《系统故障维修》PPT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

2、在操作系统一级相互兼容； 产品覆盖 95%以上的桌面微机市场。 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 。

3、 Intel公司桌面型产品有： 酷睿 （ Core）系列； 奔腾（ Pentium）系列； 赛扬（ Celeron）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 产品类型 产品系列 桌面型 酷睿系列、奔腾系列、赛扬系列 移动型 移动酷睿、凌动系列、迅驰系列、移动奔腾、移动赛扬 服务器型 至强系列、安腾系列 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

4、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 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

5、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。 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

6、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 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

7、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 1 MOS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 CPU生产工艺 4.2.1 CMOS电路工作原理 2 MOS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

8、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 2 MOS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 3 CMOS电路工作原理 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

9、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 CPU生产工艺 4.2.2 CPU制造

10、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）

11、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 C

12、PU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 1 Core 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

13、1 AMD Phenom 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 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： X

14、X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 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 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

15、.3 CPU能效指标 1 CPU功耗 CPU功耗 =频率 寄生电容 工作电压的平方 即： Power=F C V2 台式微机 CPU功耗在 50W130W之间。 2 CPU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。 3 CPU性能评价指标 CPU性能频率 每个时钟周

16、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

17、： 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 。

18、 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 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 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

19、以完成一条以上的指令 。 时钟周期 取指令 译码 取操作数 执行 写回 1 指令 1 指令 2 2 指令 3 指令 1 指令 4 指令 2 3 指令 5 指令 3 指令 1 指令 6 指令 4 指令 2 4 指令 7 指令 5 指令 3 指令 1 指令 8 指令 6 指令 4 指令 2 5 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） 。

20、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

21、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 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

22、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 1 AMD 64位技术 AMD 64位技术称为 x86-64， 是在 32位 x86指 令集基础上 ， 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

23、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 2 Intel 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

24、 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 54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

25、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

26、： 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 5

27、8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

28、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

29、： 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 2000rpm 5000rpm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

30、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 C

31、PU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

32、.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 故障现象 故障主要原因分析 死机 CPU超频、 CPU散热不良、 CPU工作电压过低、电源供电不足等 运行速度降低 CPU温度过高引起自动降频等 重新启动 CPU温度过高等 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 】