最新计算机组装与维护教程2013第3章.ppt

1、第3章CPU，3.1 CPU基础知识3.2主流CPU产品3.3 CPU的选项演习问题3，第3章CPU，3.1 CPU基础知识3.2主流CPU产品3.3 CPU的选项演习问题3，CPU作为计算机硬件的核心部件，说明CPU的结构和CPU相关的概念和用语3.1.1 CPU的结构构成是PC领域，CPU一直沿袭着x86结构的发展，无论是初期的8088，还是当前的P4，为了深刻理解CPU，必须从其物理结构和逻辑结构开始。 3.1CPU的基础知识，1 CPU的物理结构在实际应用中，最直观的是CPU的外形，目前CPU的物理结构分为内核、基板、填充物、散热器、封装及接口等部分。 (1)内核： CPU从外形上看是

2、矩形板状的物体，中央凸出的薄爪大小的硅芯片部分是CPU的核心，被称为“die”，如图3.1.1所示。图3.1.1 CPU正面平面图，该“die”中密集有数万个晶体管，各晶体管焊接一根导线与外部电路连接，它们相互协调，完成各种复杂的操作和运算。 现在，CPU晶体管的数量超过了1亿个。 Prescott拥有1亿7千万个晶体管，单纯地应用于修正算法所需的晶体管约有7，000万个。 CPU核心在运作时会释放大量的热量，核心内部的温度会达到数百，因此，为了使CPU在适当的温度下运作，需要更高的工艺。 (2)基板： CPU基板是搭载CPU核心的材料，负责芯片与外部的连接。 初期的CPU基板为以前的Duro

3、n等陶瓷制造。 现在的P4、Athlon XP和新的Duron等开始用有机材料制作，能够更好地提供电器的性能。 CPU基板将CPU内部的信号导入CPU引脚。 基板背面有很多密麻镀金引线，它是连接CPU和外部电路的通路，同时也起到固定CPU的作用。 如图3.1.2所示。 图3.1.2 CPU背面的金属销，(3)填充物： CPU芯和CPU基板之间有填充物。 由于CPU的核心工作强度大，发热量也大，为了CPU核心的安全以及核心散热，在CPU的核心上安装了金属罩。 这个金属盖可以减轻散热器的压力，固定芯片和电路板，防止损坏芯片，增加芯片的散热面积。 (4)散热器：为确保CPU散热安全，在CPU上安装了

4、CPU散热器。 散热器通常由合金散热器和散热风扇组成，如图3.1.3所示，用于快速释放CPU核心产生的热量。 图3.1.3 Intel P4原装散热器、2CPU的逻辑结构CPU的全部动作过程可以用一句话总结： CPU动作时总是先将等待处理的数据读取，经过加工处理，输出数据。 CPU的基本逻辑构成有控制单元、逻辑运算单元(执行单元)、存储器单元3种。 这3个部分相互协调，进行分析、判断、运算，控制补正机各部的协调动作。 CPU的运算器主要完成各种算术运算(加法、减法、乘法、除法)和逻辑运算(逻辑加法、逻辑乘法、逻辑非)。 控制器主要用于读取各种命令、分析命令、管理计划的执行操作以及保存最终的执行

5、结果。 另外，CPU中有多个寄存器，是CPU内部的临时存储器单元。 一般来说，CPU有三个基本功能：读取数据、处理数据、写入数据(向内存写入数据)。 它是计算机不可缺少的重要部分，人们在形象上把CPU比作计算机的“心脏”。 3.1.2 CPU的主要性能指标CPU是整个计算机系统的核心，CPU的性能几乎反映了计算机的性能，因此其性能指标已成为各级计算机的代名词。 CPU的主要性能指标是1主频率CPU的主频率为CPU的时钟频率、即动作频率。 CPU的主频率的单位是Hz，并且如通常所说的，该2.4 GHz是CPU的主频率。许多用户单方面认为CPU的主频率表示CPU的性能，但实际的主频率仅表示CPU内

6、产生数字脉冲信号的速度，而与CPU的实际的运算能力没有直接关系，是CPU的主频率=外频倍频系数。 通常，在一个时钟周期内完成的指令数是固定的，因此，主频率越高，CPU的速度越快，但不是绝对的。 另外，2外部频率CPU的外部频率为CPU的基准频率、即外部时钟频率。 CPU的外频单位也是Hz。 外部频率是在CPU和主板之间同步动作的频率，主要有66 MHz、100 MHz、133 MHz、266 MHz等几个。 现在，在大多数计算机系统中，外部频率也是内存和主板之间同步工作的频率。 此外，主板可以适当调整外部频率，特别适合超频用户。 所谓3倍频，是指CPU的主频率和外部频率的相对比例关系。 例如，

7、Athlon XP 2000的CPU，其外部频率为133 MHz，其倍频为12.5，所以主频率为133 MHz12.5=1.66 GHz。 在相同的外频率下，倍频越高，CPU的频率越高。 当前，CPU的速度越来越快，倍频可以无限地增加CPU的速度，所以AMD和Intel的大部分产品都锁定在CPU内的倍频，以防止用户调节倍频因子的超频。4前端总线前端总线(FSB )与外界频率关系密切。 CPU工作时，需要通过前端总线接收数据并传输运算结果。 英特尔公司的P4系列处理器采用NetBurst体系结构，能够以1个时钟周期传输4次数据，其前端总线频率=外频4，而AMD公司则采用来自K7系列处理器的EV6

8、总线体系结构因为能够以1个时钟周期进行2次数据传输，所以，其前端总线频率=外部频率2当前，凌动64处理器采用新的HyperTransport总线，其总线频率=外部频率4，一部分新产品的总线频率=外部频率5。 例如，P4 3.0C的外部频率是200 MHz，前端总线频率是800 MHz。 Athlon XP 3200的外部频率为200 MHz，前端总线频率为400 MHz。 Athlon 64 2800外频率为200 MHz，其总线频率为800 MHz，因此不要混淆CPU外频率和前端总线频率。 注意：前端总线的频率不仅是CPU的重要指标，也是主板的重要指标。 主板支持的总线频率越高，与CPU的数

9、据交换速度越快，电脑整体性能越好。 Hyper Treading技术是英特尔公司应用于新型P4处理器的创新技术，其实现原理是在单个P4处理器上配置双逻辑处理器，多线程软件在操作系统平台上并行处理多任务，执行处理器使用此技术，处理器的资源利用率平均提高40%左右，处理器的可用性能大幅提高。 6制造工艺制造工艺是指在硅材料上生产CPU时的内部各要素器件的连接线宽，一般用微米(m )表示。 数值越小，表示制造过程越进行，相同核心设计的CPU能够达到的频率越高，每单位面积集成的晶体管也越多，有助于CPU的功耗的削减和频率界限的提高。 目前，CPU均可达到0.13 m的制造工艺，Intel公司的Pres

10、cott核心P4已达到0.09 m(90 nm )的制造工艺。 低电压的CPU版本具有极好的超频性能，因为7工作电压的工作电压与CPU在高频下的工作稳定性有关。 然而，如果以施加电压的方式进行超频，则CPU的发热量显着增加并且与电压的平方成比例。 8快取记忆体是能够进行高速资料交换的记忆体，因为它比记忆体先与CPU交换资料，所以速度更快。 CPU进行数据处理时，从存储器读取数据。 但是，因为内存速度远远慢于CPU，所以处理器制造商在CPU核中整合一定容量的高速缓存(Cache )，存储CPU使用的数据和指令，理论上可以高速缓存的信息越多，内存和CPU之间的数据交换的次数就越少，CPU 高速缓存

11、被分为一次缓存(L1 Cache )、二次缓存(L2 Cache )、三次缓存(L3 Cache )等。l1高速缓存是CPU的l1高速缓存，内置的l1高速缓存的容量和结构对CPU的性能有很大影响。 通过CPU的核心面积的限制，一次缓存的容量也不太大，缓存也是静态RAM，因此结构复杂。 一般的l1快取记忆体容量为32256 KB，例如，Athlon XP的l1快取记忆体容量为128 KB。 l2高速缓存是CPU的l2高速缓存，分为内部和外部两种芯片。 内部的芯片辅助高速缓存以与主频率相同的速度动作，外部的辅助高速缓存仅以主频率的一半动作。 目前P4E(Prescott核心)处理器的l2快取记忆体

12、最高可达1 MB。 l2高速缓存比l1高速缓存成本低、结构简单。 l3高速缓存通常显示在高端处理器上。 注意：缓存容量越大，CPU的处理能力越强，价格也越高。 主频率奔腾CPU和赛扬CPU的区别在于二级高速缓存容量的不同导致的价格和性能的不同。 9CPU的指令集CPU根据命令对系统进行校正和控制，每个CPU在设置校正时规定了与硬件电路协作的一系列命令系统。 指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一，(1)MMX指令集： MMX(Multi-Media eXtension，多媒体扩展) 指令集是英特尔于1996年发布的MMX命令集包括57个多媒体命令，可以一次处理

13、多个数据，即使处理结果超过了实际的处理能力，也可以正常处理。因此，可以将指令集与软件结合使用MMX的优点是，现有的操作系统可以轻松运行MMX程序，而无需因此而做任何更改。 (2)SSE指令集：串流SIMD延伸指令集是Intel公司首次在Pentium III处理器上发布的指令集。 SSE指令集包括70个指令，包括50个指令的单指令多址(SIMD )浮点运算指令，12个指令的MMX整数运算增强指令，以及8个指令的优化存储器的连续块传输指令，提高3D图形的运算效率这些指令在许多多媒体应用中起到了全面增强的作用，如目前流行的图像处理、浮点处理、3D运算、视频处理、音频处理等。 SSE指令与3Dnow

14、！ 命令彼此不兼容，但SSE包含3Dnow。 技术的大部分功能，只是实现的方法不同而已。 SSE与MMX指令兼容，通过在SIMD和单时钟周期中并行处理多个浮点数据，可以有效提高浮点运算速度。 3d新！ 命令集：由AMD公司提供的3DNow！ 该指令集出现在SSE指令集之前，并由AMD广泛应用于其K6-2、K6-3和Athlon(K7)处理器。 三维新！ 指令集技术实际上是21条机器代码的扩展指令集。 英特尔MMX技术的重点是整数运算，3DNow！ 指令集能够主要在三维应用(如三维建模、坐标转换和效果呈现)的情况下通过软件联合显着增强3D处理功能。 3.1.3 CPU的封装技术CPU的封装是指在

15、安装集成电路芯片时采用的封装技术，起到芯片的放置、固定、密封、保护及热传导的强化等作用。 现在采用的CPU封装大多用绝缘的塑料或陶瓷材料包装，能够起到密封、提高芯片的电热性能的作用。 现在，处理器芯片的主频率越来越高，功能越来越强大，引线数量越来越多，封装的外形也在改变。 封装时主要考虑的因素是： (1)芯片面积与封装面积之比尽可能接近1:1以提高封装效率。 (2)尽量缩短引脚，减少延迟，尽量拉远引脚之间的距离，使相互不干扰，提高性能。 (3)根据散热要求，封装越薄越好。 封装技术的好坏也是判断CPU好坏的标准。 并且，CPU制造过程的最后的步骤也是最重要的步骤是CPU的封装，采用不同封装技术

16、的CPU在性能上存在较大差异。 只有高品质的封装技术才能生产完美的CPU产品。 CPU的封装技术从8086时代的DIP发展为现在的FC-PGA2。介绍有代表性的封装技术。 1DIP套件中的第一个Intel 4004和8086使用双线套件(dip )双线套件，如图3.1.4和3.1.5所示。 此封装的最大特点是有两列针脚，可以插入到主板上的DIP结构的芯片插座中，或以相同的焊盘数将针脚的几何排列直接接合到同一焊盘上。 图3.1.4 DIP包中的4004 CPU图3.1.5 DIP包中的8086 CPU现在可以在某些BIOS芯片上看到DIP包。 此封装相当简单，容易实现，但封装面积和厚度大，引脚数

17、不到100，2 pqfp封装和PQFP(Plastic Quad Flat Package )塑料方形平面封装和PQFP(Plastic Quad Flat Package )塑料方形平面封装塑料平面封装技术与DIP一样，两种封装技术也采用引脚方式，但是该引脚来自芯片的PQFP和PFP的不同是形状不同。 前者一般为正方形，后者可以是正方形也可以是长方形。 这两种封装的芯片引线太小，必须使用SMD (表面安装设备技术)将芯片和主板接合，因此CPU芯片必须使用专用的工具拆卸。 早期的80286、80386、80486芯片组当前的芯片大多采用PQFP封装/PFP封装。 图3.1.6 PQFP封装80

18、286的CPU、3CSP封装CSP (芯片大小封装)芯片大小封装的芯片和封装后的大小相同，因为芯片封装外形的大小较小。 CSP封装的优点是可以满足芯片引脚增加的需求，缩短延迟时间。 4PGA封装PGA(Pin-Grid Array )引脚网格阵列封装通常呈正方形或长方形，3、4列以上的引脚均匀地分布在CPU的边缘。 PGA软件包是当前最常见的软件包。 随着CPU频率、功能的提高，读数增加，PGA封装已取代PQFP/PFP封装。 PGA封装是将插针直接插入与主板的CPU插槽对应的插孔进行连接。 PGA封装技术的优点是提高核心频率，使安装变得容易。 随着制造技术的发展，随着CPU总线的带宽和功能的增加，