA Pin GridArray 引脚网格阵列 耗电大PSN ProcessorSerialnumbers 处理器序列号PIB ProcessorInaBox 盒装处理器PPGA Plastic