第04章CPU系统故障维修.ppt

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1、第4章 CPU系统故障维修,4.1 CPU类型与组成 4.2 CPU生产工艺【重点】 4.3 CPU结构与性能 4.4 CPU设计技术 4.5 CPU散热技术【重点】 4.6 CPU故障分析与处理,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第2页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.1 CPU的发展 第一个微处理器Intel 4004,特德霍夫（Ted Hoff）,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第3页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.1 CPU的发展 x86系列CPU： 生产厂商有Intel、AMD、VIA； 产品在操作系统一级相互兼容； 产品覆盖95%以上

2、的桌面微机市场。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第4页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.1 CPU的发展 非x86系列CPU 生产厂商有IBM、Sun、HP、MIPS、ARM、日立、三星、现代、中科院计算所等； 产品主要用于大型服务器和嵌入式系统； 这些产品大多互不兼容； 在桌面微机市场中占有份额小。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第5页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.2 CPU的类型 Intel公司CPU产品： 桌面型、移动型、服务器型和嵌入式。 Intel公司桌面型产品有： 酷睿（Core）系列； 奔腾（Pentium）系列； 赛扬（C

3、eleron）系列。 不同系列CPU产品在软件上相互兼容。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第6页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.2 CPU的类型 Intel公司产品系列,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第7页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.2 CPU的类型 AMD公司CPU产品 AMD Phenom系列（羿龙） ； AMD Athlon系列（速龙）； AMD Sempron系列（闪龙）； AMD笔记本系列（炫龙）； AMD Opteron服务器系列（皓龙）。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第8页 共73页,4.1 CPU类型与

4、组成,4.1.3 CPU型号标识 CPU型号的外观标识方法 CPU型号命名规则：子系列名称+字母+数字 如：Intel Core i7-965,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第9页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.3 CPU型号标识 S-Spec编码 Intel公司为用户查询CPU产品制定的编码 S-Spec编码为5位，以“SLxxx”进行标记，“xxx”为英文字母或数字，如：SLBCJ,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第10页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.3 CPU型号标识 工艺步进： 使用“字母+数字”表示，英文字母和数字越大，CPU核

5、心工艺就越新，也意味着CPU工作更稳定。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第11页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.4 CPU基本组成 CPU由半导体硅芯片（die）、基板、针脚或无针脚触点、导热材料、金属外壳等组成。,电阻和电容,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第12页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.4 CPU基本组成 AMD Phenom II CPU（羿龙4核）,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第13页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.4 CPU基本组成,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第14页 共73

6、页,4.1 CPU类型与组成,4.1.5 CPU接口形式 Intel公司LGA封装的CPU没有针脚，只有金属接触圆点，CPU需要安装扣架固定。,LGA插座,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第15页 共73页,4.1 CPU类型与组成,4.1.5 CPU接口形式 AMD公司的CPU采用短针脚设计。,AM3插座,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第16页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.1 CMOS电路工作原理 1MOS电容结构 集成电路利用MOS电容作为电子开关器件。 MOS电容由多晶硅（M）、二氧化硅（O）和半导体（S）组成。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统

7、故障维修,第17页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.1 CMOS电路工作原理 2MOS晶体管工作原理 MOS管有三个接口：栅极、源极、漏极，由栅极控制漏极与源极之间的电流流动。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第18页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.1 CMOS电路工作原理 2MOS晶体管工作原理 源极与漏极完全对称，只有根据电流的流向才能确认源极与漏极。 栅极起着控制开关的作用，使MOS管在“开”和“关”两种状态中进行切换。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第19页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.1 CMOS电路工作原理 3CMOS电

8、路工作原理 CMOS电路由PMOS晶体管和NMOS晶体管互补配对组成。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第20页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.1 CMOS电路工作原理 CMOS中的PMOS管和NMOS管具有相反的特性（非0即1），当其中一个MOS管为关（OFF，对应逻辑0）状态时，另一个MOS管则为开（ON，对应逻辑1）状态。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第21页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.2 CPU制造工艺流程 掩模版图生成； 硅原料生产； 晶圆切割； 氧化处理； 掩膜光刻； 刻蚀处理； 掺杂工艺；,主讲：XX老师,第4章 CPU系统

9、故障维修,第22页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.2 CPU制造工艺流程 金属引线； 多层连接； 测试封装。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第23页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.3 CPU制程线宽技术 1沟道长度 沟道长度是电流从源极（S）流到漏极（D）经过的距离。 MOS晶体管的沟道长度越小，晶体管的工作频率就越高。 2半节距与制程线宽 节距为集成电路内，第1层两个平行单元之间的距离，半节距为节距的一半。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第24页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.3 CPU制程线宽技术 CPU栅极半节距为两个平行栅

10、极之间距离的一半。 “制程线宽”（或线宽）是指CPU栅极半节距，而不是金属线路的半节距。,MOS晶体管,栅极隔离层,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第25页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.3 CPU制程线宽技术,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第26页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.3 CPU制程线宽技术 半导体产品工艺改进规律： 每代产品的线宽大约实现0.7倍的缩小。 例如，上一代CPU产品制程工艺为65nm线宽时，则下一代产品线宽为45nm。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第27页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.3

11、CPU制程线宽技术,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第28页 共73页,4.2 CPU生产工艺,4.2.4 CPU芯片材料特性 栅极隔离层厚度越薄，CPU的工作电压也就越低。 栅极隔离层太薄时，容易出现泄漏电流，造成CPU功耗猛增，发热严重。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第29页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.1 CPU内核组成 1Core i7 CPU物理内核（4核）,CPU核心,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第30页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.1 CPU内核组成 1AMD Phenom CPU物理内核（4核）,CPU

12、核心,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第31页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.2 CPU系统结构 Core i7 CPU分为核心与非核心两大部分。 CPU始终围绕着速度与兼容两个目标设计。 CPU内部主要结构： 缓存单元（Cache）、取指单元（IF）、 译码单元（DEC）、调度单元（OP）、 执行单元（EXE）、回退单元（RU）,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第32页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.2 CPU系统结构,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第33页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.2 CPU系统结构 Co

13、re i7 CPU指令执行速度 5个64位ALU，3个128位FPU； 每个时钟周期可以取指令160位； 译码5条x86指令； 发射7条微指令； 重排序和重命名4条微指令； 发送6条微指令到执行单元； 完成并退出4条微指令。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第34页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.2 CPU系统结构,CPU测试技术参数,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第35页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.3 CPU能效指标 1CPU功耗 CPU功耗=频率寄生电容工作电压的平方 即：Power=FCV2 台式微机CPU功耗在50W130W之间

14、。 2CPU设计热功耗 设计热功耗（TDP）是CPU热量释放指标，它是CPU达到最大负载时释放出的热量。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第36页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.3 CPU能效指标 CPU功耗是对主板提出的要求，要求主板能提供相应的电压和电流。 TDP是对散热系统提出的要求，要求散热系统能把CPU发出的热量发散掉。 3CPU性能评价指标 CPU性能频率每个时钟周期执行指令数,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第37页 共73页,4.3 CPU结构与性能,4.3.4 提高CPU性能的方法,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第38页 共

15、73页,4.4 CPU设计技术,4.4.1 指令系统 x86指令集 一共166条，这些指令长度各不相同。 MMX （多媒体扩展） MMX指令用于增强CPU对多媒体信息的处理能力。 SSE （数据流单指令序列扩展） SSE指令提高了浮点运算、视频处理速度。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第39页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.1 指令系统,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第40页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.2 高速缓存技术 存储器局部性原理： CPU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比较少的现象，称为存储器局部性原理。

16、CPU内部的高速缓存完全由硬件进行控制，不需要软件进行调度指挥。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第41页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.3 流水线技术 486 CPU指令流水线： 取指令指令译码取操作数执行运算写回结果 虽然流水线使指令的执行周期延长了，但能使CPU在每个时钟周期都有指令输出。 Core 2和Core i7 CPU流水线长度为14工步。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第42页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.3 流水线技术,Atom 16级流水线,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第43页 共73页,4.4 CPU设计

17、技术,4.4.3 流水线技术 流水线太长会带来副作用，一旦发生指令转移，流水线就必须清空，这降低了CPU处理效率。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第44页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.3 流水线技术 超标量技术是集成多条流水线结构的CPU，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令。,超标量流水线 （双发射）,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第45页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.4 同步多线程（SMT）技术 同步多线程也称为超线程（HT）。 SMT使1个物理CPU作2个逻辑CPU来使用。 SMT无需改动硬件，但要在BIOS中进行设置。应用软件根

18、据不同的CPUID来识别各个逻辑CPU。 SMT可以提高CPU 15%30%的性能。 Windows XP/Vista支持SMT技术。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第46页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.4 同步多线程（SMT）技术 同步多线程。,4核CPU 8个多线程,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第47页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.5 多核CPU技术 单核CPU过快的温度和功耗上升，使得CPU厂商不得不采用多核CPU提高性能。 多核CPU具有更强的并行处理能力，大大减少了CPU的发热和功耗。 多核CPU需要软件支持，只有在基于线程化

19、的软件上，多核CPU才能发挥出效能。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第48页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.6 64位计算技术 64位计算指CPU通用寄存器宽度为64位。 64位计算需要64位CPU、64位操作系统和64位应用软件的支持。 目前Intel和AMD公司的CPU几乎都为64位。 64位CPU可以运行在32位操作系统上，32位CPU也可以运行64位操作系统。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第49页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.6 64位计算技术 1AMD 64位技术 AMD 64位技术称为x86-64，是在32位x86指令集基础上

20、，加入了扩展的64位x86指令，使CPU在硬件上兼容原来的32位软件，并同时支持64位计算。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第50页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.6 64位计算技术 64位计算指CPU通用寄存器宽度为64位。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第51页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.6 64位计算技术 2Intel EM64T（扩展64位内存技术） EM64T工作模式：传统IA-32模式和IA-32e扩展模式。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第52页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.7 虚拟化技术 虚拟化

21、技术（VT）可以使一台主机同时运行多种不同类型的操作系统。 Intel公司在入门级CPU中省去了虚拟化功能。 AMD主流CPU都支持AMD VT。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第53页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.8 CPU节能技术 减少功耗的理想解决方案是：不同工作模式下使用不同的工作电压，但这会造成CPU设计太过复杂。 简单的设计方法是：按照高性能高电压，低性能低电压的原则进行设计。 可以使用多个时钟域来降低芯片工作频率。 Core i7 CPU的时钟分为三个部分：核心、核外（L3）和I/O（QPI和IMC）。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第5

22、4页 共73页,4.4 CPU设计技术,4.4.8 CPU节能技术 CPU采用逻辑电路动态控制电源或时钟。在电路不工作时，关闭部分晶体管，这样对应的电路就不会产生功耗。 增强型动态加速技术可以根据应用程序的负载状态，动态地调整多核CPU的工作状态，安排单核心或多核心CPU的工作频率。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第55页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.1 高温对CPU的危害 CPU频率提高后，产生了更多的热量，CPU的面积非常小，散热不好将会产生极高的温度，从而引发电子迁移现象。 电子迁移是电子高速流动时，会导致金属原子发生迁移。 电子迁移对芯片的损坏是一个缓慢的过

23、程，一旦发生线路损坏，情况会越来越严重，最后会造成整个电路短路。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第56页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.1 高温对CPU的危害 电子迁移对CPU芯片造成的损坏。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第57页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.2 CPU发热保护技术 CPU的警戒温度值为72，极限温度为135。 CPU内核温度达到72时，CPU内核的温度控制电路被激活，它会降低CPU任务周期信号，强制CPU的工作频率按这个信号指定的周期运行，达到降低CPU工作频率的目的。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第58

24、页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.2 CPU发热保护技术 CPU温度升高到85时，CPU性能下降幅度将超过50。 CPU温度升高到94时，会出现系统死机。 CPU温度升高到135时，CPU将自动关闭系统。 早期CPU的温度通过主板CPU插座下面的热敏电阻来监测。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第59页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.2 CPU发热保护技术 Pentium 2以后的CPU内部集成了热敏二极管，直接测量CPU核心温度。 Intel将CPU的警戒温度和极限温度写入CPU内部的温控电路中，用户无法修改它们。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维

25、修,第60页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.3 风冷散热系统 1热传递方式 传导、对流 和辐射。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第61页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.3 风冷散热系统 2散热风道 传统散热器的安装方式是风扇在顶部，气流朝下，即垂直于CPU。,高温区,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第62页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.3 风冷散热系统 现在多数将风扇改为侧向吹风，让气流的方向平行于CPU。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第63页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.3 风冷散热系统 散热片表面

26、积越大，散热效果越好。 单滚珠轴承风扇价格低，但寿命不长； 双滚珠轴承风扇寿命长，但噪音较高； 含油轴承风扇使用时间短，被摒弃； 液压轴承风扇是改进的含油轴承，这类轴承噪音小，使用寿命低于双滚珠轴承。 风扇转速在2000rpm5000rpm之间，过高的转速会导致更大的噪音。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第64页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.3 风冷散热系统,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第65页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.4 热管散热系统 热管的一端吸收来自CPU的热量，通过热管传送到热管的另一端后，通过风扇将热量散发出去。 热管的导

27、管中含有导热剂，能根据温差自动均衡热量，达到平均散热的效果。 热管技术可以得到满意的散热效果和较小的噪音。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第66页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.4 热管散热系统 热管工作原理,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第67页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.4 热管散热系统,主板热管,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第68页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.5 水冷散热系统 水冷散热系统：风扇散热器、循环水泵、散热水槽、密封水箱、塑料水管、蒸馏水或绝缘油等。 水吸热慢放热快，油吸热快放热慢。 水泵的

28、流量应当大于5升/分钟。,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第69页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.5 水冷散热系统,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第70页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.5 水冷散热系统,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第71页 共73页,4.5 CPU散热技术,4.5.6 其它散热技术 半导体散热 空气压缩机散热 液氮或液氦散热 固态风扇散热 纯液冷散热 CPU内核液体循环散热,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第72页 共73页,4.6 CPU故障分析与处理,CPU常见故障现象,主讲：XX老师,第4章 CPU系统故障维修,第73页 共73页,课程讨论,1. CPU的发明有哪些意义。 2. 高速缓存对CPU性能有哪些影响。 3. 长流水线技术有哪些优点与缺点。 4. 超线程与双CPU有哪些区别。 5. 水冷散热系统的发展前途如何。 作业：4-4、4-5、4-9 【本章结束】,