信息电子工程系熊永胜.ppt

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1、计算机组装与维修计算机组装与维修第第4 4章章 CPUCPU信息电子工程系 熊永胜第第4 4章章 CPU CPUuu学习目标学习目标学习目标学习目标1.1.1.1.掌握掌握掌握掌握CPUCPUCPUCPU的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念2.2.2.2.理解理解理解理解CPUCPUCPUCPU的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理3.3.3.3.了解了解了解了解CPUCPUCPUCPU的外观与构造的外观与构造的外观与构造的外观与构造4.4.4.4.掌握掌握掌握掌握CPUCPUCPUCPU的性能指标的性能指标的性能指标的性能指标5.5.5.5.掌握掌握掌握掌握CPUCPUCPUCPU的选

2、购方法的选购方法的选购方法的选购方法6.6.6.6.了解了解了解了解CPUCPUCPUCPU散热系统散热系统散热系统散热系统计算机组装与维修一、一、CPUCPU概述概述CPUCPUCPUCPU（Central Processing UnitCentral Processing UnitCentral Processing UnitCentral Processing Unit）又叫中央处）又叫中央处）又叫中央处）又叫中央处理器，是计算机系统的核心部件，在整个电脑系理器，是计算机系统的核心部件，在整个电脑系理器，是计算机系统的核心部件，在整个电脑系理器，是计算机系统的核心部件，在整个电脑系统中起

3、到运算和控制的作用。它是由数量众多的统中起到运算和控制的作用。它是由数量众多的统中起到运算和控制的作用。它是由数量众多的统中起到运算和控制的作用。它是由数量众多的晶体管组成的超大规模集成电路，控制着整个计晶体管组成的超大规模集成电路，控制着整个计晶体管组成的超大规模集成电路，控制着整个计晶体管组成的超大规模集成电路，控制着整个计算机系统的运行。算机系统的运行。算机系统的运行。算机系统的运行。计算机组装与维修二、二、CPUCPU的工作原理的工作原理1 1 1 1、CPUCPUCPUCPU的生产过程的生产过程的生产过程的生产过程 用化学方法蚀刻或光刻方式在高纯度的晶体用化学方法蚀刻或光刻方式在高纯

4、度的晶体用化学方法蚀刻或光刻方式在高纯度的晶体用化学方法蚀刻或光刻方式在高纯度的晶体硅上产生若干的晶体管。硅上产生若干的晶体管。硅上产生若干的晶体管。硅上产生若干的晶体管。2 2 2 2、CPUCPUCPUCPU的内部结构的内部结构的内部结构的内部结构 算术逻辑单元算术逻辑单元算术逻辑单元算术逻辑单元 控制单元控制单元控制单元控制单元 寄存器寄存器寄存器寄存器 总线总线总线总线计算机组装与维修二、二、CPUCPU的工作原理的工作原理三、三、三、三、CPUCPUCPUCPU的工作过程的工作过程的工作过程的工作过程 读取数据读取数据读取数据读取数据 处理数据处理数据处理数据处理数据 写数据写数据写

5、数据写数据 指令指令1 1指令指令2 2计算机组装与维修三、三、CPUCPU的外观构造的外观构造v内核内核v基板基板v填充物填充物v封装封装v接口接口计算机组装与维修四、四、CPUCPU的性能指标的性能指标1.1.字长字长字长字长1.1.CPUCPU在单位时间内在单位时间内(同一时间同一时间)能一次处理的二进制能一次处理的二进制数的位数叫字长数的位数叫字长 。2.2.主频主频主频主频 CPUCPU的主频也称为内频，是指的主频也称为内频，是指CPUCPU内部的工作频率或内部的工作频率或时钟频率，单位为时钟频率，单位为MHzMHz（兆赫兹）或（兆赫兹）或GHZGHZ（吉赫兹）。（吉赫兹）。表示在表

6、示在CPUCPU内数字脉冲信号震荡的速度。主频的高低内数字脉冲信号震荡的速度。主频的高低直接影响直接影响CPUCPU的运算速度，一般来说，主频越高，一的运算速度，一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，当然个时钟周期里完成的指令数也越多，当然CPUCPU的速度的速度也就越快了。也就越快了。计算公式：计算公式：主频外频主频外频倍频系数倍频系数计算机组装与维修四、四、CPUCPU的性能指标的性能指标1.1.3.3.3.3.外频外频外频外频2.2.CPU CPU外部工作频率称为外频，是指外部工作频率称为外频，是指CPUCPU与外部设备与外部设备（内存或主板芯片组）之间的数据交换速度（内

7、存或主板芯片组）之间的数据交换速度3.3.4.4.4.4.倍频倍频倍频倍频 倍频系数是指倍频系数是指CPUCPU主频与外频之间的相对比例关系。主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高在相同的外频下，倍频越高CPUCPU的频率也越高。的频率也越高。计算机组装与维修四、四、CPUCPU的性能指标的性能指标1.1.5.5.5.5.前端总线（前端总线（前端总线（前端总线（FSBFSBFSBFSB）2.2.前端总线前端总线(FSB)(FSB)频率频率(即总线频率即总线频率)是直接影响是直接影响CPUCPU与与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即数据内存直接数据交换速度。有一条公式可

8、以计算，即数据带宽带宽(总线频率总线频率数据带宽数据带宽)/8)/8，数据传输最大带宽取，数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。3.3.外频与前端总线外频与前端总线(FSB)(FSB)频率的区别：前端总线的速频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是度指的是数据传输的速度，外频是CPUCPU与主板之间同步与主板之间同步运行的速度。也就是说，运行的速度。也就是说，100MHz100MHz外频特指数字脉冲信号外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次；而在每秒钟震荡一千万次；而100MHz100MHz前端总线指的是每秒前端总线指

9、的是每秒钟钟CPUCPU可接受的数据传输量是可接受的数据传输量是100MHz64bit8Byte/bit=800MB/s100MHz64bit8Byte/bit=800MB/s。计算机组装与维修四、四、CPUCPU的性能指标的性能指标1.1.6.6.6.6.缓存（缓存（缓存（缓存（Cache)Cache)Cache)Cache)2.2.2.2.缓存大小也是缓存大小也是缓存大小也是缓存大小也是CPUCPUCPUCPU的重要指标之一，而且缓存的结构的重要指标之一，而且缓存的结构的重要指标之一，而且缓存的结构的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对和大小对和大小对和大小对CPUCPUCPUCPU速度的

10、影响非常大，速度的影响非常大，速度的影响非常大，速度的影响非常大，CPUCPUCPUCPU内缓存的运行频率极内缓存的运行频率极内缓存的运行频率极内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。存和硬盘。存和硬盘。存和硬盘。3.3.3.3.L1 Cache(L1 Cache(L1 Cache(L1 Cache(一级缓存一级缓存一级缓存一级缓存)是是是是CPUCPUCPUCPU第一层高速缓存，分为数第一层高速缓存，分为数

11、第一层高速缓存，分为数第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的据缓存和指令缓存。内置的据缓存和指令缓存。内置的据缓存和指令缓存。内置的L1L1L1L1高速缓存的容量和结构对高速缓存的容量和结构对高速缓存的容量和结构对高速缓存的容量和结构对CPUCPUCPUCPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAMRAMRAMRAM组组组组成，结构较复杂，在成，结构较复杂，在成，结构较复杂，在成，结构较复杂，在CPUCPUCPUCPU管芯面积不能太大的情况下，管芯面积不

12、能太大的情况下，管芯面积不能太大的情况下，管芯面积不能太大的情况下，L1L1L1L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPUCPUCPUCPU的的的的L1L1L1L1缓存的容量通常在缓存的容量通常在缓存的容量通常在缓存的容量通常在32256KB32256KB32256KB32256KB。4.4.4.4.L2 Cache(L2 Cache(L2 Cache(L2 Cache(二级缓存二级缓存二级缓存二级缓存)是是是是CPUCPUCPUCPU的第二层高速缓存，分内的

13、第二层高速缓存，分内的第二层高速缓存，分内的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2L2L2L2高速缓存高速缓存高速缓存高速缓存容量也会影响容量也会影响容量也会影响容量也会影响CPUCPUCPUCPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用的性能，原则是越大越好

14、，现在家庭用的性能，原则是越大越好，现在家庭用的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPUCPUCPUCPU容量最大的是容量最大的是容量最大的是容量最大的是512KB512KB512KB512KB，而服务器和工作站上用，而服务器和工作站上用，而服务器和工作站上用，而服务器和工作站上用CPUCPUCPUCPU的的的的L2L2L2L2高速缓存更高达高速缓存更高达高速缓存更高达高速缓存更高达256-1MB256-1MB256-1MB256-1MB，有的高达，有的高达，有的高达，有的高达2MB2MB2MB2MB或者或者或者或者3MB3MB3MB3MB。计算机组装与维修四、四、CPUCPU的性能指标的性能指

15、标1.1.7.7.7.7.扩展指令集扩展指令集扩展指令集扩展指令集2.2.CPUCPUCPUCPU依靠指令来计算和控制系统，每款依靠指令来计算和控制系统，每款依靠指令来计算和控制系统，每款依靠指令来计算和控制系统，每款CPUCPUCPUCPU在设计时就在设计时就在设计时就在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是弱也是弱也是弱也是CPUCPUCPUCPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最的重要指标，指令集是提高微处理

16、器效率的最的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。有效工具之一。有效工具之一。有效工具之一。3.3.3.3.IntelIntelIntelIntel：MMXMMXMMXMMX、SSESSESSESSE、SSE2SSE2SSE2SSE2、SSE3SSE3SSE3SSE34.4.4.4.AMDAMDAMDAMD：3DNow!3DNow!3DNow!3DNow!5.5.8.8.8.8.工作电压工作电压工作电压工作电压6.6.6.6.CPU CPU CPU CPU的工作电压分为内核电压和的工作电压分为内核电压和的工作电压分为内核电压和的工作电压分为

17、内核电压和I/OI/OI/OI/O电压两种，通常电压两种，通常电压两种，通常电压两种，通常CPUCPUCPUCPU的核心电压小于等于的核心电压小于等于的核心电压小于等于的核心电压小于等于I/OI/OI/OI/O电压。其中内核电压的大小是根电压。其中内核电压的大小是根电压。其中内核电压的大小是根电压。其中内核电压的大小是根据据据据CPUCPUCPUCPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；压越低；压越低；压越低；I/OI/OI/OI/O电压一般都在电

18、压一般都在电压一般都在电压一般都在1.6-5V1.6-5V1.6-5V1.6-5V。低电压能解决耗电过。低电压能解决耗电过。低电压能解决耗电过。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。大和发热过高的问题。大和发热过高的问题。大和发热过高的问题。计算机组装与维修四、四、CPUCPU的性能指标的性能指标1.1.9.9.9.9.制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺2.2.2.2.制造工艺的微米或纳米是指制造工艺的微米或纳米是指制造工艺的微米或纳米是指制造工艺的微米或纳米是指ICICICIC内电路与电路之间的内电路与电路之间的内电路与电路之间的内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。

19、密距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的度愈高的度愈高的度愈高的ICICICIC电路设计，意味着在同样大小面积的电路设计，意味着在同样大小面积的电路设计，意味着在同样大小面积的电路设计，意味着在同样大小面积的ICICICIC中，中，中，中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。3.3.3.3.现在主要的现在主要的现在主要的现在主要的180nm180nm180nm

20、180nm、130nm130nm130nm130nm、90nm90nm90nm90nm、65nm65nm65nm65nm。最近已有。最近已有。最近已有。最近已有45nm45nm45nm45nm的制造工艺了。的制造工艺了。的制造工艺了。的制造工艺了。计算机组装与维修五、五、CPUCPU的选购的选购 1 1CPUCPU与主板的匹配与主板的匹配 2 2CPUCPU与内存的匹配与内存的匹配 3 3按需选购按需选购CPUCPU计算机组装与维修六、六、CPUCPU散热系统散热系统1 1、风冷、风冷 顾名思义就是通过散顾名思义就是通过散热风扇将热风扇将CPUCPU发出的发出的热量带走，它的散热热量带走，它的

21、散热介质是空气介质是空气。风冷散热器一般分成两个部分，和CPU直接接触的部分为散热片，它负责将CPU发出的热量引出；风扇用来给散热片强制降温。计算机组装与维修六、六、CPUCPU散热系统散热系统2 2、水冷、水冷水冷就是通过水将CPU发出的热量带走，它的散热介质是水一类的液体，其效率比风冷高，但是它有一个致命的弱点，就是制冷设备复杂，而且还有漏水的隐患，所以目前尚不能进入大面积实用阶段。计算机组装与维修六、六、CPUCPU散热系统散热系统3 3、半导体制冷、半导体制冷 半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，它的制冷温度低，冷面温度可以达到零下10以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露以致造成短路。计算机组装与维修六、六、CPUCPU散热系统散热系统4 4、化学制剂、化学制剂 使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度，比如使用干冰可以将温度降低到零下20以下，还有一些玩家利用液氮将CPU温度降到零下100以下（理论上），实现极限超频。计算机组装与维修计算机组装与维修计算机组装与维修