第2章 CPU与CPU散热器 2.2.7-2.2.15（课件）-《计算机组装与维修》（电工版第4版）【上好课】

计算机组装与维修 电工版第4版 2课时 第2章 CPU与CPU散热器 2.2.7-2.2.15 CPU的其他性能指标 说出 QPI/DMI 总线、CPU 接口类型与指令集的作用；说出超线程、睿频、集成显卡、PCI-E 通道数、内存通道数与 IPC 的含义与取值。 能读懂 CPU 的接口类型与总线分工，会用 CPU-Z／系统信息查看本机的接口、通道数与睿频参数，并能用“CPU 性能＝IPC×核心频率”做判断。 养成按接口与参数选配 CPU 与主板的规范意识；理解“共享资源必然带来性能折扣”这一工程常识。 知识目标 能力目标 素养目标 01 02 03 学习目标 教学导入：一块装不上的 CPU 引出的三个问题 案例 同学小赵淘到一块二手主板和一颗二手 CPU，回家才发现接口对不上、装不进去；同一台机器跑游戏时快时慢、风扇忽高忽低；装了独立显卡后，卖家又说“核显还在，要不要关掉”。 一块装不上的 CPU 主板与 CPU 接口对不上； 卖家只说“都是 Intel 的”； 看哪个参数才不会买错？ 一台忽快忽慢的机器 跑分时快时慢； 风扇转速忽高忽低； 是不是 CPU 自己在调频率？ 一个“多余”的核心显卡 装了独显后核显还在； 核显与独显差在哪里？ 什么时候该用它？ 驱动问题 CPU 与主板之间靠什么连接？QPI 总线与 DMI 总线又各管哪一段？ 超线程、睿频、核显、通道数与 IPC 分别说明什么？ 看懂总线与接口 读懂九项指标 用参数做判断 第一部分 总线·接口·指令集·超线程 知识讲授 2.2.7 QPI 总线与 DMI 总线：FSB 的瓶颈 多核心 CPU 出现后，FSB 总线的缺点逐渐显现。 图2-6 FSB 总线和 QPI 总线的对比 瓶颈在哪 CPU 的 4 个核心分时共享 FSB 总线的带宽； 易造成数据拥堵； 导致多个核心的闲置和等待。 后果 极大地降低系统的工作效率； 因此 Intel 公司研发了 QPI 总线技术。 读图要点 图2-6（a）为共享 FSB 总线连接； （b）为 QPI 总线连接。 QPI 总线：它是什么、解决了什么 QPI 用来实现芯片之间的直接互连，不再通过 FSB 连接到北桥芯片。 名称 QPI＝快速通道互连（Quick Path Interconnect）； 官方名字为 CSI（通用系统接口）。 它改变了什么 把内存控制器从北桥芯片移入 CPU 内部； CPU 内部各核心通过 QPI 直接通信。 图2-7 QPI 总线和 DMI 总线的分工 本页要点 QPI 抛弃了沿用多年的 FSB 总线结构； CPU 可直接通过内存控制器访问内存资源，不再是“CPU—前端总线—北桥芯片—内存控制器”模式； QPI 主要用于处理器之间和系统组件之间的互连通信。 DMI 总线：QPI 管内、DMI 管外 北桥芯片退出历史舞台后，南桥芯片与 CPU 之间的通道就是 DMI。 北桥为什么退场 内存控制器、PCI-E 控制器、GPU 逐步集成到 CPU 内部； CPU 接管了北桥的 I/O 管理功能。 DMI 是什么 DMI＝直接媒体接口（Direct Media Interface）； 是南桥芯片和 CPU 之间的数据通道。 分工一句话 QPI 总线负责 CPU 内部； DMI 总线负责 CPU 与外部。 图2-7 QPI 总线和 DMI 总线的分工 本页要点 两条总线的传输任务分工明确； QPI 总线负责 CPU 内部的数据通信； DMI 总线负责 CPU 与外部的数据交换； 这正是图2-7 要表达的分工关系。 QPI 的高带宽：通路与带宽计算 QPI 采用与 PCI-E 类似的点对点设计，带宽远高于 FSB。 通路怎么构成 包括一对双向线路，分别负责数据发送和接收； 每条通路传送 20 位数据； 其中 4 位用于循环校验，16 位为真实有效数据。 带宽怎么算 QPI 带宽 ＝ QPI 总线频率 × 有效数据（16bit）× 2； “×2”是因为数据发送、接收可以同时进行。 总线 频率 带宽计算 结果 QPI 总线 6.4GT/s 6.4GT/s × 16bit ÷ 8 × 2 25.6GB/s FSB 总线 1600MHz 1600MHz × 64bit ÷ 8 12.8GB/s 比一比 按教材实例，QPI 总线的带宽约为同频 FSB 总线带宽的两倍。 2.2.8 CPU 的接口类型总览 CPU 与主板的连接形式，叫作 CPU 接口。 接口是什么 CPU 只有安装到主板上才能进行工作； 我们把 CPU 与主板的连接形式叫作 CPU 接口。 发展中出现过四类形态 引脚式、卡式、针脚式、触点式； 教材按出现顺序逐一介绍。 引脚式 卡式 针脚式 触点式 接口类型 出现时期与代表 双列直插式 Intel 4004、8080、8086 等处理器 插卡式 奔腾 2 代与早期奔腾 3 代（Slot 1）；AMD K7（Slot A） 插座式 应用最广泛：Socket 7／370／423／478／AM4 等 触点式 当前 Intel 采用：LGA 775／1151／1200／1700／2066 等 双列直插式与插卡式 双列直插式与插卡式，是 CPU 早期使用过的两类接口。 图2-8 采用双列直插式接口的 CPU 图2-9 采用插卡式接口的 CPU 双列直插式 曾用在 Intel 4004、Intel 8080、Intel 8086 等处理器上（图2-8）。 插卡式 Intel 奔腾 2 代与早期奔腾 3 代采用 Slot 1； 同期 AMD 的 K7 采用 Slot A； 这类 CPU 对应的主板上有 CPU 插槽。 本页要点 接口形态变化，本质是针脚位置的改变。 插座式：应用最广泛的接口类型 插座式是应用最广泛的接口类型。 图2-10 采用插座式接口的 CPU 典型接口 Socket 7／370／423／478／462／754／939； Socket FM2+／AM3／AM3+／AM4 等多种接口。 为什么用得最广 Socket 系列接口数量多、跨度大； 从早期一直沿用到现在的平台。 读图要点 插座式接口对应主板上的 CPU 插座。 触点式：当前 Intel 处理器采用（图2-11） 触点式是当前 Intel 处理器采用的接口类型。 图2-11 采用触点式接口的 CPU 它改了什么 把 CPU 上的针脚缩短并转移到主板的 CPU 插座上。 带来什么好处 不仅有助于提升频率； 还能在不提高成本的情况下加大针脚密度； 适合高功耗和高主频的处理器。 LGA 775 LGA 1150 LGA 1151 LGA 1200 LGA 1700 LGA 2066 四类接口对比与 AMD AM5 的变化 四类接口的适用时期与代表平台各不相同。 接口类型 要点 双列直插式 Intel 4004、Intel 8080、Intel 8086 等处理器使用过 插卡式 Intel 奔腾 2 代与早期奔腾 3 代（Slot 1）；AMD K7（Slot A）；主板上有 CPU 插槽 插座式 应用最广泛：Socket 7／370／423／478／462／754／939／FM2+／AM3／AM3+／AM4 触点式 当前 Intel 采用：针脚缩短并转移到插座；LGA 775 至 LGA 2066 等多种接口 AMD 的变化 2022 年 9 月 27 日发布的 Ryzen 7000 系列处理器放弃了沿用已久的 Socket AM4 插座，改用 Socket AM5 插座；Socket AM5 放弃插针式的接口方式，改为 LGA 1718。 2.2.9 CPU 的多媒体指令集 指令集是提高 CPU 运行效率最有效的工具之一。 指令集是什么 CPU 依靠指令来计算和控制系统； 每款 CPU 都有一系列与其硬件电路 相配合的指令系统。 它有什么用 指令集是提高 CPU 运行效率最有效的工具之一； 可增强多媒体、图形图像、AI 和 Internet 处理能力。 类别 教材列举的指令集 图形图像 MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4.1、SSE4.2、EM64T、AVX 能效与虚拟化 EIST、Intel 64、XD bit、Intel VT-x、Hyper-Threading、Turbo Boost 加密与缓存 AES-NI、Smart Cache、AVX2、FMA3、SHA 2.2.10 超线程技术：原理 超线程在一个 CPU 核心上同时执行多个程序，并共同分享该核心的缓存等资源。 它做了什么 把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片；让单个处理器都能使用线程级并行计算。 系统怎么看 对支持多处理器的应用程序而言，超线程处理器被视为两个独立的逻辑处理器。 图2-12 Windows 系统把每个线程识别为独立处理器 一句话 一核两逻辑处理器。 超线程的收益与代价 两个逻辑处理器共享核心内的缓存等资源，性能比两个物理处理器差一些。 代价 两个逻辑处理器共享核心内的缓存等资源； 因此其性能比两个物理处理器差一些。 收益 i7-8700K 比 i5-8400 高 47%； 抛开主频与缓存，至少提升 30%。 图2-13 使用超线程技术的优势 一句话 共享缓存，性能必有折扣。 第一部分课堂问答 01 FSB 的瓶颈 多核心 CPU 出现后，FSB 总线暴露出什么缺点？ 答 CPU 访问内存时 4 个核心分时共享 FSB 总线带宽，易造成数据拥堵，导致多个核心闲置和等待。 02 总线分工 QPI 总线与 DMI 总线分别负责哪一段的数据传输？ 答 QPI 总线负责 CPU 内部，DMI 总线负责 CPU 与外部的数据交换。 03 接口类型 CPU 采用过的接口类型有哪四种？当前 Intel 处理器采用的是哪一种？ 答 引脚式、卡式、针脚式、触点式；当前 Intel 处理器采用的是触点式。 04 超线程 什么是超线程技术？两个逻辑处理器为什么比两个物理处理器差一些？ 答 在一个 CPU 核心上同时执行多个程序并共同分享该核心缓存等资源的技术；因为两者共享核心内的缓存等资源。 第一部分课堂练习（一） 01 随着多核心 CPU 的出现，FSB 总线的缺点逐渐显现：CPU 在访问内存时，其多个核心（　　）FSB 总线的带宽，易造成数据拥堵。 A．同时倍增　B．各自独占　C．轮流断开　D．分时共享 答 　D 02 QPI（Quick Path Interconnect，快速通道互连）的官方名字是（　　）。 A．FSB（Front Side Bus，前端总线）　 B．DMI（Direct Media Interface，直接媒体接口）　 C．CSI（Common System Interface，通用系统接口）　 D．PCI-E（PCI Express） 答 　C 第一部分课堂练习（二） 01 下列不属于 QPI 总线优点的是（　　）。 A．访问内存必须经过北桥芯片　 B．使通信更加方便　 C．高带宽　 D．多核之间互传数据不用经过芯片组 答 　A 02 QPI 总线带宽的计算方法是（　　）。 A．QPI 总线频率 × 每次传输的有效数据（16bit）× 2　 B．QPI 总线频率 × 20bit ÷ 8　 C．QPI 总线频率 × 64bit ÷ 8　 D．QPI 总线频率 × 4bit × 2 答 　A 第二部分 睿频·核显·通道数·IPC 知识讲授 2.2.11 睿频：定义与工作机制 睿频是指处理器应对复杂应用时自动加速到更高频率运行。 它怎么工作 应对复杂应用时自动加速到更高的频率运行； 在原来运行速度的基础上提升 10%、30%； 以保证程序流畅运行。 工作任务完成后 处理器会立刻降低频率处于节电状态； 既保证能源的有效利用； 又使程序的运行速度大幅度提升。 适用范围 该技术普遍运用在中高端 CPU 产品上，低端 CPU 产品不支持睿频技术。 项目 说明 支持范围 普遍运用在中高端 CPU 产品上，低端产品不支持 任务完成后 立刻降低频率处于节电状态 睿频怎么算：外频 × 最大倍频 睿频 ＝ 外频（总线速度）× 最大倍频。 计算式 睿频 ＝ 外频 × 最大倍频 图2-14 支持睿频技术的两款处理器的参数 教材实例 Intel Core i7-8700K 的主频（基准频率）是 3.7GHz。 睿频怎么算 100MHz × 47 ＝ 4.7GHz； 即外频（总线速度）× 最大倍频。 2.2.12 集成显卡：从北桥到 CPU 早期的集成显卡，是主板北桥芯片内置的显示芯片。 早期：在北桥 主板北桥芯片内置显卡的显示芯片； 通过共享主内存的方式完成工作。 现在：在 CPU 内部 随着系统架构的变迁， 集成显卡也被集成在 CPU 内部； 其性能有了一定的提升。 阶段 位置 显存从哪来 早期集成显卡 主板北桥芯片内置 共享主内存 现在集成显卡 集成在 CPU 内部 共享主内存（显存部分） 集成显卡的能力边界与市场定位 集成显卡的显存部分共享主内存，性能与独立显卡相差甚远。 能力边界 显存部分共享主内存； 受 64bit 位宽和较低频率的限制； 总体表现不能满足 3D 应用和图形图像处理需求。 市场定位 为入门级用户节省了不少预算； 因此成为不少用户的选择。 一句话 集成显卡够用、便宜，但不要指望它跑 3D 应用与图形图像处理。 对比项 说明 显存与性能 共享主内存，受 64bit 位宽和较低频率限制 市场定位 价格低廉，为入门级用户节省预算 集成显卡的核心代号 Intel 集成显卡不断变更名称，但性能始终没有实质性的提升。 酷睿代次 集成显卡核心代号 第 6 代酷睿 HD 530 第 7—10 代酷睿 HD 630 第 11 代酷睿 HD 750 第 12 代酷睿 HD 770 Intel 的现实 名称在不断变更； 但性能始终没有实质性的提升。 AMD 的进展 新一代锐龙集成了 AMD Radeon Vega Graphics 7； 相比此前的 Radeon R7，性能有了明显的提升。 2.2.13 PCI-E 通道数 PCI-E 总线是目前使用最广泛的总线类型。 它连接什么 CPU 与显卡、固态硬盘、 其他 PCI-E 外设之间的通信。 两种传输模式 双向传输模式； 数据分通道传输模式。 通道数意味着什么 通道数越大，可连接更多、 更快的外设。 ×1 ×2 ×4 ×8 ×12 ×16 处理器类型 PCI-E 通道数 主流处理器 16、24 个 酷睿 X 系列处理器 48 个 2.2.14 内存通道数 两个内存控制器＝两个内存通道，可以分别寻址、读取数据。 早期：在北桥 在北桥芯片中设计两个内存控制器； 两者相互独立，各控制一个内存通道； CPU 可分别寻址、读取数据。 现在：在 CPU 内部 QPI 总线架构替代 FSB 总线架构后， 内存控制器被放置在 CPU 内部。 项目 双通道内存架构 构成 两个位宽为 64bit 的 DDR 内存控制器 总位宽 可达 128bit 互补性 两个控制器独立且具备互补性，实现零等待时间 效果 等待时间缩减 50%，内存带宽翻倍 2.2.15 IPC：CPU 性能 ＝ IPC × 核心频率 IPC 意为 CPU 在每一时钟周期内所执行的指令数。 核心公式 CPU 性能 ＝ IPC × CPU 核心频率 IPC 是什么 IPC（Instruction Per Clock）意为 CPU 在 每一时钟周期内所执行的指令数； 是经常用来描述 CPU 运行性能的术语。 它用来做什么 在发布新一代 CPU 产品时， 经常用 IPC 值来表达其超越上一代的性能幅度； 以彰显新一代产品的架构优势。 教材结论 Intel 公司认为频率和 IPC 在真正影响 CPU 性能；准确的 CPU 性能判断标准应该是：CPU 性能 = IPC × CPU 核心频率。 九项指标横向对比（2.2.7—2.2.15） 指标 含义 单位／取值或实例 QPI 总线 QPI 管内、DMI 管外（QPI 官方名 CSI） 6.4GT/s → 25.6GB/s CPU 接口类型 CPU 与主板的连接形式，四类互不兼容 插座式最广；Intel 用触点式 指令集 提高 CPU 运行效率最有效的工具 MMX、SSE、AVX、AES-NI 超线程 一个核心同时执行多个程序、共享缓存 6 核 12 线程；提升 ≥30% 睿频 复杂应用时自动加速到更高频率 提升 10%、30% 集成显卡 集成在 CPU 内部、共享主内存 HD 530／630／750／770 PCI-E 通道数 决定可连 PCI-E 外设的数量与速度 主流 16、24；酷睿 X 48 内存通道数 双控制器独立工作，带宽翻倍 64bit×2＝128bit IPC 每一时钟周期内执行的指令数 性能 ＝ IPC × 核心频率 第二部分课堂问答 01 睿频 什么是睿频？当前工作任务完成后处理器会怎样？ 答 复杂应用时自动加速到更高频率运行（提升 10%、30%）；任务完成后立刻降低频率处于节电状态。 02 集成显卡 集成显卡的显存有什么限制？由此带来什么结果？ 答 显存部分共享主内存，受 64bit 位宽和较低频率限制；与独立显卡的专用显存相差甚远。 03 通道数 PCI-E 通道数与内存通道数分别影响什么？ 答 PCI-E 通道数越大可连接更多、更快的外设；双通道内存位宽可达 128bit，等待时间缩减 50%。 04 IPC IPC 是什么？教材给出的 CPU 性能判断标准是什么？ 答 IPC 意为 CPU 在每一时钟周期内所执行的指令数；判断标准是 CPU 性能 ＝ IPC × CPU 核心频率。 第二部分课堂练习（一） 01 关于 QPI 总线与 DMI 总线的分工，下列说法正确的是（　　）。 A．两者都只负责 CPU 与内存之间的数据传输　 B．QPI 总线负责 CPU 与外部，DMI 总线负责 CPU 内部　 C．两者都只负责 CPU 内部的数据传输　 D．QPI 总线负责 CPU 内部，DMI 总线负责 CPU 与外部的数据交换 答 　D 02 关于不同 CPU 的接口类型，下列说法正确的是（　　）。 A．不同厂家、不同系列的 CPU 接口都一样，可以互换　 B．接口类型不同，其插孔数、体积、形状都有变化，互不兼容　 C．接口类型只影响外观，不影响能否安装　 D．同一块主板可以安装任意接口类型的 CPU 答 　B 第二部分课堂练习（二） 01 关于插卡式接口，下列说法正确的是（　　）。 A．Intel 公司与 AMD 公司都采用 Slot 1　 B．Intel 公司的奔腾 2 代处理器采用 Slot A，同期 AMD 公司的 K7 采用 Slot 1　C．Intel 公司的奔腾 2 代处理器采用 Slot 1，同期 AMD 公司的 K7 采用 Slot A　 D．采用插卡式接口的 CPU 对应的主板上没有 CPU 插槽 答 　C 02 下列 CPU 接口类型中，应用最广泛的是（　　）。 A．双列直插式　B．插座式　C．插卡式　D．触点式 答 　B 课堂小结：CPU 其他性能指标知识地图 CPU 其他性能指标 总线 • QPI 管内、DMI 管外 • QPI 官方名 CSI；6.4GT/s→25.6GB/s 接口 • 四类形态互不兼容 • 插座式最广；Intel 用触点式 指令集 • 提高运行效率最有效的工具 • MMX、SSE、AVX、AES-NI 等 超线程 • 一个核心两个逻辑处理器 • 共享缓存；至少 30% 提升 睿频 • 复杂应用时自动提频 • 外频 × 最大倍频 课后任务 课后任务 操作要求 ① 完成教材习题2 第 2 题：CPU 的实际频率不是在标注的基准频率上，就是在睿频值上吗？ ② 完成教材习题2 第 5 题：决定性能与价格的两个主要指标是什么？ ③ 完成教材习题2 第 7 题：QPI 总线架构全面取代 FSB 总线架构的原因是什么？ 提交物 作业本或纸质作业照片 ✓ 习题2 第 2 题 睿频与基准频率 ✓ 习题2 第 5 题 两个主要指标 ✓ 习题2 第 7 题 QPI 取代 FSB 的原因 维度 观测点 知识 总线分工与九项指标 能力 读参数并填写实测表 素养 按规范选配、理性判断 谢谢观看 THANKS $