第3章微處理器（CPU）

教學(xué)目標(biāo)1.了解CPU的基本分類和性能指標(biāo)。2.理解CPU結(jié)構(gòu)和工作原理。3.掌握CPU選購方法和故障維修。主要教學(xué)內(nèi)容中央處理器，是電子計算機的主要設(shè)備，計算機中的核心配件之一。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。計算機中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對指令譯碼并執(zhí)行指令。中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）是計算機系統(tǒng)的核心，由運算器和控制器組成。CPU內(nèi)部的結(jié)構(gòu)控制單元、邏輯單元和存儲單元三部分之間相互作用協(xié)調(diào)工作完成分析、判斷和運算。其中運算器主要完成各種算術(shù)運算和邏輯運算；而控制器只是讀取各種指令，并對指令進行分析，做出相應(yīng)的控制。通常，在CPU中還有若干個寄存器，它們可直接參與運算并存放運算的中間結(jié)果。3.1CPU的概述CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路

(IntegratedCircuit(IC))，被封裝在塑膠或陶瓷材料中，是計算機的核心部件。CPU由基板、內(nèi)核、內(nèi)核與基板之間的填充物及金屬蓋組成。3.1.1CPU構(gòu)成圖3.1Corei7CPU1.第一代微處理器2.第二代微處理器3.第三代微處理器4.第四代微處理器5.第五代微處理器6.第六代微處理器7.第七代微處理器3.1.2CPU發(fā)展歷程3.2.1CPU的工作過程CPU控制著計算機的所有操作，一般情況下，CPU的工作過程可分為提取、解碼、執(zhí)行和寫回四個步驟，介紹如下。（1）提取提取是CPU工作過程的第一階段，是CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中檢索指令的過程，在該過程中，程序計數(shù)器指定存儲器的位置。3.2CPU的工作原理（2）解碼解碼是CPU工作的第二階段，在該階段中，CPU將存儲器中的指令拆解為有意義的片段，并將數(shù)值片段解釋為指令。解釋后的指令被分為兩部分，一部分表現(xiàn)為運算碼，用于指令需要進行的運算；而另一部分供給指令所須要的信息。（3）執(zhí)行執(zhí)行時CPU工作的第三階段，在該過程中，主要用于連接各種可以進行所需運算的CPU部件。（4）寫回寫回是CPU工作過程的最終階段，主要是以一定的格式將執(zhí)行階段的結(jié)果進行簡單的寫回。其運算結(jié)果則被寫入CPU內(nèi)部的暫存器中，以供隨后的指令進行快速存取。（1）處理指令（2）執(zhí)行操作（3）控制時間（4）處理數(shù)據(jù)3.2.2CPU的主要功能1.主頻、外頻和倍頻主頻也叫時鐘頻率。一般來說，一個時鐘周期完成的指令數(shù)是固定的，因此主頻越高，CPU的速度就越快。由于各種CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全相同，所以不能完全用主頻來概括CPU的性能。CPU的主頻一般標(biāo)記在CPU芯片上。外頻又稱外部時鐘頻率，是由主板上系統(tǒng)總線的工作頻率，是CPU與主板之間同步運行的速度。計算機實際運行速度不但由CPU的速度決定，而且還受到主板和內(nèi)存速度的限制。由于內(nèi)存速度和主板速度大大低于CPU的主頻，因此為了能夠與內(nèi)存、主板的速度保持一致。倍頻就是CPU的運行頻率與系統(tǒng)外頻之間的倍數(shù)，也就是降低CPU主頻的倍數(shù)。三者的關(guān)系為：CPU的內(nèi)頻（實際運行頻率）＝外頻Х倍頻系數(shù)。3.3CPU的性能指標(biāo)2.前端總線頻率前端總線（FSB，F(xiàn)rontSideBus）是CPU與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)時的工作總線。因此，前端總線頻率所表示的其實是數(shù)據(jù)傳輸率，即數(shù)據(jù)帶寬（也稱傳輸帶寬）。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸帶寬取決于同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度和總線頻率，計算公式：數(shù)據(jù)帶寬=（FSB×數(shù)據(jù)寬度）÷8。3.緩存緩存（Cachememory）是硬盤控制器上的一塊內(nèi)存芯片，具有極快的存取速度，它是硬盤內(nèi)部存儲和外界接口之間的緩沖器。CPU的緩存主要有一級緩存（L1Cache）、二級緩存（L2Cache）和三級緩存（L3Cache）三種類型。4.制造工藝制造工藝的趨勢是向密集度越高的方向發(fā)展，制造工藝越精細(xì)，CPU可以達(dá)到的頻率越高，集成的晶體管就可以更多，功能就會更強大，最新的酷睿i7類CPU已經(jīng)采用14nm3D工藝制造。5.架構(gòu)與封裝形式CPU架構(gòu)是CPU廠商給屬于同一系列的CPU產(chǎn)品定的一個規(guī)范，主要目的是為了區(qū)分不同的CPU。Intel系列的CPU產(chǎn)品常見架構(gòu)有LGA1150，LGA1156，LGA1155等。AMD系列CPU產(chǎn)品常見的架構(gòu)有SocketFM2，SocketFM2+，SocketFM3，SocketFM3+等。6.指令集與擴展指令集指令集，就是CPU中用來計算和控制計算機系統(tǒng)的一套指令的集合，而每一種新型的CPU在設(shè)計時就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。而指令集的先進與否，也關(guān)系到CPU的性能發(fā)揮，它也是CPU性能體現(xiàn)的一個重要標(biāo)志。分為CISC（ComplexInstructionSetComputer）指令集和RISC（ReducedInstructionSetComputing）指令集。擴展指令集是CPU增加的多媒體或者3D處理指令，這些擴展指令可以提高CPU處理多媒體文件3D圖形的能力。7.多線程超線程技術(shù)就是利用特殊的硬件指令，把兩個邏輯內(nèi)核擬成兩個物理芯片，讓單個處理器也能使用線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高了CPU的運行效率。1.Intel系列CPU2.AMD系列CPU3.羿龍系列CPU4.速龍系列CPU5.閃龍系列CPU3.4主流CPU產(chǎn)品CPU在工作的時候會產(chǎn)生大量的熱，如果不將這些熱量及時散發(fā)出去，輕則導(dǎo)致死機，重則可能將CPU燒毀，CPU散熱器就是用來為CPU散熱的。散熱器對CPU的穩(wěn)定運行起著決定性的作用，組裝電腦時選購一款好的散熱器非常重要。CPU散熱器根據(jù)其散熱方式可分為風(fēng)冷、熱管和水冷三種。3.5CPU散熱散熱片：散熱片的熱是經(jīng)由流動的冷空氣帶走，跟空氣接觸的面積越多，散熱的速率就越快。

散熱風(fēng)扇：送風(fēng)的部分；其扇葉的數(shù)量、形狀和傾斜程度都影響著散熱效果?？劬撸嚎劬叩脑O(shè)計是隨CPU而定的，不同的CPU要選用相應(yīng)的扣具，如圖3.15所示。3.5.1CPU風(fēng)扇組成圖3.15CPU風(fēng)扇1.風(fēng)扇的功率2.風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3.風(fēng)扇口徑4.熱片材質(zhì)5.散熱片形狀3.5.2CPU風(fēng)扇的性能參數(shù)CPU作為電腦的核心配件，具有先進的制作技術(shù)，因此一般情況下CPU很難造假。但也有銷售商為獲取暴利，將散裝CPU混進盒裝CPU中，從而抬高CPU的售價。此時，為了防止奸商欺騙，用戶需要先了解一下CPU的類型，并根據(jù)不同類型的CPU來識別防假技術(shù)，一般情況下，CPU可以分為以下4類。3.6CPU的選購1.原包CPU原包CPU即正品盒裝CPU，保質(zhì)期一般為3年，也是CPU類型中質(zhì)保時間最長的。2.散片散片也就是通常所說的水貨或拆機貨等一系列的非行貨的統(tǒng)稱。散片和盒裝CPU沒有本質(zhì)的區(qū)別，都具有相同的性能參數(shù)和質(zhì)量。兩者唯一的差別在于質(zhì)保時間的長短以及CPU是否攜帶散熱器。3.深包深包是指二次封裝的CPU，它與散片一樣，與原包CPU的差別不大，唯一可區(qū)別的也是攜帶散熱風(fēng)扇的質(zhì)量不如原包的好，質(zhì)保是一年。另外深包與原包的辨別也主要在三碼和一處，當(dāng)三碼不同時則表示是深包。4.ES版ES版是指在測試版CPU，這種版本的CPU在市場中不多見。ES版的CPU類似于散片，但價格相對低廉。由于ES版CPU屬于測試版，所以存在多多少少的問題。另外ES版CPU上標(biāo)明“ES”字母，而且沒有CPU型號。1．電腦重啟或死機(1）CPU的溫度過高(2）緩存損壞(3）CPU的工作負(fù)載是動態(tài)的，對電流的要求也是動態(tài)的，而且要求動態(tài)反應(yīng)速度迅速。有些品質(zhì)差的電源動態(tài)反應(yīng)時間長，也會導(dǎo)致經(jīng)常性的死機或重啟。3.7CPU故障及維護2．運算錯誤及藍(lán)屏現(xiàn)象該類故障的原因包括以下幾種情況：硬件出現(xiàn)問題，硬件之間不兼容，軟件之間不兼容，內(nèi)存條接觸不良或內(nèi)存損壞，病毒木馬，硬盤出現(xiàn)壞道等。避免方法：①定期清理電腦機箱內(nèi)部灰塵；②不要濫裝軟件；③瀏覽正規(guī)網(wǎng)站，不要輕易打開陌生人分享的