第5章《CPU故障维修》解析.ppt

5.1 CPU发展与分类 1971年11月，英特尔公司的特德·霍夫（Ted Hoff）设计出世界 上第一个微处理器芯片4004。 4004 CPU用8位指令处理4位数据，指令和数据存储是分开的， 分别有4096个4位宽的指令存储单元和1KB 4位宽的数据存储单 元，最大寻址范围是640字节。4004 CPU有46条指令，工作时 钟为108KHz。核心大小为3×4mm，有2250个晶体管，晶体管 的线宽为10um，每秒运算6万次，市场售价200美元左右。 * 第5章 CPU故障维修 CPU组成： Pentium 4 CPU由半导体硅芯片、转接基板、有机底板、针脚、 电容、导热材料、散热金属壳等部件组成。 Northwood核心的Pentium 4 CPU由5500万个硅晶体管组成，核心尺寸为12×12×1mm，CPU内部线宽为0.13um，线路之间采用铜线连接，核心内部共有6层线路。 英特尔目前将同一代 CPU产品细分为： 赛扬（Celeron）、 奔腾（Pentium）、 至强（Xeon）、 迅驰（Centrino） 它们在设计技术上 差异不大，主要用 于不同的商业市场。 5.2 CPU基本结构 Pentium 4 CPU包含： 总线接口单元、 一级高速缓存、 二级高速缓存、 指令关联存储器、 分支预测单元、 解码单元、 算术逻辑单元、 浮点处理单元 等。 5.3 CPU系统设计技术 CPU指令系统 · X86指令集，1978年，166条汇编指令。 · MMX指令集，1997年，主要用于多媒体信息处理。 · SIMD技术，使用一条指令对多个数据进行同时处理。 · SSE指令集，1999年，并行处理多个浮点数据。 · SSE2指令集，引入了新的数据格式。 · 3DNow! 扩展指令集， 1998年， AMD公司推出。 高速缓存技术 对局部范围的内存地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访 问则较少，称为存储器局部性原理。 高速缓存（Cache）是基于程序访问的局部性原理。 流水线技术 将一条指令的执行过程分解为多个工步，当CPU完成了第一条 指令的第1个工步后，CPU马上进行第二条指令的第1个工步操 作，并不需要等待指令执行完成后再进行，这就形成了一条流 水线作业系统。 超线程技术 超线程技术使一个物理CPU当做两个逻辑CPU来使用，这种技 术能将CPU性能提高30%左右。 5.4 CPU主要技术性能 CPU始终围绕着速度与兼容 两个目标进行设计。 CPU的技术指标相当多，如 各种性能参数、电气参数、工 艺参数、兼容指标等。从用户 的角度看，主要有：工作频率、 工作电压、插座类型等几个 主要参数。 CPU工作频率 8088 CPU工作频率只有4.77MHz，Pentium 4 CPU工作频率可 达3.8GHz，提高CPU工作频率主要受到生产工艺的限制。 高速缓存容量 微机从80486开始采用Cache技术。Cache容量从4KB增加到目 前的1MB，甚至更高。 Cache已经成为评价CPU的一个重要性能指标。 CPU工作电压 CPU工作电压指CPU核心正常工作所需的电压。80486及以下 CPU工作电压为5V。从Pentium 75开始，CPU工作电压为3.3V。 Pentium 4 CPU的核心工作电压仅为1.6V或更低。 CPU工作功率 CPU工作频率越高，它的工作功率越大。这会造成CPU温度升 高，工作不稳定等一系列问题，CPU的工作功率实际上就是发 热功率。 CPU线宽 它指在硅材料上内部各元器件间的连接线宽度，线宽越小，生 产工艺越先进，CPU内部功耗和发热量就越小。目前生产工艺 已经达到90nm的加工精度。 CPU插座 CPU插座有DIP（双列直插）、 Slot、Socket、LGA等形式。 5.5 CPU散热技术 英特尔公司对微机的散热要求： 在室温35℃下，机箱内部温度不超过45℃。 根据测试，英特尔Pentium 4的最大稳定工作温度为72℃，高于 这个温度时，将导致系统降频运行。温度达到95℃时，将导致 系统死机。 CPU发热的原因 硅晶体管的栅极氧化物绝缘层制作得越薄，晶体管开关状态转 换速度越快，但是电流泄漏也越厉害。栅极氧化物绝缘层电流 泄漏产生的能耗，已经成为目前CPU发热的最大来源之一。 *