《计算机组装与维护》教案 第2章 CPU课件.docx
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《计算机组装与维护》教案第2章CPU课件
第二章中央处理器CPU
[教学目标]
1.了解CPU的基本知识和性能参数。
2.掌握CPU的识别、选购方法。
3.掌握CPU的维护技能和性能测试。
[教学重点]
1.掌握各种类型CPU多种识别方法。
2.掌握CPU测试软件的使用。
[教学难点]
掌握CPU的选购方法。
[教学过程]
一、导入新课
现在电脑中的CPU主流配置应该都在2.6G、2.8GHz以上。
大家都清楚，CPU的频率越高,它的运算速度也就越快。
所以2.8G的CPU肯定要比2.0G的CPU速度要快。
那么，配置为2.8G的CPU的主机是否一定比配置为2.0G的CPU的主机性能要好？
为了搞清楚这个问题,我们有必要来学习一些关于CPU的基础知识。
2.1基础知识：
认识CPU
CPU（CentralProcessingUnit或MicroProcessor），中文名称为中央处理或微处理器。
它是计算机的核心部件，计算机系统的性能主要由CPU决定，任何一台计算机的运行都离不开CPU。
CPU在计算机系统中相当于“大脑”，是用来控制计算机中其他设备运行的总指挥。
在计算机的发展过程中，更新换代的主要标准就是CPU的升级换代。
CPU核心技术的发展一直是计算机技术发展的重点。
CPU的工作原理：
CPU的内部结构可分为控制、逻辑运算、存储三大部分。
工厂生产过程：
原料→分配车间（调节）→加工车间（加工）→产品→仓库（存放）→销售部门（取货销售）
CPU工作过程：
程序指令（或数据）→控制器（调配）→运算器（运算）→存储器（存储）→应用程序（调用）
2.1.1CPU的外观
一、外观
1、金属盖——避免CPU脆弱的核心受到意外伤害，增加了核心的散热面积。
2、CPU核心（Die）——CPU中间凸起的一片指甲大小的、薄薄的硅晶片部分，密布着数以千万计甚至上亿的晶体管，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。
3、CPU基板——用于CPU内部的信号引到CPU引脚上。
基板的背面有许多密密麻麻的镀金的引脚，是CPU与外部电路连接的通道，并起着固定CPU的作用。
4、CPU散热器（风扇）——通常由合金散热片和散热风扇组成，用来将CPU核心产生的热量快速散发掉。
二、CPU的组成部件
CPU是计算机系统的核心部件，控制着整个计算机系统的工作。
CPU一般由运算器、控制器、寄存器、高速缓冲存储器（缓存）等几部分组成。
功能：
进行分析、判断、运算并控制计算机各个部件协调工作。
1、运算器：
负责处理数据的运算工作，并将运算的结果存回内存。
（1）算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticandLogicUnit）
ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与AND、或OR、非NO）。
在CPU的运算中，所有的计算都可以转为加法，所以CPU的算术运算只有加法。
（2）浮点运算单元FPU（FloatingPointUnit）（浮点数：
小数）
FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。
2、控制器
功能：
控制计算机各部件协调工作。
控制器由以下部件组成
（1）指令控制器
指令控制器是控制器中相当重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交给运算单元（ALU或FPU）来执行，同时还要形成下一条指令的地址。
（2）时序控制器
时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。
（3）总线控制器
总线控制器主要用于控制CPU的内外部总线，包括地址总线、数据总线、控制总线等等。
（4）中断控制器
中断控制器用于控制各种各样的中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。
3、寄存器：
寄存器是中央处理器内的重要组成部份。
寄存器是很微型的存储器（存储容量有限），也是计算机中速度最快的存储器。
功能：
它们可用来暂存参加运算的操作数、运算中间结果和地址。
执行过程：
（1）可将寄存器内的数据读取到运算器执行算术及逻辑运算→寄存器→内存。
（2）存于寄存器内的地址可用来指向内存的某个位置，即内存寻址。
（3）可以用来读写数据到电脑的周边设备，如输送打印数据到打印机。
4、高速缓冲存储器（缓存）——Cache
缓存的功能：
将CPU需要运算的数据预先读取出来，提供给CPU，使CPU能迅速地得到所需要的数据。
缓存是为了缓解较快的CPU与较慢的存储器之间的矛盾而产生的，对于一些大数据交换量的工作，CPU的Cache显得尤为重要。
2.1.2CPU的参数
导入新课：
CPU的性能高低直接影响整台计算机系统处理数据的速度。
我们将如何了解一颗CPU的性能高低呢？
了解一颗CPU的参数，便可以了解它的性能，有利于我们更清楚地知道一颗CPU的性能高低。
1、主频、外频、倍频
（1）主频
CPU的主频是指CPU运行时的工作频率，即CPU内核运行时的时钟频率，也叫做CPU的时钟频率，CPU的时钟频率表示CPU内部数字脉冲信号振荡的速度，代表了CPU的实际运算速度，单位是Hz。
CPU的主频越高，CPU在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多，CPU的运算速度也就越快。
CPU实际运行的频率与CPU的外频和倍频有关。
（2）外频、倍频
主频=外频×倍频
CPU外频是由主板为CPU提供的基准时钟频率，也称为系统总线频率。
CPU的外频决定着主板的运行速度，两者是同步运行的。
外频速度高，CPU就可以同时接收更多的来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提高。
CPU运行频率与系统外频之间差距的参数，是它们之间的相对比例关系，也称为倍频系数，通常简称为倍频。
当外频相等时，倍频越大，CPU的频率就越高。
实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU本身意义并不大。
这是因为CPU与存储器之间数据传输速度是有限的，一味追求高倍频而得到高主频的CPU就会出现明显的“瓶颈”效应——CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。
一般Intel的CPU都是锁了倍频的，而AMD之前都没有锁，不过现在也锁了。
2、前端总线频率（FSB：
Front-Systembus）：
总线是将CPU与内存以及与之通信的设备连接起来的硬件通道。
前端总线是将CPU连接到主内存和通向磁盘驱动器、调制解调器以及网卡这类系统部件的外设总线。
人们常常以MHz表示来描述总线频率的速度。
前端总线是CPU与主板上的北桥芯片之间连接的数据通道，FSB便是该通道的数据传输速度。
前端总线（FSB）频率直接影响CPU与内存直接数据交换速度。
由于数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和总线频率（外频），即数据带宽＝（总线频率×数据位宽）÷8。
目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz几种，前端总线频率越大，代表着CPU与内存之间的数据传输量越大，更能充分发挥出CPU的功能。
现在的CPU技术发展很快，运算速度提高很快，而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给CPU。
较低的前端总线将无法供给足够的数据给CPU，这样就限制了CPU性能的发挥，成为系统瓶颈。
●外频与前端总线频率的区别：
前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。
也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万次（即时序控制器的时钟发生器产生的脉冲信号）；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的64位数据传输量是100MHz×64bit=6400Mbit/s=800MByte/s（1Byte=8bit）。
主板支持的前端总线是由主板上的芯片组决定的，一般都带有足够的向下兼容性。
如865PE主板支持800MHz前端总线，那安装的CPU的前端总线频率可以是800MHz，也可以是533MHz，但这样就无法发挥出主板的全部功效。
3、CPU工作电压
CPU的工作电压（SupplyVoltage），即CPU正常工作所需的电压。
任何电器在工作的时候都需要电，自然也有对应额定电压，CPU也不例外。
从586时代的CPU开始，CPU的工作电压分为核心电压和I/O电压两种。
核心电压即驱动CPU核心芯片的电压，I/O电压则指驱动I/O电路的电压。
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。
多实验表明在超频的时候适度提高核心电压，可以加强CPU内部信号，对CPU性能的提升会有很大帮助——但这样也会提高CPU的功耗，影响其寿命及发热量，这个方法是CPU超频的一个辅助手段。
不过这个电压如果调得过高，便会使CPU烧毁（一不小心，后果严重）。
4、高速缓存
CPU内部的缓存如同高速周转仓库。
随着CPU主频的不断提高，它的处理速度也越来越快，其它设备根本赶不上CPU的速度，没办法将需要处理的数据及时交给CPU。
作用：
当CPU在处理数据时，高速缓存就用来存储一些常用或即将用到的数据或指令提供给CPU，当CPU需要这些数据或指令的时候直接从高速缓存中读取，而不用再到内存甚至硬盘中去读取，可以大幅度提升CPU的处理速度。
为了使缓存能适应CPU运算的需要，缓存又分为二个级别：
（1）L1Cache（一级高速缓存）
L1 Cache（第一层缓存）是CPU高速缓存。
用于暂存部分指令和数据，以使CPU能迅速地得到所需要的数据。
L1高速缓存与CPU同步运行，其对CPU的性能影响较大，容量越大，性能也会越高。
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。
与CPU处在同一个频率运行，无需通过外部总线来交换数据，所以大大节省了存取时间。
（2）L2Cache（二级高速缓存）
CPU在读取数据时，寻找顺序依次是L1→L2→内存→外存储器。
现在CPU的L1Cache和L2Cache都是和CPU同速运行的，也就是同一运行频率。
L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则上是越大越好，由于二级缓存的的制造成本高，目前市场上的低端CPU如Intel的赛扬D与奔腾D、AMD的AthlonXP与高端Athlon64的区别就是二级缓存前者较小，后者较大。
5、CPU的制造工艺与封装技术
1、制造工艺：
CPU核心中电路与电路之间的线路宽度。
制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。
密度愈高的集成电路（IC）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。
微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得核心内元件的尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，CPU性能得到提高。
芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米一直发展到目前最新的65纳米，而45纳米和30纳米的制造工艺将是下一代CPU的发展目标。
例如：
一颗CPU采用了0.18um制造工艺便是指该CPU的核心中线路的宽度为0.18微米。
目前Intel的主流产品奔腾D的制造工艺技术已经达到0.065µm（=65纳米）。
这个量的发展是随着CPU研究技术的提高而减小的。
2、封装技术：
所谓“CPU封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。
以CPU为例，我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌，而是CPU内核等元件经过封装后的产品。
CPU封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。
因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。
另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。
由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB（印制电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。
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——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。
因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。
封装CPU的材料一般有陶瓷封装和树脂封装两种，目前Intel和AMD公司生产的CPU各采用了PLGA封装和CuPGA封装。
①PLGA封装：
PLGA是PlasticLandGridArray的缩写，即塑料焊盘栅格阵列封装。
由于没有使用针脚，而是使用了细小的点式接口，所以PLGA封装明显比以前的FC-PGA2等封装具有更小的体积、更少的信号传输损失和更低的生产成本，可以有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率、降低生产成本。
目前Intel公司Socket775接口的CPU采用了此封装。
②CuPGA封装：
CuPGA是LiddedCeramicPackageGridArray的缩写，即有盖陶瓷栅格阵列封装。
其与普通陶瓷封装最大的区别是增加了一个顶盖，能提供更好的散热性能以及能保护CPU核心免受损坏。
目前AMD64系列CPU采用了此封装。
补充：
CPU的内核和接口
（1）CPU的内核是指CPU的核心，例如，Pentium4处理器的核心有Willamette，Northwood和Proscott。
AthlonXP有Palomino和Barton两种核心，不同核心代表不同的制造工艺，CPU的性能也不同。
（2）CPU的接口是指CPU与主板之间的连接方式，CPU需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。
CPU的接口根据CPU的核心的不同而不同，CPU诞生初期是直接焊接在主板上的，后来逐渐独立出来，也就有了各式各样的接口。
CPU采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。
而目前CPU的接口都是针脚式接口，对应到主板上就有相应的插槽类型。
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。
CPU接口：
SLOT1
SLOT1是英特尔公司为PentiumⅡ系列CPU设计的插槽，SLOT1接口的CPU不再是方方正正的样子，而是变成了扁平的长方体，而且接口也变成了金手指，不再是插针形式。
此种接口已经被淘汰，市面上已无此类接口的产品。
CPU接口：
Socket370
英特尔公司著名的奔III“铜矿”和”图拉丁”系列CPU，就是采用此种接口，具有370个针脚插孔。
CPU接口:
Socket478
最初的Socket478接口是早期Pentium4系列处理器所采用的接口类型，针脚数为478针。
Socket478的Pentium4处理器面积很小，其针脚排列极为紧密。
英特尔公司的Pentium4系列和P4赛扬系列都采用此接口，目前这种CPU已经逐步退出市场。
但是，Intel于2006年初推出了一种全新的Socket478接口，这种接口是目前Intel公司采用Core架构的处理器CoreDuo和CoreSolo的专用接口，与早期桌面版Pentium4系列的Socket478接口相比，虽然针脚数同为478根，但是其针脚定义以及电压等重要参数完全不相同，所以二者之间并不能互相兼容。
随着Intel公司的处理器全面向Core架构转移，今后采用新Socket478接口的处理器将会越来越多，例如即将推出的Core架构的CeleronM也会采用此接口。
CPU接口:
Socket775（LGA775）
Socket775又称为SocketT，是目前应用于IntelLGA775封装的CPU所对应的接口，目前采用此种接口的有LGA775封装的Core2Duo、Pentium4、Pentium4EE、CeleronD等CPU。
与以前的Socket478接口CPU不同，Socket775接口CPU的底部没有传统的针脚，而代之以775个触点，即并非针脚式而是触点式。
通过与对应的Socket775插槽内的775根触针接触，来传输信号。
Socket775接口，不仅能够有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率，降低生产成本。
随着Socket478的逐渐淡出，Socket775已经成为Intel桌面CPU的标准接口。
CPU接口:
Socket939
Socket939是AMD公司2004年6月才推出的64位桌面平台接口标准，目前采用此接口的，有高端的Athlon64以及Athlon64FX，具有939根CPU针脚。
Socket939处理器和与过去的Socket940插槽是不能混插的，但是，Socket939仍然使用了相同的CPU风扇系统模式。
因此，以前用于Socket940和Socket754的风扇，同样可以使用在Socket939处理器。
随着AMD从2006年开始全面转向支持DDR2内存，Socket939被SocketAM2所取代，在2007年初完成自己的历史使命从而被淘汰，从推出到被淘汰其寿命还不到3年。
CPU接口：
SocketAM2
SocketAM2是2006年5月底发布的支持DDR2内存的AMD64位桌面CPU的接口标准，具有940根CPU针脚，支持双通道DDR2内存。
虽然同样都具有940根CPU针脚，但SocketAM2与原有的Socket940（Socket940是最早发布的AMD64位接口标准，具有940根CPU针脚）在针脚定义以及针脚排列方面都不相同，并不能互相兼容。
目前采用SocketAM2接口的有低端的Sempron、中端的Athlon64、高端的Athlon64X2以及顶级的Athlon64FX等全系列AMD桌面CPU，支持200MHz外频和1000MHz的HyperTransport总线频率，支持双通道DDR2内存，其中Athlon64X2以及Athlon64FX最高支持DDR2800，Sempron和Athlon64最高支持DDR2667。
目前AMD的产品已经全线采用SocketAM2。
2.1.3CPU的分类
目前CPU的产品数量有很多，如果想购买到适合自己的CPU产品，首先要对市场上的CPU产品有所了解。
两大CPU巨头：
IntelvsAMD
Intel公司创建于1968年。
Intel公司为全世界CPU产品技术的发展，创下了令人瞩目的辉煌成就。
1971年推出全球第一个微处理器，1981年，IBM采用Intel生产的8088微处理器推出全球第一台IBMPC机，1984年入选全美一百家最值得投资的公司，1992年成为全球最大的半导体集成电路厂商，1994年其营业额达到了118亿美元，在CPU市场大约占据了80％份额。
Intel领导着CPU的世界潮流，从286、386、486、Pentium、昙花一现的PentiumPro、PentiumII、PentiumIII到现在主流的Pentium4，它始终推动着微处理器的更新换代。
Intel的CPU不仅性能出色，而且在稳定性、功耗方面都十分理想。
AMD公司创办于1969年，总公司设于美国硅谷。
是集成电路供应商，专为电脑、通信及电子消费类市场供应各种芯片产品，其中包括用于通信及网络设备的微处理器、闪存、以及基于硅片技术的解决方案等。
AMD是唯一能与Intel竞争的CPU生产厂家，AMD公司的产品现在已经形成了以AthlonXP、Duron、Sempron、Athlon64等为核心的一系列产品。
AMD公司认为，由于在CPU核心架构方面的优势，同主频的AMD处理器具有更好的整体性能。
但AMD前期的处理器的发热量往往比较大，目前的新产品因为关注了发热量问题，现在的产品中这个问题已经不用太多注意。
同时因为产品得到多家合作伙伴以及众多整机生产厂商的支持，早期产品中兼容性不好的问题已经基本解决。
AMD的产品的特点是性能较高而且价格便宜。
目前市场上CPU的竞争主要集中在Intel公司和AMD公司之间，下面我们来了解一下他们的主要产品。
1、Intel的CPU
CPU的系列型号被细分为高中低三种类型。
以台式机CPU而言，Intel方面，高端的是双核心的PentiumEE、Core2Duo和Core2Extreme（酷睿2）双核系列，中端的是双核心的PentiumD和单核心的Pentium4，低端的则是CeleronD。
（1）Pentium4、PentiumD和PentiumEE
①Pentium4
从一颗CPU表面的编号标识可以看出这个CPU的参数等信息。
型号
Pentium4541
Pentium4631
Pentium4650
适用类型
台式机
台式机
台式机
接口类型
LGA775
LGA775
LGA775
核心类型
Prescott
CedarMill
Prescott
生产工艺
0.09um
0.065um
0.09um
核心电压
1.25/1.4V
1.3V
1.4V
主频
3.2GHz
3GHz
3.4GHz
外频
外频200MHz
外频200MHz
外频200MHz
倍频
16X
15X
17X
一级缓存
L132K
L128K
L116K
二级缓存
L21024K
L22048K
L22048K
前端总线频率
800MHz
800MHz
800MHz
Hyper-Threading（超线程）
支持
支持
不支持
64位处理器
是
是
是
核心数量
单核
单核
单核
TDP技术
不支持
支持（TDP功耗65W）
不支持
价格
585元左右
500元左右
645元左右
型号
PentiumD805
PentiumD915
PentiumD925
适用类型
台式机
台式机
台式机
接口类型
LGA775
LGA775
LGA775
核心类型
SmithField
Presler
Presler
生产工艺
0.09um
0.065um
0.065um
核心电压
1.3V
1.25/1.4V
1.25/1.4V
主频
2.66GHz
2.8GHz
3GHz
外频
外频133MHz
外频200MHz
外频200MHz
倍频
20X
14X
15X
一级缓存
L132K
L132K
L132K
二级缓存
L22×1024K
L22×2048K
L22×2048K
前端总线频率
533MHz
800MHz
800MHz
64位处理器
是
是
是
核心数量
双核
双核
双核
TDP技术
支持
支持
支持
价格
505元左右
540元左右
600元左右
②IntelPentiumD和PentiumEE系列
PentiumD和PentiumEE分别面向主流市场以及高端市场，PentiumD和PentiumEE的最大区别就是PentiumEE支持超线程技术而PentiumD则不支持，Pentium
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