第04章CPU系統(tǒng)故障維修培訓(xùn)課件

第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.2CPU生產(chǎn)工藝【重點(diǎn)】4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.5CPU散熱技術(shù)【重點(diǎn)】4.6CPU故障分析與處理主講：XX老師1第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.1CPU的發(fā)展第一個(gè)微處理器Intel4004特德·霍夫（TedHoff）主講：XX老師2第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.1CPU的發(fā)展x86系列CPU：生產(chǎn)廠商有Intel、AMD、VIA；產(chǎn)品在操作系統(tǒng)一級(jí)相互兼容；產(chǎn)品覆蓋95%以上的桌面微機(jī)市場。

主講：XX老師3第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.1CPU的發(fā)展非x86系列CPU生產(chǎn)廠商有IBM、Sun、HP、MIPS、ARM、日立、三星、現(xiàn)代、中科院計(jì)算所等；產(chǎn)品主要用于大型服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)；這些產(chǎn)品大多互不兼容；在桌面微機(jī)市場中占有份額小。主講：XX老師4第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.2CPU的類型Intel公司產(chǎn)品系列產(chǎn)品類型產(chǎn)品系列桌面型酷睿系列、奔騰系列、賽揚(yáng)系列移動(dòng)型移動(dòng)酷睿、凌動(dòng)系列、迅馳系列、移動(dòng)奔騰、移動(dòng)賽揚(yáng)服務(wù)器型至強(qiáng)系列、安騰系列主講：XX老師6第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.2CPU的類型AMD公司CPU產(chǎn)品

AMDPhenom系列（羿龍）；AMDAthlon系列（速龍）；AMDSempron系列（閃龍）；AMD筆記本系列（炫龍）；AMDOpteron服務(wù)器系列（皓龍）。

主講：XX老師7第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.3CPU型號(hào)標(biāo)識(shí)CPU型號(hào)的外觀標(biāo)識(shí)方法CPU型號(hào)命名規(guī)則：子系列名稱+字母+數(shù)字如：IntelCorei7-965主講：XX老師8第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.3CPU型號(hào)標(biāo)識(shí)S-Spec編碼Intel公司為用戶查詢CPU產(chǎn)品制定的編碼S-Spec編碼為5位，以“SLxxx”進(jìn)行標(biāo)記，“xxx”為英文字母或數(shù)字，如：SLBCJ主講：XX老師9第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.3CPU型號(hào)標(biāo)識(shí)工藝步進(jìn)：使用“字母+數(shù)字”表示，英文字母和數(shù)字越大，CPU核心工藝就越新，也意味著CPU工作更穩(wěn)定。主講：XX老師10第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.4CPU基本組成CPU由半導(dǎo)體硅芯片（die）、基板、針腳或無針腳觸點(diǎn)、導(dǎo)熱材料、金屬外殼等組成。電阻和電容主講：XX老師11第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.4CPU基本組成AMDPhenomIICPU（羿龍4核）主講：XX老師12第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.4CPU基本組成主講：XX老師13第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.5CPU接口形式Intel公司LGA封裝的CPU沒有針腳，只有金屬接觸圓點(diǎn)，CPU需要安裝扣架固定。LGA插座主講：XX老師14第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.1CPU類型與組成4.1.5CPU接口形式AMD公司的CPU采用短針腳設(shè)計(jì)。AM3插座主講：XX老師15第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.1CMOS電路工作原理1．MOS電容結(jié)構(gòu)集成電路利用MOS電容作為電子開關(guān)器件。MOS電容由多晶硅（M）、二氧化硅（O）和半導(dǎo)體（S）組成。主講：XX老師16第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.1CMOS電路工作原理2．MOS晶體管工作原理MOS管有三個(gè)接口：柵極、源極、漏極，由柵極控制漏極與源極之間的電流流動(dòng)。主講：XX老師17第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.1CMOS電路工作原理2．MOS晶體管工作原理源極與漏極完全對(duì)稱，只有根據(jù)電流的流向才能確認(rèn)源極與漏極。柵極起著控制開關(guān)的作用，使MOS管在“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)中進(jìn)行切換。主講：XX老師18第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.1CMOS電路工作原理3．CMOS電路工作原理CMOS電路由PMOS晶體管和NMOS晶體管互補(bǔ)配對(duì)組成。主講：XX老師19第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.1CMOS電路工作原理CMOS中的PMOS管和NMOS管具有相反的特性（非0即1），當(dāng)其中一個(gè)MOS管為關(guān)（OFF，對(duì)應(yīng)邏輯0）狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)MOS管則為開（ON，對(duì)應(yīng)邏輯1）狀態(tài)。主講：XX老師20第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.2CPU制造工藝流程掩模版圖生成；硅原料生產(chǎn)；晶圓切割；氧化處理；掩膜光刻；刻蝕處理；摻雜工藝；主講：XX老師21第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.2CPU制造工藝流程金屬引線；多層連接；測試封裝。主講：XX老師22第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.3CPU制程線寬技術(shù)1．溝道長度溝道長度是電流從源極（S）流到漏極（D）經(jīng)過的距離。MOS晶體管的溝道長度越小，晶體管的工作頻率就越高。2．半節(jié)距與制程線寬節(jié)距為集成電路內(nèi)，第1層兩個(gè)平行單元之間的距離，半節(jié)距為節(jié)距的一半。主講：XX老師23第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.3CPU制程線寬技術(shù)CPU柵極半節(jié)距為兩個(gè)平行柵極之間距離的一半。“制程線寬”（或線寬）是指CPU柵極半節(jié)距，而不是金屬線路的半節(jié)距。MOS晶體管柵極隔離層主講：XX老師24第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.3CPU制程線寬技術(shù)主講：XX老師25第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.3CPU制程線寬技術(shù)半導(dǎo)體產(chǎn)品工藝改進(jìn)規(guī)律：

每代產(chǎn)品的線寬大約實(shí)現(xiàn)0.7倍的縮小。例如，上一代CPU產(chǎn)品制程工藝為65nm線寬時(shí)，則下一代產(chǎn)品線寬為45nm。主講：XX老師26第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.3CPU制程線寬技術(shù)主講：XX老師27第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.2CPU生產(chǎn)工藝4.2.4CPU芯片材料特性柵極隔離層厚度越薄，CPU的工作電壓也就越低。柵極隔離層太薄時(shí)，容易出現(xiàn)泄漏電流，造成CPU功耗猛增，發(fā)熱嚴(yán)重。主講：XX老師28第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.1CPU內(nèi)核組成1．Corei7CPU物理內(nèi)核（4核）CPU核心主講：XX老師29第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.1CPU內(nèi)核組成1．AMDPhenomCPU物理內(nèi)核（4核）CPU核心主講：XX老師30第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.2CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Corei7CPU分為核心與非核心兩大部分。CPU始終圍繞著速度與兼容兩個(gè)目標(biāo)設(shè)計(jì)。CPU內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)：

緩存單元（Cache）、取指單元（IF）、

譯碼單元（DEC）、調(diào)度單元（μOP）、

執(zhí)行單元（EXE）、回退單元（RU）主講：XX老師31第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.2CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主講：XX老師32第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.2CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Corei7CPU指令執(zhí)行速度5個(gè)64位ALU，3個(gè)128位FPU；每個(gè)時(shí)鐘周期可以取指令160位；譯碼5條x86指令；發(fā)射7條微指令；重排序和重命名4條微指令；發(fā)送6條微指令到執(zhí)行單元；完成并退出4條微指令。主講：XX老師33第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.2CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPU測試技術(shù)參數(shù)主講：XX老師34第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.3CPU能效指標(biāo)1．CPU功耗CPU功耗=頻率×寄生電容×工作電壓的平方即：Power=F×C×V2臺(tái)式微機(jī)CPU功耗在50W~130W之間。2．CPU設(shè)計(jì)熱功耗設(shè)計(jì)熱功耗（TDP）是CPU熱量釋放指標(biāo)，它是CPU達(dá)到最大負(fù)載時(shí)釋放出的熱量。主講：XX老師35第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.3CPU能效指標(biāo)CPU功耗是對(duì)主板提出的要求，要求主板能提供相應(yīng)的電壓和電流。TDP是對(duì)散熱系統(tǒng)提出的要求，要求散熱系統(tǒng)能把CPU發(fā)出的熱量發(fā)散掉。3．CPU性能評(píng)價(jià)指標(biāo)CPU性能＝頻率×每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行指令數(shù)主講：XX老師36第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.3CPU結(jié)構(gòu)與性能4.3.4提高CPU性能的方法主講：XX老師37第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.1指令系統(tǒng)x86指令集一共166條，這些指令長度各不相同。MMX（多媒體擴(kuò)展）MMX指令用于增強(qiáng)CPU對(duì)多媒體信息的處理能力。SSE（數(shù)據(jù)流單指令序列擴(kuò)展）SSE指令提高了浮點(diǎn)運(yùn)算、視頻處理速度。主講：XX老師38第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.1指令系統(tǒng)主講：XX老師39第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.2高速緩存技術(shù)存儲(chǔ)器局部性原理：CPU對(duì)局部范圍的內(nèi)存地址頻繁訪問，而對(duì)此范圍以外的地址則訪問比較少的現(xiàn)象，稱為存儲(chǔ)器局部性原理。CPU內(nèi)部的高速緩存完全由硬件進(jìn)行控制，不需要軟件進(jìn)行調(diào)度指揮。主講：XX老師40第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.3流水線技術(shù)486CPU指令流水線：

取指令→指令譯碼→取操作數(shù)→執(zhí)行運(yùn)算→寫回結(jié)果雖然流水線使指令的執(zhí)行周期延長了，但能使CPU在每個(gè)時(shí)鐘周期都有指令輸出。Core2和Corei7CPU流水線長度為14工步。主講：XX老師41第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.3流水線技術(shù)Atom16級(jí)流水線主講：XX老師42第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.3流水線技術(shù)流水線太長會(huì)帶來副作用，一旦發(fā)生指令轉(zhuǎn)移，流水線就必須清空，這降低了CPU處理效率。主講：XX老師43第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.3流水線技術(shù)超標(biāo)量技術(shù)是集成多條流水線結(jié)構(gòu)的CPU，并且每時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成一條以上的指令。時(shí)鐘周期取指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行寫回1指令1指令22指令3指令1指令4指令23指令5指令3指令1指令6指令4指令24指令7指令5指令3指令1指令8指令6指令4指令25指令9指令7指令5指令3指令1指令10指令8指令6指令4指令2超標(biāo)量流水線（雙發(fā)射）主講：XX老師44第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.4同步多線程（SMT）技術(shù)同步多線程也稱為超線程（HT）。SMT使1個(gè)物理CPU作2個(gè)邏輯CPU來使用。SMT無需改動(dòng)硬件，但要在BIOS中進(jìn)行設(shè)置。應(yīng)用軟件根據(jù)不同的CPUID來識(shí)別各個(gè)邏輯CPU。SMT可以提高CPU15%~30%的性能。WindowsXP/Vista支持SMT技術(shù)。主講：XX老師45第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.4同步多線程（SMT）技術(shù)同步多線程。4核CPU8個(gè)多線程主講：XX老師46第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.5多核CPU技術(shù)單核CPU過快的溫度和功耗上升，使得CPU廠商不得不采用多核CPU提高性能。多核CPU具有更強(qiáng)的并行處理能力，大大減少了CPU的發(fā)熱和功耗。多核CPU需要軟件支持，只有在基于線程化的軟件上，多核CPU才能發(fā)揮出效能。主講：XX老師47第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.664位計(jì)算技術(shù)64位計(jì)算指CPU通用寄存器寬度為64位。64位計(jì)算需要64位CPU、64位操作系統(tǒng)和64位應(yīng)用軟件的支持。目前Intel和AMD公司的CPU幾乎都為64位。64位CPU可以運(yùn)行在32位操作系統(tǒng)上，32位CPU也可以運(yùn)行64位操作系統(tǒng)。主講：XX老師48第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.664位計(jì)算技術(shù)1．AMD64位技術(shù)AMD64位技術(shù)稱為x86-64，是在32位x86指令集基礎(chǔ)上，加入了擴(kuò)展的64位x86指令，使CPU在硬件上兼容原來的32位軟件，并同時(shí)支持64位計(jì)算。主講：XX老師49第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.664位計(jì)算技術(shù)64位計(jì)算指CPU通用寄存器寬度為64位。主講：XX老師50第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.664位計(jì)算技術(shù)2．IntelEM64T（擴(kuò)展64位內(nèi)存技術(shù)）EM64T工作模式：傳統(tǒng)IA-32模式和IA-32e擴(kuò)展模式。主講：XX老師51第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.7虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)（VT）可以使一臺(tái)主機(jī)同時(shí)運(yùn)行多種不同類型的操作系統(tǒng)。Intel公司在入門級(jí)CPU中省去了虛擬化功能。AMD主流CPU都支持AMDVT。主講：XX老師52第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.8CPU節(jié)能技術(shù)減少功耗的理想解決方案是：不同工作模式下使用不同的工作電壓，但這會(huì)造成CPU設(shè)計(jì)太過復(fù)雜。簡單的設(shè)計(jì)方法是：按照高性能高電壓，低性能低電壓的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?？梢允褂枚鄠€(gè)時(shí)鐘域來降低芯片工作頻率。Corei7CPU的時(shí)鐘分為三個(gè)部分：核心、核外（L3）和I/O（QPI和IMC）。主講：XX老師53第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.4CPU設(shè)計(jì)技術(shù)4.4.8CPU節(jié)能技術(shù)CPU采用邏輯電路動(dòng)態(tài)控制電源或時(shí)鐘。在電路不工作時(shí)，關(guān)閉部分晶體管，這樣對(duì)應(yīng)的電路就不會(huì)產(chǎn)生功耗。增強(qiáng)型動(dòng)態(tài)加速技術(shù)可以根據(jù)應(yīng)用程序的負(fù)載狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整多核CPU的工作狀態(tài)，安排單核心或多核心CPU的工作頻率。主講：XX老師54第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.1高溫對(duì)CPU的危害CPU頻率提高后，產(chǎn)生了更多的熱量，CPU的面積非常小，散熱不好將會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，從而引發(fā)電子遷移現(xiàn)象。電子遷移是電子高速流動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬原子發(fā)生遷移。電子遷移對(duì)芯片的損壞是一個(gè)緩慢的過程，一旦發(fā)生線路損壞，情況會(huì)越來越嚴(yán)重，最后會(huì)造成整個(gè)電路短路。主講：XX老師55第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.1高溫對(duì)CPU的危害電子遷移對(duì)CPU芯片造成的損壞。主講：XX老師56第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.2CPU發(fā)熱保護(hù)技術(shù)CPU的警戒溫度值為72℃，極限溫度為135℃。CPU內(nèi)核溫度達(dá)到72℃時(shí)，CPU內(nèi)核的溫度控制電路被激活，它會(huì)降低CPU任務(wù)周期信號(hào)，強(qiáng)制CPU的工作頻率按這個(gè)信號(hào)指定的周期運(yùn)行，達(dá)到降低CPU工作頻率的目的。主講：XX老師57第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.2CPU發(fā)熱保護(hù)技術(shù)CPU溫度升高到85℃時(shí)，CPU性能下降幅度將超過50％。CPU溫度升高到94℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)。CPU溫度升高到135℃時(shí)，CPU將自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。早期CPU的溫度通過主板CPU插座下面的熱敏電阻來監(jiān)測。主講：XX老師58第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.2CPU發(fā)熱保護(hù)技術(shù)Pentium2以后的CPU內(nèi)部集成了熱敏二極管，直接測量CPU核心溫度。Intel將CPU的警戒溫度和極限溫度寫入CPU內(nèi)部的溫控電路中，用戶無法修改它們。主講：XX老師59第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.3風(fēng)冷散熱系統(tǒng)1．熱傳遞方式傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。主講：XX老師60第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.3風(fēng)冷散熱系統(tǒng)2．散熱風(fēng)道傳統(tǒng)散熱器的安裝方式是風(fēng)扇在頂部，氣流朝下，即垂直于CPU。高溫區(qū)主講：XX老師61第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.3風(fēng)冷散熱系統(tǒng)現(xiàn)在多數(shù)將風(fēng)扇改為側(cè)向吹風(fēng)，讓氣流的方向平行于CPU。主講：XX老師62第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.3風(fēng)冷散熱系統(tǒng)散熱片表面積越大，散熱效果越好。單滾珠軸承風(fēng)扇價(jià)格低，但壽命不長；雙滾珠軸承風(fēng)扇壽命長，但噪音較高；含油軸承風(fēng)扇使用時(shí)間短，被摒棄；液壓軸承風(fēng)扇是改進(jìn)的含油軸承，這類軸承噪音小，使用壽命低于雙滾珠軸承。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在2000rpm～5000rpm之間，過高的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致更大的噪音。主講：XX老師63第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.3風(fēng)冷散熱系統(tǒng)主講：XX老師64第4章CPU系統(tǒng)故障維修4.5CPU散熱技術(shù)4.5.4熱管散熱系統(tǒng)熱管的一