《中央处理器》课件.ppt
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1、第二章中央处理器(CPU)散热器2.1CPU的工作原理2.2CPU的历史2.3CPU的外观与构造2.4CPU的主要性能指标前面介绍了计算机的基础知识,让大家了解的计算机的发展、计算机系统的组成,以及计算机的基本结构,从本章开始我们将学习计算机中常用配件的相关知识。本章主要介绍CPU的基础知识,包括:CPU的工作原理、发展概况、外观构造、主要性能指标以及CPU的散热系统。希望通过本章的学习,大家可以了解CPU及其散热器的各项重要技术参数;了解选购CPU及其散热器时的注意事项,并根据自己的需要选购一款合适的CPU和CPU风扇。2.1 CPU 工作原理工作原理1.CPU的概述CPU的英文全称是Cen
2、tralprocessingunit,即中央处理器,也称微处理器,是整个系统的核心,也是整个系统最高的执行单位。它负责整个系统指令的执行、数学与逻辑运算、数据存储、传送以及输入输出的控制。如果把计算机比做一个人,那么CPU就是他的大脑,决定着整个计算机系统的类型、性能、速度和整体性能。人们平时所说的286、386、486、586、Pentium等都是指CPU。2.CPU的结构目前,市场上的CPU种类很多,但是不管什么样的CPU,都是由控制器和运算器组成,其内部结构归纳起来可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元3个部分。从图中可以看出,CPU芯片是经由系统总线与微机系统其他部分的相连接的。其实,C
3、PU是由一个算术运算和逻辑运算部件(ALU)以及一个控制部件CU组成。算术和逻辑运算部件寄存器控制器控制总线数据总线地址总线CPU简化的CPU逻辑图若欲对CPU的的体系结构进行进一步的了解,需对CPU的体系结构再进一步进行剖析,下图所展示的就是一个较详细的CPU逻辑框图。算术和逻辑运算部件状态标志移位部件加法器算术和布尔逻辑CPU 内 部 总 线寄存器控制器控制路径3.CPU的工作原理CPU工作原理就像一个工厂的产品加工过程:进入工厂的原料(指令和数据),经过物资分配部门(控制单元)的调度分配,被送往生产线(逻辑运算单元),生产出成品(处理后的数据),再存储在仓库(存储单元)中,最后等着拿到市
4、场上去卖(交给应用程序使用)。在这个过程中,从控制单元CPU就开始了正式的工作,中间的过程是通过逻辑运算单元进行运算处理,交到存储单元后就代表一次(一条指令的执行)工作的结束。2.2 CPU 的历史的历史CPU发展至今已经有几十年的历史了,在这期间,按照其处理信息的字长,CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等等。在风起云涌的IT业界,在CPU的发展过程中,Intel公司一直起着举足轻重的作用,我们将以它的产品为重点来作介绍。2.2.1 最早的微处理器最早的微处理器-40041971年Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004。这是第一
5、个用于个人计算机的4位微处理器,它包含2300个晶体管,由于性能很差,市场反应冷淡。4004处理器处理器在4004之后,Intel公司又研制出了8080处理器和8085处理器,加上当时美国Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器,一起组成了8位微处理器家族。8080 处理器处理器2.2.2 16 位字长的微处理器位字长的微处理器-8086、8088 和和8028616位微处理器的典型产品是Intel公司的8086微处理器,以及同时生产出的数学协处理器,即8087。由于这些指令应用于8086和8087,因此被人们统称为X86指令集。此后Intel推出的新一代CP
6、U产品均兼容原来的X86指令集。8086 处理器处理器1979年Intel公司推出了8086的简化版8088芯片,它仍是16位微处理器,内含29000个晶体管,时钟频率为4.77MHz,地址总线为20位,可以使用1MB内存。8088的内部数据总线是16位,外部数据总线是8位。1981年,8088芯片被首次用于IBMPC机中,开创了个人电脑的新时代。如果说8080处理器还不为大多数人所熟知的话,那么8088则可以说是家喻户晓了,PC机的第一代CPU便是由它开始的。8088 处理器处理器1982年推出的Intel80286虽然是16位芯片,但是其内部已包含了13.4万个晶体管,时钟频率也达到了前所
7、未有的20MHz。其内、外部数据总线均为16位,地址总线为24位,可以使用16MB内存,工作方式包括实模式和保护模式两种。80286 处理器处理器2.2.3 32 位处理器的先驱位处理器的先驱-80386、8048632位微处理器的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386,这是一种全32位微处理器芯片,也是X86家族中第一款32位芯片,其内部包含了27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位,地址总线也是32位,可以寻址到4GB内存。它除了具有实模式和保护模式外,还增加了一种虚拟386的工作方式,可以通过同时模拟多个
8、8086处理器来提供多任务能力。80386 处处理理器器1989年80486处理器面市,它集成了125万个晶体管,时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz和50MHz。80486内含80386和数学协处理器80387,以及一个8KB的高速缓存,并在X86系列中首次使用了RISC(精简指令集)技术,可以在一个时钟周期内执行多条指令。它还采用了突发总线方式,大大提高了与内存的数据交换速度。由于这些改进,80486的性能比带有80387数学协处理器的80386提高了4倍。80486 处处理理器器2.2.4 Intel Pentium(586)、AMD K6、Cyrix 6X86、IDT
9、C6Intel公司于1993年又推出了80586,其为32位微处理器,正式名称为Pentium。Pentium含有310万个晶体管,时钟频率最初为60MHz和66MHz,后提高到200MHz。66MHz的Pentium微处理器的性能比33MHz的80486DX提高了3倍多,而100MHz的Pentium则比33MHz的80486DX快68倍。PentiumPentium MMXPentium PROK6 CPUCyrix 6X86 IDTC 62.2.5 Intel Pentium、Intel Celeron、AMD K62、Cyrix M1997年,Intel公司又推出与以往架构不同的即Sl
10、ot结构的PentiumCPU。Pentium K62 CPUIntel Socket 370 Celeron CPUMCPU2.2.6 Intel Pentium、AMD K7Pentium处理器是Intel公司于1999年2月推出的新一代产品,它继续采用Slot1架构,它采用了0.25m制造工艺,使用的是Katmai内核,新的SECC2插口。Pentium拥有32KB一级缓存和512KB二级缓存(运行在芯片核心速度的一半下),包含MMX指令和Intel自己的“3D”指令SSE(因特网数据流单指令扩展)。最初推出的Pentium有450MHz和500MHz两种规格,其系统总线频率为100MH
11、z。小结:小结:Intel CPUIntel CPU系列产品的发展史系列产品的发展史 名称名称 年代年代 晶体管数晶体管数 主频主频Hz 说明说明 4004 1971 2,300 0.5M0.75M 未用于未用于PC 8008 1972 3,500 0.5M0.75M 未用于未用于PC 8086 1978 29,000 4.77M10M 第一代第一代X86CPU,16位位 8088 1979 29,000 4.77M8M 8086简化型简化型 80286 1982 134,000 10M20M 16位,可以寻址到位,可以寻址到16M内存内存 80386 1985 275,000 16M33M
12、32位,可以寻址到位,可以寻址到4GB内存内存 80486 1989 120万万 25M50M 32位,可以寻址到位,可以寻址到4GB内存内存 Pentium 1993 310万万 60M233M 64位,新增的位,新增的57条条MMX指令指令 Pentium 1997 750万万 233M450M 首次将二级缓存集成到首次将二级缓存集成到CPU上上 Pentium 1999 950万万 450M1G 增加了增加了70条条SSE指令指令 Pentium4 2000 4200万万 1G2.8G 采用采用0.18微米制造,微米制造,SSE,SSE2 Pentium4 2004 1.25亿亿 2.8
13、G3.4G 采用采用0.09微米制造微米制造,SSE,SSE2,SSE3 2.2.7 AMD(超微)(超微)公司的公司的CPUAMD CPU系列产品的发展史:名称年代 晶体管数 主频Hz说明K51996 430万75133M24KBL1CacheK61997 880万166300M内置MMX多媒体指令集K6-21998 2130万266550M支持MMX指令和3DNow!指令K6-31999 2130万350550M256KBL2Cache,支持MMX和3DNow!Athlon1999 2130万500M2.2G 8MBL2Cache,MMX,3DNow!,SSEAthlon64 2003 1
14、0590万 2.2G以上采用0.13微米制造,MMX,3DNow!,SSEAMD 486 AMD K5 AMD K6 AMD K6-2AMD K6-3 AMD Athlon 64 AMD Duron Athlon XP AMD Barton 2.2.8 VIA(威盛威盛)公司的公司的CPU VIA的的CPU是台湾威盛公司收购了美国是台湾威盛公司收购了美国Cyrix公司的公司的CPU事业部以后生产的。事业部以后生产的。VIA的产品一直与的产品一直与Intel低端产品保持兼容。低端产品保持兼容。Cyrix 6x86 Cyrix MII Cyrix III 本节阅读小结:本节阅读小结:1996Int
15、elPentium MMXAMDK51997IntelPentium IIIntelCeleronAMDK6AMDK6-2Cyrix6x86MX1998IntelPII XeonIntelCeleron AAMDK6-3CyrixCyrix MII1999IntelPentium IIIAMDAthlon(k7)2000IntelCeleronII21世纪IntelPentium4IntelCeleron4IntelCeleronDIntelXeonAMDDuronAMDAthlonXPAMDBartonAMDAthlon64AMDAthlonFXVIAC32.3 CPU 的外观与构造的外观与
16、构造2.3.1 内核内核CPU的中间就是我们平时称作核心芯片或CPU内核的地方,这颗由单晶硅做成的芯片可以说是电脑的大脑了,所有的计算、接受/存储命令、处理数据都是在这指甲盖大小的地方进行的。目前绝大多数CPU都采用了一种翻转翻转内核内核的封装形式,也就是说平时我们所看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部,它是翻转后封装在陶瓷电路基板上的,这样的好处是能够使CPU内核直接与散热装置接触。这种技术也被使用在当今绝大多数的CPU上。而CPU核心的另一面,也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面要和外界的电路相连接现在的CPU都有以千万计算的晶体管,它们都要连到外面的电路上,而连接的方法则是将每若干个晶体
17、管焊上一根导线连到外电路上。例如Duron核心上面需要焊上3000条导线,而奔腾4的数量为5000条,用于服务器的64位处理器Itanium则达到了7500条。这么小的芯片上要安放这么多的焊点,这些焊点必须非常的小,设计起来也要非常的小心。由于所有的计算都要在很小的芯片上进行,所以CPU内核会散发出大量的热,核心内部温度可以达到上百度,而表面温度也会有数十度,一旦温度过高,就会造成CPU运行不正常甚至烧毁,因此很多电脑书籍或者杂志都会常常强调对CPU散热的重要性。2.3.2 基板基板CPU基板就是承载CPU内核用的电路板,它负责内核芯片和外界的一切通讯,并决定这一颗芯片的时钟频率,在它上面,有
18、我们经常在电脑主板上见到的电容、电阻,还有决定了CPU时钟频率的电路桥(俗称金手指),在基板的背面或者下沿,还有用于和主板连接的针脚或者卡式接口。比较早期的CPU基板都是采用陶瓷制成的,目前AMD的Duron仍然采用这种材料,而最新的CPU,例如P3、Celeron2,Palomino内核的AthlonXP,都转用了有机物制造,它能提供更好的电气和散热性能。2.3.3 填充物填充物另外,在CPU内核和CPU基板之间,还有一种填充物,这种填充物的作用是用来缓解来自散热器的压力以及固定芯片和电路基板,由于它连接着温度有较大差异的两个方面,所以必须保证十分的稳定,它的质量的优劣有时就直接影响着整个C
19、PU的质量。2.3.4 封装封装作为计算机的重要组成部分,CPU的性能直接影响计算机的整体性能。而CPU制造工艺的最后一步也是最关键一步就是CPU的封装技术,采用不同封装技术的CPU,在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术才能生产出完美的CPU产品。所谓“CPU封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以CPU为例,我们实际看到的体积和外观并不是真正的CPU内核的大小和面貌,而是CPU内核等元件经过封装后的产品。CPU封装对于芯片来说是必须的,也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和
20、运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此,对于很多集成电路产品而言,封装技术都是非常关键的一环。目前采用的CPU封装多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来,能起着密封和提高芯片电热性能的作用。由于现在处理器芯片的内频越来越高,功能越来越强,引脚数越来越多,封装的外形也不断在改变。
21、封装时主要考虑的因素:1.芯片面积与封装面积之比为提高封装效率,尽量接近1:12.引脚要尽量短以减少延迟,引脚间的距离尽量远,以保证互不干扰,提高性能3.基于散热的要求,封装越薄越好CPU芯片的主要封装技术:芯片的主要封装技术:主要封装技术有一下几种:DIP技术、QFP技术、PFP技术、PGA技术和BGA技术。1.DIP技术技术DIP封装(DualIn-linePackage),也叫双列直插式封装技术,指采用双列直插形式封装的集成电路芯片,绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式,其引脚数一般不超过100。DIP封装的CPU芯片有两排引脚,需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然,也可以直
22、接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心,以免损坏管脚。DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP,单层陶瓷双列直插式DIP,引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式,塑料包封结构式,陶瓷低熔玻璃封装式)等。DIP封装的封装的8086处理器理器DIP封装具有以下特点:i)适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。ii)芯片面积与封装面积之间的比值较大,故体积也较大。最早的4004、8008、8086、8088等CPU都采用了DIP封装,通过其上的两排引脚可插到主板上的插槽或焊接在主板上。2.QFP技术技术这种技术的中文含义叫方型扁平式封
23、装技术(PlasticQuadFlatPockage),该技术实现的CPU芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式,其引脚数一般都在100以上。该技术封装CPU时操作方便,可靠性高;而且其封装外形尺寸较小,寄生参数减小,适合高频应用;该技术主要适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线。QFP 封封装装的的802863.PFP技术技术该技术的英文全称为PlasticFlatPackage,中文含义为塑料扁平组件式封装。用这种技术封装的芯片同样也必须采用SMD技术将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔,一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊
24、盘。将芯片各脚对准相应的焊盘,即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片,如果不用专用工具是很难拆卸下来的。该技术与上面的QFP技术基本相似,只是外观的封装形状不同而已。PFP 封封装装的的803864.PGA技术技术该技术也叫插针网格阵列封装技术(CeramicPinGridArrauPackage),由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针,每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列,根据管脚数目的多少,可以围成25圈。安装时,将芯片插入专门的PGA插座。为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸,从486芯片开始,出现了一种ZIFCPU插座,专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要
25、求。该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。早先的早先的80486和和Pentium、Pentium Pro等等CPU均均采用均均采用PGA封装形式封装形式。5.BGA技术BGA技术(BallGridArrayPackage)即球栅阵列封装技术。另外,目前较为常见的封装形式有以下几种:OPGA封装mPGA封装:微型PGA封装,目前只有AMD公司的Athlon64和英特尔公司的Xeon(至强)系列CPU等少数产品所采用,而且多是些高端产品,是种先进的封装形式。CPGA封装:也就是常说的陶瓷封装,全称为CeramicPGA。主要在Thunderbird(雷鸟)核心和“Palomino”核心的At
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