《計算機組裝與維護》課件第3章 CPU

1、選購CPU選購CPU模塊一 CPU的作用CPU的作用 CPU是整個電腦系統(tǒng)的核心，它的性能往往能反映出電腦的性能，因此其性能指標十分重要。CPU主要的性能指標包括以下幾個方面。1.CPU的主頻、外頻和倍頻下面分貝介紹CPU的主頻、外頻和倍頻。一.主頻 所謂主頻，也就是CPU正常工作時的時鐘頻率。我們常說某CPU的型號是“賽揚D 336J 2.8GHz”，其中“2.8GHz”即是其主頻。從理論上講CPU的主頻越高，它的速度也就越快，因為頻率越高，單位時鐘周期內完成的指令就越多，從而速度也就越快了。但是由于各種CPU內部結構的差異（如緩存、指令集），并不是時鐘頻率相同速度就相同，比如P4和賽揚4，

2、在相同主頻下性能都不同程度地存在著差異。二.外頻 外頻指的是主板總線與CPU之間同步運行的速度。外頻越高，CPU就可以同時接收更多的來自外部設備的數據，從而使整個電腦系統(tǒng)的速度更快。外頻的單位是MHz，目前主流CPU的外頻有100MHz、133MHz和200MHz三種。 目前流行的CPU產品中，賽揚4、Pentium 4 A系列處理器的外頻都是100 MHz，賽揚D、Pentium 4 B系列的處理器的外頻都是133MHz，而Pentium 4 2.8E以上以及Athlon 64系列的處理器外頻都是200MHz的。三.倍頻 在486出現以后，由于CPU工作頻率不斷提高，而電腦的一些其他設備（如

3、顯卡、硬盤等）卻受到工藝的限制，不能承受更高的頻率，從而限制了CPU頻率的進一步提高。因此，出現了倍頻技術，該技術能夠使CPU內部工作頻率變?yōu)橥獠款l率的倍數，通過提升倍頻而達到提升主頻的目的。 因此，在486以后我們接觸到兩個新的概念外頻與倍頻。它們與主頻之間的關系是：外頻倍頻=主頻。 用戶可以通過提高CPU的外頻或者倍頻來提高CPU主頻，這種手段被稱為超頻。超頻可能會致使其他設備都不能工作在正常的頻率下，從而可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至出現硬盤數據丟失，嚴重的可能損壞。因此，在這里告誡大家，超頻雖有好處，但是也十分危險，所以請大家慎重超頻。四.CPU的前端總線頻率 前端總線的英文名為“Fron

4、t Side Bus”，一般簡寫為FSB。前端總線是CPU跟外界溝通的惟一通道，處理器必須通過它才能獲得數據，也只能通過它將運算結果傳送到其他設備。前端總線的速度越快，CPU的數據傳輸就越迅速。 在選購CPU時，這個指標很重要，需要根據它來搭配主板和內存。FSB的單位是MHz，目前主流CPU的FSB有266 MHz、333 MHz、400 MHz、533 MHz和800 MHz幾種，Pentium 4 C系列和高端的Athlon 64系列處理器的FSB都達到了800 MHz。 外頻與前端總線頻率很容易被混為一談。前端總線的速度更實質性的表示了CPU和外界數據傳輸的速度。而外頻的概念是建立在數字

5、脈沖信號震蕩速度基礎之上的，也就是說，100 MHz外頻特指數字脈沖信號在每秒鐘震蕩一萬萬次，它更多的影響了PCI及其他總線的頻率。之所以前端總線與外頻這兩個概念容易混淆，主要的原因是在以前的很長一段時間里（主要是在Pentium 4出現之前和剛出現Pentium 4時），前端總線頻率與外頻是相同的，因此往往直接稱前端總線為外頻，最終造成這樣的誤會。 隨著計算機技術的發(fā)展，人們發(fā)現前端總線頻率需要高于外頻，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技術，或者其他類似的技術實現這個目的。這種技術使得前端總線的頻率成為外頻的2倍、4倍甚至更高，從此之后前端總線和外頻的區(qū)別才開始被人們重視起來

6、。 五.CPU的緩存 CPU的緩存是衡量CPU性能的一個重要指標。CPU執(zhí)行指令時，會將執(zhí)行結果放在一個叫“寄存器”的元件中，由于“寄存器”集成在CPU內部，因此寄存器中的指令可以很快被CPU所訪問，但畢竟寄存器的容量太小，CPU所需的大量指令和數據還在內存當中，所以CPU為了完成指令操作，需要頻繁地向內存發(fā)送接收指令和數據。由于內存的處理速度遠遠低于CPU，所以傳統(tǒng)的系統(tǒng)瓶頸就出現了，CPU在處理指令時多數時間在等待內存做準備工作。 為了解決這個問題，人們在CPU內部集成了一個比內存快許多的“Cache”，這就是最早的“高速緩存”。L1高速緩存（一級緩存）是與CPU完全同步運行的存儲器。如果

7、CPU需要的數據和指令已經在高速緩存中了，那么CPU不必等待，直接就可以從一級緩存（L1）中讀取。一級緩存的基本容量在32256KB之間。隨著CPU處理速度越來越快，單靠L1已經無法滿足數據處理的需要，于是出現了二級緩存，也就是L2 Cache，簡稱L2，它的主要功能是作為L1后備數據和指令的存儲。L2容量的大小對處理器的性能影響很大，尤其是商業(yè)性能方面。因為L2需要占用大量的晶體管，是CPU晶體管總數中占得最多的一個部分，對成本的影響很大，所以Intel和AMD都是以L2大小來作為高端和低端產品的分界標準。 六.CPU的制造工藝 我們經常聽到的0.18微米、0.13微米制程，就是指的制造工藝

8、。制造工藝直接關系到CPU的電氣性能，而0.18微米、0.13微米這個尺度就是指CPU核心線路的寬度。線寬越小，CPU的功耗和發(fā)熱量就越低，并可以工作在更高的頻率上了。因此，0.18微米制程的CPU能夠達到的最高頻率就比0.13微米制程CPU能夠達到的最高頻率低，同時發(fā)熱量也大很多。如今先進的制造工藝水平已經提高到了0.09微米，而在未來，0.065微米的制造工藝能給CPU的頻率帶來怎樣的突破，我們將拭目以待。七.CPU的封裝技術 我們實際看到的體積和外觀并不是真正的CPU內核的大小和面貌，而是CPU內核等元件經過封裝后的產品。封裝對于芯片來說是必須的，也是至關重要的。因為芯片必須與外界隔離，

9、以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降；另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。封裝不僅起著安放、固定、密封、保護芯片和增強導熱性能的作用，而且還是溝通芯片內部世界與外部電路的橋梁芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導線與其他器件建立連接，如我們通常所說的Socket 478，Socket 939就是指的CPU引腳的數目。 目前較為常見的封裝形式有以下幾種： OPGA封裝：OPGA（Organic pin grid Array，有機管腳陣列）。這種封裝的基底使用的是玻璃纖維，類似印刷電路板上的材料。此種封裝方式可以降低阻抗和封裝成本。OPGA封

10、裝拉近了外部電容和處理器內核的距離，可以更好地改善內核供電和過濾電流雜波。AMD公司的Athlon XP系列CPU大多使用此類封裝。mPGA封裝：微型PGA封裝，AMD公司的Athlon 64和英特爾公司的Xeon（至強）系列CPU等產品所采用，是種先進的封裝形式。 CPGA封裝：CPGA也就是常說的陶瓷封裝，全稱為Ceramic PGA。主要在Thunderbird（雷鳥）核心和“Palomino”核心的Athlon處理器上采用。 FC-PGA封裝：FC-PGA封裝是反轉芯片針腳柵格陣列的縮寫，這種封裝中有針腳插入插座。這些芯片被反轉，以至片模或構成計算機芯片的處理器部分被暴露在處理器的上部

11、。通過將片模暴露出來，使熱量解決方案可直接用到片模上，這樣就能實現更有效的芯片冷卻。為了通過隔絕電源信號和接地信號來提高封裝的性能，FC-PGA 處理器在處理器的底部的電容放置區(qū)域（處理器中心）安有離散電容和電阻。芯片底部的針腳是鋸齒形排列的。此外，針腳的安排方式使得處理器只能以一種方式插入插座。FC-PGA 封裝用于奔騰 III 和英特爾賽揚處理器，它們都使用 370 針。 FC-PGA2封裝：FC-PGA2 封裝與FC-PGA 封裝類型很相似，除了這些處理器還具有集成式散熱器（HIS）。集成式散熱器是在生產時直接安裝到處理器片上的。由于IHS與片模有很好的熱接觸并且提供了更大的表面積以更好

12、地發(fā)散熱量，所以它顯著地增加了熱傳導。FC-PGA2封裝用于奔騰 III 和英特爾賽揚處理器（370 針）和奔騰 4 處理器（478 針）。 OOI封裝：OOI是OLGA的簡寫，OLGA代表了基板柵格陣列。OLGA 芯片也使用反轉芯片設計，其中處理器朝下附在基體上，實現更好的信號完整性、更有效的散熱和更低的自感應。OOI 有一個集成式導熱器（HIS），能幫助散熱器將熱量傳給正確安裝的風扇散熱器。OOI 用于奔騰4處理器，這些處理器有423針。 PPGA封裝：“PPGA”的英文全稱為“Plastic Pin Grid Array”，是塑針柵格陣列的縮寫，這些處理器具有插入插座的針腳。為了提高熱傳

13、導性，PPGA 在處理器的頂部使用了鍍鎳銅質散熱器。芯片底部的針腳是鋸齒形排列的。此外，針腳的安排方式使得處理器只能以一種方式插入插座。 1.CPU的核心類型 為了便于CPU設計、生產、銷售的管理，CPU生產商會對各種CPU核心給出相應的代號，這也就是所謂的CPU核心類型。不同的CPU（不同系列或同一系列）都會有不同的核心類型（如P4的Northwood，Willamette），甚至同一種核心都會有不同版本的類型（例如Northwood 核心就分為B0和C1等版本）。 CPU核心版本的變更，是為了修正上一版存在的一些錯誤，并提升一定的性能。每一種核心類型都有其相應的制造工藝、核心面積、核心電壓

14、、電流大小、晶體管數量、各級緩存的大小、主頻范圍、流水線架構和支持的指令集、功耗和發(fā)熱量的大小、封裝方式、前端總線頻率，等等。 因此，我們可以認為，核心類型在某種程度上決定了CPU的工作性能。核心類型較多，但對我們來說，了解目前市場流行CPU產品的核心就夠了，如下表所示。CPU系列主流產品核心代號Athlon XPBarton閃龍PalermoAthlon 64Newcastle, Wincheste賽揚4Northwood賽揚DPrescottP4 A/B/CNorthwoodP4 EPrescott CPU核心的發(fā)展方向，是更低的電壓、更低的功耗、更先進的制造工藝、集成更多的晶體管、更小的

15、核心面積、更先進的流水線架構和更多的指令集、更高的前端總線頻率、集成更多的功能以及雙核心和多核心等。CPU核心的進步，對普通消費者而言，最有意義的就是能以更低的價格買到性能更強的CPU。2.超線程技術 線程技術的英文全稱為Hyper-Threading，簡稱為HT，它是Intel針對P4核心流水線過長，指令效能比較低的問題而開發(fā)的。 超線程是一種同步多線程執(zhí)行技術，采用此技術的CPU內部集成了兩個邏輯處理器單元，相當于兩個處理器實體，可以同時處理兩個獨立的線程，讓多線程軟件可在系統(tǒng)平臺上平行處理多項任務，并提升處理器執(zhí)行資源的使用率。 超線程技術就是能把一個CPU虛擬成兩個，打開兩條流水線，兩個CPU同時運作，從而達到了加快運算速度的目的。使用這項技術，處理器的資源利用率平均可提升40%，大大增加處理的傳輸量。3.工作電壓 工作電壓的英文全稱是“Supply Voltage”。任何電器在工作的時候都需要電，CPU當然也不例外，CPU的工作電壓指的也就是