《计算机组装与维护》第4章教案
第四章 CPU的使用与维修
教学目标
◆了解CPU的封装技术
◆掌握CPU的结构
◆了解主流的CPU型号
◆掌握CPU主要的性能指标
◆掌握CPU的选购方法及注意事项
◆掌握CPU常见故障及维修方法
一、什么是CPU
CPU（Central Processing Unit）又叫中央处理器，是计算机系统的核心部件，在整个电脑系统中起到运算和控制的作用。它是由数量众多（几千万个）的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。
二、CPU的工作原理
1、CPU的生产过程
在了解CPU工作原理之前，我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。
CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个操作位，分别代表两种状态：ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应，这样，计算机就具备了处理信息的能力。众多晶体管产生的多个“0”和“1”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形，如ASCII码。
2、CPU的内部结构
（1）算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)
ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。
（2）控制单元(Control Unit)
控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。
（3）寄存器组RS(Register Set或Registers)
RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU 访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU 的工作速度。
（4）总线(Bus)
总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。包括：数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus) 、控制总线CB(Control Bus)。
3、CPU工作流程（P10）
CPU就是执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。这个过程不断快速地重复，快速地执行
一条又一条指令，产生显示器上所看到的结果。
三、CPU的外观与构造
1、内核
2、基板
3、填充物
4、封装
封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁
封装方式：
DIP（Dual In-line Package，双列直插封装）
QFP/PFP（Quad Flat Package/Plastic Flat Package，扁平小块式封装/塑料扁平组件式封装）
PGA(Pin Grid Array，针脚栅格阵列封装)
FC-PGA (Flip Clip Pin Grid Array，倒装芯片针脚栅格阵列)
SECC（Single Edge Contact Connector，单边接触连接封装）
BGA（Ball Grid Array，球状阵列封装）
LGA（Land Grid Array，岸面栅格阵列封装）。
5、接口
CPU需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。CPU接口类型不同，在插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插。
引脚式：4004、8008、8086、8088
卡式：slot1/2、slotA
触点式：LGA775 P4
针脚式：Intel：socket 7(super 7)/370/423/478
AMD：Socket A(462)/754/939/940
四、CPU的性能指标
1、字长：CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。
2、主频：主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。CPU的主频＝外频×倍频系数。
CPU的主频与CPU实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。例子：1 GHz Itanium芯片能够表现得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一样快，CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标。
3、外频：外频是CPU的基准频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
4、前端总线：前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。数据带宽＝(总线频率×数据位宽)/8，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。
5、倍频：倍频系数是指CPU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CPU的频率也越高。
6、缓存：缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU 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存和硬盘。由于CPU芯片面积和
成本的因素来考虑，缓存都很小。
L1Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。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。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32—256KB。
L2Cache(二级缓存)是CPU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相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量通常有256KB-2MB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存可以有256KB-3MB，有的4MB也不为过。
7、扩展指令集
CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU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。
从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为”CPU的指令集”。SSE3指令集也是目前规模最小的指令集，此前MMX包含有57条命令，SSE包含有50条命令，SSE2包含有144条命令，SSE3包含有13条命令。目前SSE3也是最先进的指令集，英特尔Prescott处理器已经支持SSE3指令集，AMD会在未来双核心处理器当中加入对SSE3指令集的支持，全美达的处理器也将支持这一指令集。
8、内核与I/O电压：从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.6~5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。
9、制造工艺：制造工艺的微米是指IC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。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。现在主要的180nm、130nm、90nm、65nm。Intel公司更于2007年11月16日发布了45nm的制造工艺。
五、CPU的选购
(1)CPU与主板的配合
组装一台计算机，要充分发挥CUP的性能，必须有相应的主板支持，这又取决于主板上采用的芯片组，它决定CPU的接口（插座）类型和前端总线频率，否则影响CPU的工作效率。确定一款CPU时，同时也决定了它所使用的主板类型。
(2)CPU与内存的配合
不同的CPU产品拥有不同的前端总线，要想充分发挥CPU的性能，选择与之相配的内存非常重要。至于如何搭配才能获得最佳性能，一般都是看系统前端总线数据传输带宽与内存数据传输带宽是否吻合。比如：800MHz 前端总线的P4处理器可心提供 6.4GB/s的数据传输带宽,而双通道的DDR400所提供的数据传输带宽恰好是
6.4GB/s,这二者刚好形成好的配合。
六、CPU散热器
（一）CPU散热方式
风冷散热是最常见的，而且非常简单，就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装
简单等优点，但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到类似冰箱压缩机制冷的效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。由于其特殊的传热特性，因而可控制管壁温度，避免露点腐蚀。
液冷则是使用液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。但热管和液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。
（二）风冷散热器技术参数
1、风扇功率
2、风扇口径
3、风扇转速
4、风扇噪音
5、风扇排风量
6、散热片材质
7、散热片材料的纯度8、散热器的精度
9、散热片体积10、风扇轴承
（三）散热器的选购
七、CPU常见故障及维修
1．CPU安装不正确
2．风扇运行不正常
3．CPU有物理损坏
4．跳线、电压设置不正确
小结：本次课主要对CPU的工作原理、外观构造、性能指标、选购方法等内容进行了详细介绍，特别是CPU 性能指标，必须掌握它们的含义和作用。同时，还介绍了选购CPU产品的方法和技巧，对同学们具有很强的指导意义。
作业：
1、什么是CPU的主频、外频和FSB？它们之间的区别是什么？
2、什么是CPU的L1 cache和L2 cache？它们有什么作用？