《计算机维修技术第2版》ppt电子教案第04章cpu系统故障维修课件

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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%以上的桌面

2、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（Celeron）系列。

3、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类型与组成,4.1.3 CPU型号标识

4、 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核心工艺就越新，也意味着CPU工作更稳定。,

5、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页,4.1 CPU类型与组成,4.1.5

6、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系统故障维修,第17页 共73页,4.2 CP

7、U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电路工作原理 CMOS电路由PMOS晶体管和

8、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系统故障维修,第22页 共73页,4.2 CP

9、U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极之间距离的一半。 “制程线宽”（或线宽）

10、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,线宽=1/2节距,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 CPU制程线宽技术,主讲：X

11、X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核心,主讲：XX老师,第4章

12、 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 Core i7 CPU指令执行速度5个

13、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。 2CPU设计热功耗 设计热功耗（TDP）是C

14、PU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73页,4.4 CPU设计技术,4.4.1 指令

15、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。 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

16、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,