CPU系统故障维修PPT课件

1、4.1 CPU类型与组成4.2 CPU生产工艺【】4.3 CPU结构与性能4.4 CPU设计技术4.5 CPU散热技术4.6 CPU故障分析与处理第1页/共73页主讲：XX老师第2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）第2页/共73页主讲：XX老师第3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； 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。 第3页/共73页主讲：XX老师第4页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.1 CPU的发展 非x

2、86系列CPU 生产厂商有、Sun、HP、MIPS、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。第4页/共73页主讲：XX老师第5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： 、和。 Intel公司桌面型产品有： （Core）系列； 奔腾（Pentium）系列； 赛扬（Celeron）系列。 不同系列CPU产品。 第5页/共73页主讲：XX老师第6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

3、睿系列、奔腾系列、赛扬系列移动型移动酷睿、凌动系列、迅驰系列、移动奔腾、移动赛扬服务器型至强系列、安腾系列第6页/共73页主讲：XX老师第7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 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）。 第7页/共73页主讲：XX老师第8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： 如：Intel Core i7-965第8页/共73页主讲：XX老

4、师第9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“”进行标记，“xxx”为英文字母或数字，如：SLBCJ第9页/共73页主讲：XX老师第10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“”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。第10页/共73页主讲：XX老师第11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（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

5、电容第11页/共73页主讲：XX老师第12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）第12页/共73页主讲：XX老师第13页 共73页4.1 CPU类型与组成4.1.4 CPU基本组成第13页/共73页主讲：XX老师第14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插座第14页/共73页主讲：XX老师第15页 共73页4.1 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插座第1

6、5页/共73页主讲：XX老师第16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。 第16页/共73页主讲：XX老师第17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：，由栅极控制漏极与源极之间的电流流动。第17页/共73页主讲：XX老师第18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 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。第18页/共73页主讲：XX老师第19页 共73页4.2 CPU生产

7、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。第19页/共73页主讲：XX老师第20页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.1 CMOS电路工作原理，当其中一个MOS管为关（OFF，对应）状态时，另一个MOS管则为开（ON，对应）状态。第20页/共73页主讲：XX老师第21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；第21页/共73页主讲：XX老师第22页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.2 CPU制造工艺流程 金属引

8、线； 多层连接； 测试封装。第22页/共73页主讲：XX老师第23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。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，为节距的一半。 第23页/共73页主讲：XX老师第24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。，而不是金属线路的半节距。MOS晶体管栅极隔离层第24页/共73页主讲：XX老师第25页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术第25页/共73页主讲

9、：XX老师第26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： 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。 第26页/共73页主讲：XX老师第27页 共73页4.2 CPU生产工艺4.2.3 CPU制程线宽技术第27页/共73页主讲：XX老师第28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，造成CPU功耗猛增，发热严重。第28页/共73页主讲：XX老师第29页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.1 CPU内核组成1

10、Core i7 CPU物理内核（4核）CPU核心第29页/共73页主讲：XX老师第30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核心第30页/共73页主讲：XX老师第31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始终围绕着与两个目标设计。 CPU内部主要结构： （Cache）、（IF）、 （DEC）、（OP）、 （EXE）、（RU）第31页/共73页主讲：XX老师第32页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.2 CPU系统结构第32页/共73

11、页主讲：XX老师第33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。第33页/共73页主讲：XX老师第34页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.2 CPU系统结构第34页/共73页主讲：XX老师第35页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.3 CPU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

12、机CPU功耗在之间。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。第35页/共73页主讲：XX老师第36页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.3 CPU能效指标 CPU功耗是对提出的要求，要求主板能提供相应的电压和电流。 TDP是对提出的要求，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第36页/共73页主讲：XX老师第37页 共73页4.3 CPU结构与性能4.3.4 提高CPU性能的方法第37页/共73页主讲：XX老师第38页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.1 指令系统

13、 x86指令集 一共166条，这些。 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。第38页/共73页主讲：XX老师第39页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.1 指令系统第39页/共73页主讲：XX老师第40页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.2 高速缓存技术： 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，不需要软件进行调度指挥。第40页/共73页主讲：XX老师第41页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3

14、流水线技术 486 CPU指令： 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。第41页/共73页主讲：XX老师第42页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3 流水线技术第42页/共73页主讲：XX老师第43页 共73页4.4 CPU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。第43页/共73页主讲：XX老师第44页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.3 流水线技术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

15、。 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）第44页/共73页主讲：XX老师第45页 共73页4.4 CPU设计技术4.4.4 同步多线程（SMT）技术 同步多线程也称为超线程（HT）。 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/Vis

16、ta支持SMT技术。第45页/共73页主讲：XX老师第46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个多线程第46页/共73页主讲：XX老师第47页 共73页4.4 CPU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。，大大减少了CPU的发热和功耗。，只有在基于线程化的软件上，多核CPU才能发挥出效能。第47页/共73页主讲：XX老师第48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、64位和6

17、4位的支持。 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。第48页/共73页主讲：XX老师第49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。第49页/共73页主讲：XX老师第50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。第50页/共73页主讲：XX老师第51

18、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。 第51页/共73页主讲：XX老师第52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。第52页/共73页主讲：XX老师第53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

19、太过复杂。 简单的设计方法是：的原则进行设计。 可以。 Core i7 CPU的时钟分为三个部分：核心、核外（L3）和I/O（QPI和IMC）。第53页/共73页主讲：XX老师第54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。 第54页/共73页主讲：XX老师第55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

20、，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。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。第55页/共73页主讲：XX老师第56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。第56页/共73页主讲：XX老师第57页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.2 CPU发热保护技术 。 CPU内核温度达到时，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

21、工作频率的目的。第57页/共73页主讲：XX老师第58页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.2 CPU发热保护技术 CPU温度升高到时，CPU性能下降幅度将超过50。 CPU温度升高到时，会出现系统死机。 CPU温度升高到时，CPU将自动关闭系统。 早期CPU的温度通过主板来监测。第58页/共73页主讲：XX老师第59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。第59页/共73页主讲：XX老师第60页 共73

22、页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统1热传递方式。第60页/共73页主讲：XX老师第61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。高温区第61页/共73页主讲：XX老师第62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。第62页/共73页主讲：XX老师第63页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统 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； 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。第63页/共73页主讲：XX老师第64页 共73页4.5 CPU散热技术4.5.3 风冷散热系统第64页/