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

《第2章 CPU与CPU散热器　2.2.7 QPI总线与DMI总线 — 2.2.15 IPC》教案 课题 第2章 CPU与CPU散热器　2.2.7 QPI总线与DMI总线 — 2.2.15 IPC 课 型 新授课 课 时 2课时 授课班级 计算机应用及相关专业 授课时间 90mins 授课教师 ________ 教材分析 本节内容选自 《计算机组装与维修》（电工版第4版）第2章 CPU与CPU散热器 2.2.7 QPI 总线与 DMI 总线 至 2.2.15 IPC，对应教材印刷页 026（下半）—032，含图2·6—图2·14 共九幅插图。 （1）地位和作用：本节是 2.2 CPU 性能指标的收尾部分。2.2.1—2.2.6 解决的是“CPU 有多强”的基础参数，2.2.7—2.2.15 则回答“CPU 怎么与外界连接、还有哪些技术影响性能”：QPI／DMI 总线决定 CPU 与芯片组之间的通路，接口类型决定 CPU 能不能装到主板上，超线程、睿频、集成显卡、通道数与 IPC 则从并行度、频率策略、图形能力与架构效率四个方面补充了性能画像。学完本节，学生才具备“一颗 CPU 能不能用、值不值得买”的完整判断口径。 （2）前后衔接：本节上承本单元任务1 的 2.1—2.2.6，下启 2.3 主流 CPU 产品与散热器。教材先用 2.2.7 说明 QPI 总线取代 FSB 总线的技术原因，再用 2.2.8 把抽象的总线概念落到看得见的接口形态上，最后用 2.2.9—2.2.15 铺开六项进阶指标，为 2.3 按定位选产品提供参数基础。 （3）呈现方式：本节以结构示意图（图2·6 FSB／QPI 对比、图2·7 QPI／DMI 分工）与实物照片（图2·8—图2·11 四类接口）配合 CPU-Z 与设备管理器截图（图2·12—图2·14），并给出多组教材实例数据（QPI 6.4GT/s 带宽 25.6GB/s、FSB 1600MHz 带宽 12.8GB/s、i5-8400 与 i7-8700K 相差 47%、睿频 100MHz×47=4.7GHz、PCI-E 通道数 16／24／48、双通道位宽 128bit），适合按“看结构图—认实物—读截图数据—做对比”的顺序推进。 学情分析 （1）知识储备：学生已经掌握了核心数、主频、外频、倍频系数、工作电压、制造工艺、缓存与前端总线八项基础参数，知道“主频＝外频×倍频系数”，也能说出缓存命中率的含义；但对 CPU 与主板、芯片组之间的连接关系没有概念，对“超线程”“睿频”“IPC”这些词大多只是听过。 （2）能力水平：能看懂参数表，具备基本的单位换算与比例计算能力，能按提示完成表格填写；但缺少“按接口选配硬件”的经验，容易把“接口一样”与“都能装”混为一谈，也容易被“核心越多越好”“频率越高越好”的简单结论带偏。 （3）兴趣态度：对拆装实物、看跑分与温度曲线兴趣浓厚，愿意动手观察主板上的 CPU 插座；但容易只看结论不看依据，需要用教材实例数据引导学生“用参数说话”。 （4）学习困难：容易混淆 QPI 与 DMI 各自负责的范围；容易把“插座式应用最广泛”与“当前 Intel 采用触点式”记混；对超线程“一个核心两个逻辑处理器”的空间关系理解抽象；对睿频“自动提频、任务完成即降频”的动态过程缺少直观感受；对“IPC×核心频率”这一性能公式的物理意义理解较浅。教学对策是结构图对比、实物照片辨认与 CPU-Z 实测对照。 教学目标 【知识目标】说出 QPI 总线与 DMI 总线各自负责的数据范围与分工；说出 CPU 采用过的四类接口形态及各自代表平台；说出指令集的作用；说出超线程、睿频、集成显卡、PCI-E 通道数、内存通道数与 IPC 的含义与教材取值，能写出“睿频＝外频×最大倍频”与“CPU 性能＝IPC×CPU 核心频率”。 【能力目标】能根据主板与 CPU 的接口类型判断二者能否配套安装；能用 CPU-Z／系统信息读取本机的接口类型、睿频参数、PCI-E 通道数与内存通道数并填写实测记录表；能借助教材实例数据比较不同 CPU 的超线程与睿频收益。 【素养目标】养成按接口规范选配硬件的严谨习惯，避免“买回来装不上”；通过“两个逻辑处理器共享缓存，性能必然低于两个物理处理器”体会共享资源与性能折扣的工程常识；通过 QPI 取代 FSB、AM4 改 AM5 体会技术演进中兼容与性能之间的取舍。 教学重难点 【教学重点】QPI 总线与 DMI 总线的分工；CPU 四类接口形态及代表平台；超线程技术的定义与性能表现；睿频的定义与计算；集成显卡、PCI-E 通道数、内存通道数与 IPC 的含义与教材取值。 【教学难点】QPI 总线三大优点所对应的技术变化（内存控制器移入 CPU、点对点高带宽、多核直连）；触点式接口“把针脚转移到主板插座”这一结构变化及其好处；超线程中“一个物理核心对应两个逻辑处理器”与共享缓存带来的性能折扣；睿频“外频×最大倍频”与主频（基准频率）的区别；内存双通道的互补性为什么能让等待时间缩减 50%、带宽翻倍。 教学方法 情境导入法、讲授法、直观演示法、对比辨析法、实物观察法、实测记录法。 以“买 CPU 能不能装上、值不值得买”这一真实任务为主线，把九项指标按“通路—连接—并行与频率—图形与带宽—效率”五组推进，边讲边用实物主板与 CPU-Z 实测对照。 课前准备 教师准备：机房（安装 CPU-Z 中文版）、课件、教材插图 2·6—2·14、可用于观察的主板与 CPU 实物（含 LGA 触点式与 Socket 插座式各一件）、CPU 接口与通道参数实测记录表（每人一份）及教材示例数据答案。 学生准备：预习教材印刷页 026—032；复习任务1 中的八项基础参数；记录自己所用计算机的 CPU 型号与主板型号，带到课堂核对是否配套。 教学媒体 课件、投影设备、CPU-Z 中文版、主板与 CPU 实物、教材插图、CPU 接口与通道参数实测记录表。 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 情境导入· 从“装不上”看总线与接口 【情境导入】 1. 出示一块二手主板与一颗二手 CPU，提问：卖家说“都是 Intel 的”，为什么还是装不进去？光看品牌能不能判断？ 2. 再出示同一台机器跑分忽高忽低、风扇忽快忽慢的截图，提问：CPU 会自己改变工作频率吗？ 3. 引出课题：今天把 CPU 与外界连接的部分讲清楚——它靠什么与芯片组通信，又靠什么装到主板上。 【新课讲授·2.2.7 QPI 总线与 DMI 总线】 4. 结合图2·6 讲解 FSB 的瓶颈：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 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，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。 5. 讲解 QPI 总线的名称与定位：QPI（Quick Path Interconnect，快速通道互连）的官方名字为 CSI（Common System Interface，通用系统接口），用来实现芯片之间的直接互连，而不再通过 FSB 总线连接到北桥芯片；现在的 CPU 把内存控制器（过去在北桥芯片内）集成到 CPU 内部，各核心之间通过 QPI 总线直接通信。 6. 逐条讲解 QPI 总线的三个优点并板书：①使通信更加方便——它是在处理器中集成内存控制器的体系架构，主要用于处理器之间和系统组件之间互连通信，抛弃了沿用多年的 FSB 总线结构；②高带宽——采用与 PCI-E 类似的点对点设计，包括一对双向线路分别负责数据发送和接收，每条通路可以传送 20 位数据，其中 4 位用于循环校验、16 位为真实有效数据；③多核之间互传数据不用经过芯片组。 7. 带学生完成 QPI 带宽计算：QPI 带宽＝QPI 总线频率×每次传输的有效数据（16bit）×2，代入 6.4GT/s 得 6.4GT/s×16bit÷8×2＝25.6GB/s；再算 FSB：1600MHz×64bit÷8＝12.8GB/s，让学生自己说出“QPI 的带宽约为同频 FSB 的两倍”。 8. 讲解 DMI 总线与分工（图2·7）：制造工艺的改进使内存控制器、PCI-E 控制器、GPU 逐步集成到 CPU 内部，北桥芯片退出历史舞台，CPU 接管了其 I/O 管理功能；剩下的南桥芯片与 CPU 之间的数据通道就是 DMI（Direct Media Interface，直接媒体接口）总线。结论板书：QPI 总线负责 CPU 内部，DMI 总线负责 CPU 与外部（南桥芯片）的数据交换。 观察主板与 CPU 实物，尝试说出两者为什么装不上，提出自己判断接口的办法。 在教材上标注图2·6 中（a）共享 FSB 总线连接与（b）QPI 总线连接的区别。 记录 QPI 的英文全称、官方名字与定位，说出它取代 FSB 的直接原因。 在学案上写出 QPI 的三个优点，并完成两道带宽计算题（6.4GT/s 与 1600MHz）。 对照图2·7 说出 QPI 与 DMI 各自负责的范围，并填写“分工一句话”表格。 用“都是 Intel 的却装不上”制造认知冲突，把总线与接口这两个抽象概念转化为真实的选购需求。 用（a）（b）两幅结构图对比，把“分时共享”→“直连”的技术变化可视化，突破 QPI 取代 FSB 的原因这一难点。 让学生亲手算一遍带宽，把“高带宽”从结论变成可验证的数据，落实用数据说话的意识。 用一句话分工表收口，避免学生把 QPI 与 DMI 混为一谈。 活动二： 实物辨认· 四类接口与六项进阶指标 【知识点：2.2.8 CPU 的接口类型】 1. 说明 CPU 只有安装到主板上才能进行工作，把 CPU 与主板的连接形式叫作 CPU 接口；CPU 经过多年发展，采用过的接口类型有引脚式、卡式、针脚式、触点式等；目前不同厂家、不同系列的 CPU 接口都不太一样，对应到主板上就有相应的接口类型；接口类型不同，其插孔数、体积、形状都有变化，互不兼容。 2. 结合图2·8 讲解双列直插式：曾用在 Intel 4004、Intel 8080、Intel 8086 等处理器上。 3. 结合图2·9 讲解插卡式：曾用在 Intel 公司的奔腾 2 代处理器和早期的奔腾 3 代处理器上，叫作 Slot 1；同时期 AMD 公司的 K7 处理器采用的是 Slot A；采用插卡式接口的 CPU 对应的主板上有 CPU 插槽。 4. 结合图2·10 讲解插座式：它是应用最广泛的接口类型，比较典型的有 Socket 7、Socket 370、Socket 423、Socket 478、Socket 462、Socket 754、Socket 939、Socket FM2+、Socket AM3、Socket AM3+、Socket AM4 等多种接口。 5. 结合图2·11 讲解触点式：它是当前 Intel 处理器采用的接口类型，这类接口将 CPU 上的针脚缩短并转移到主板的 CPU 插座上；这种方式不仅有助于提升频率，还能使 CPU 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；市场上出现过 LGA 775、LGA 1366、LGA 1156、LGA 1155、LGA 1150、LGA 1151、LGA 2011、LGA 2011-v3、LGA 1170、LGA 1200、LGA 1700、LGA 2066 等多种接口。 6. 补充说明 AMD 公司的变化：2022 年 9 月 27 日新发布的 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。 7. 组织实物辨认：让学生轮流观察触点式与插座式两块主板，指出针脚（触点）到底在哪一侧，用一句话说出“谁把针脚收走了”。 【知识点：2.2.9—2.2.15 六项进阶指标】 8. 指令集（2.2.9）：CPU 依靠指令来计算和控制系统，每款 CPU 在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统；指令的优劣也是 CPU 的重要指标，指令集是提高 CPU 运行效率最有效的工具之一，可以增强 CPU 的多媒体、图形图像、AI 和 Internet 等方面的处理能力；通常把 CPU 的扩展指令集称为“CPU 的指令集”，目前支持的指令集有 MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4.1、SSE4.2、EM64T、AVX、EIST、Intel 64、XD bit、Intel VT-x、Hyper-Threading、Turbo Boost、AES-NI、Smart Cache、AVX2、FMA3、SHA 等。 9. 超线程（2.2.10）：超线程技术就是在一个 CPU 核心上同时执行多个程序而共同分享该 CPU 核心的缓存等资源的技术；对支持多处理器功能的应用程序而言，超线程处理器被视为两个独立的逻辑处理器，图2·12 中 6 核心 12 线程的酷睿 i7-8700K 在 Windows 10 系统中被视为 12 个独立处理器；但两个逻辑处理器因为共享核心内的缓存等资源，性能比两个物理处理器差一些——图2·13 中 6 核心 12 线程的 i7-8700K 比 6 核心 6 线程的酷睿 i5-8400 高出 47%，抛开主频和缓存等因素，超线程至少带来 30% 的性能提升。 10. 睿频（2.2.11）：睿频是指当处理器应对复杂应用时会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；当前工作任务完成时，如果只有内存和硬盘在进行主要的工作，处理器会立刻降低频率处于节电状态；该技术普遍运用在中高端 CPU 产品上，低端 CPU 产品不支持；图2·14 中 Intel Core i7-8700K 的主频（基准频率）是 3.7GHz，其睿频为外频（总线速度）×最大倍频：100MHz×47=4.7GHz。 11. 集成显卡（2.2.12）：早期的集成显卡是主板北桥芯片内置的显示芯片，通过共享主内存的方式完成工作；随着系统架构的变迁，集成显卡也被集成在 CPU 内部；由于显存部分共享主内存，受 64bit 位宽和较低频率的限制，其总体表现不能满足 3D 应用和图形图像处理方面的需求，但低廉的价格为入门级用户节省了不少预算。 12. 通道数与 IPC（2.2.13—2.2.15）：PCI-E 是 PCI Express 的简称，是目前使用最广泛的总线类型，支持双向传输模式和数据分通道传输模式（×1、×2、×4、×8、×12、×16），通道数越大可连接更多更快的外设，主流处理器通常有 16、24 个，酷睿 X 系列则有 48 个；内存通道数方面，双通道内存架构由两个位宽为 64bit 的 DDR 内存控制器构筑而成，位宽可达 128bit，两个控制器独立且具备互补性，可实现零等待时间，等待时间缩减 50%、内存带宽翻倍；IPC 意为 CPU 在每一时钟周期内所执行的指令数，发布新一代 CPU 时经常用 IPC 值表达其超越上一代的性能幅度，Intel 公司认为频率和 IPC 才真正影响 CPU 性能，准确的判断标准是 CPU 性能＝IPC×CPU 核心频率。 对照图2·8—图2·11 依次说出四类接口的名称与代表平台，并在学案上完成四类接口对比表。 观察主板实物，指出触点式接口的触点在哪一侧、插座式接口的针脚在哪一侧，说明“针脚被转移到了哪里”。 记录 AMD 由 Socket AM4 改用 Socket AM5、并改为 LGA 1718 这一变化，说出它与“互不兼容”的关系。 说出指令集的作用，并在教材上圈出至少五个指令集名称。 对照图2·12 说出“6 核心 12 线程”的含义，用自己的话解释为什么两个逻辑处理器会共享缓存。 对照图2·13 记录 47% 与“至少 30%”两个数据，说明它们分别表示什么。 完成睿频计算题：已知外频 100MHz、最大倍频 47，求睿频；并说出它与基准频率 3.7GHz 的区别。 记录集成显卡的显存限制与 Intel 各代核心代号（HD 530／630／750／770），说出 AMD 的进展。 记录 PCI-E 通道数、双通道内存位宽与 IPC 的教材取值，并抄写性能公式。 把四类接口按“出现时期”串成一条时间线，用实物补足照片看不出针脚位置的不足，突破触点式结构这一难点。 用一句“谁把针脚收走了”把结构变化讲透，避免学生死记 LGA 型号。 超线程用“一个核心两个逻辑处理器＋共享缓存”两句话立骨架，再用 47% 与 30% 两个教材数据说明收益与代价，形成完整认识。 睿频用“提出→计算→与基准频率对比”三步推进，把动态调频讲成可算的量。 六项指标最终都落到教材取值上，为下一环节的横向对比表准备素材。 活动三： 实测归纳· 九项指标横向对比 【实践环节：用 CPU-Z 读取本机参数】 1. 演示用 CPU-Z 的“处理器”页读取本机的接口类型（插槽）、核心数与线程数、核心速度（主频）、总线速度（外频）、最大倍频与三级缓存容量，说明各字段与本节九项指标的对应关系。 2. 打开系统信息或设备管理器，结合图2·12 的读法，让学生数一数本机 CPU 在系统中被识别为几个处理器，判断是否开启超线程。 3. 组织分组实测并填写《CPU 接口与通道参数实测记录表》：接口类型、睿频（外频×最大倍频）、PCI-E 通道数与内存通道数，与教材示例数据对照。 4. 引导归纳：完成九项指标横向对比表，按“指标—含义—单位或取值”统一口径复述。 5. 组织课堂讨论并请小组代表汇报：为什么“两个逻辑处理器”的性能必然低于“两个物理处理器”？为什么制造工艺改进后北桥芯片会被取消？QPI 取代 FSB 的根本原因是什么？ 6. 结合练习结果集中讲评“QPI 与 DMI 混淆”“插座式与触点式记混”“睿频与主频混淆”三类共性错误。 按演示步骤打开 CPU-Z，记录本机 CPU 的插槽（接口类型）、核心数／线程数、核心速度、总线速度与最大倍频。 在系统信息中数出本机 CPU 被识别为几个处理器，判断是否支持并开启了超线程。 分组填写《CPU 接口与通道参数实测记录表》，与教材示例数据逐项对照并说明差异。 完成九项指标横向对比表，用自己的话复述每一项的含义与取值。 小组讨论三个问题并推选代表汇报，汇报时先说依据再说结论。 订正课堂练习中的错题，把错误原因写在题目旁边。 把九项指标一次性落到本机实测数据上，形成“知识—实测—对照”的闭环。 用“数一数系统中被识别为几个处理器”把超线程从概念变成看得见的现象。 用三个讨论题把本节前后内容串成因果链：共享资源→性能折扣；集成度提高→北桥取消；多核共享带宽→QPI 取代 FSB。 用当堂汇报与错题订正把评价前移，便于教师及时调整下一课时的重点。 课堂练习 1. 2.2.7—2.2.10 学习结束后，完成本课时同步练习的单项选择题第1—12题，限时完成，同桌交换批改。 2. 2.2.11—2.2.15 学习结束后，完成单项选择题第13—15题和判断题第16—25题，判断题要求同时说出判断依据。 3. 教师针对“QPI 与 DMI 混淆”“插座式与触点式记混”“睿频与主频混淆”三类共性错误集中讲评，并请答对的学生复述判断依据。 课堂小结 1. 用板书知识地图回扣本课两条主线：第一部分 2.2.7—2.2.10（总线、接口类型、指令集、超线程）；第二部分 2.2.11—2.2.15（睿频、集成显卡、PCI-E 通道数、内存通道数、IPC）。 2. 【需背诵】①QPI 总线负责 CPU 内部，DMI 总线负责 CPU 与外部的数据交换；QPI（快速通道互连）的官方名字为 CSI（通用系统接口），其带宽＝QPI 总线频率×有效数据（16bit）×2；②CPU 采用过的接口类型有引脚式、卡式、针脚式、触点式，接口不同则插孔数、体积、形状都有变化、互不兼容；插座式应用最广泛，当前 Intel 处理器采用触点式（把针脚缩短并转移到主板插座上）；③超线程技术就是在一个 CPU 核心上同时执行多个程序而共同分享该 CPU 核心的缓存等资源的技术，两个逻辑处理器因共享缓存，性能比两个物理处理器差一些；④睿频＝外频（总线速度）×最大倍频，该技术普遍运用在中高端 CPU 产品上，低端产品不支持；⑤IPC 意为 CPU 在每一时钟周期内所执行的指令数，CPU 性能＝IPC×CPU 核心频率。 3. 重申选配规范：买 CPU 先看接口是否与主板配套（接口不同互不兼容），再看核心数、频率、睿频、缓存与通道数等参数，最后结合用途与预算做判断。 课后作业 1. 完成《第2章 CPU与CPU散热器 2.2.7-2.2.15 同步练习》中课堂上未完成的题目，重点订正判断题并写出判断依据。 2. 书面作业：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）、第5题（决定性能与价格的两个主要指标是什么）和第7题（QPI 总线架构全面取代 FSB 总线架构的原因是什么）。 3. 实践作业：用 CPU-Z 与系统信息读取本机 CPU 的接口类型、睿频参数、PCI-E 通道数与内存通道数，整理成《CPU 接口与通道参数实测记录表》，并与教材示例数据对照说明差异。 板书设计 第2章 CPU与CPU散热器　2.2.7 QPI总线与DMI总线 — 2.2.15 IPC 一、2.2.7 总线：QPI 管内、DMI 管外 　FSB 瓶颈：4 核分时共享带宽→拥堵→核心闲置等待 　QPI：Quick Path Interconnect；官方名 CSI；带宽＝频率×16bit×2（6.4GT/s→25.6GB/s；FSB 1600MHz→12.8GB/s） 　DMI：Direct Media Interface；南桥芯片与 CPU 之间的数据通道 二、2.2.8 接口类型：四种形态，互不兼容 　双列直插式（4004／8080／8086）｜插卡式（Slot 1／Slot A）｜插座式（应用最广泛）｜触点式（当前 Intel；LGA） 　AMD：Socket AM4 → Socket AM5（改为 LGA 1718） 三、2.2.9—2.2.10 指令集与超线程 　指令集：提高运行效率最有效的工具之一；MMX／SSE／AVX／AES-NI… 　超线程：一个核心两个逻辑处理器；共享缓存→弱于物理双核；i7-8700K 比 i5-8400 高 47%（至少 30%） 四、2.2.11—2.2.15 睿频·核显·通道数·IPC 　睿频＝外频×最大倍频（100MHz×47＝4.7GHz）；中高端支持，低端不支持 　集成显卡：共享主内存，64bit 位宽受限；HD 530／630／750／770 　PCI-E 通道数：16／24／48；内存双通道：64bit×2＝128bit，等待时间缩减 50% 　IPC：每一时钟周期执行的指令数；CPU 性能＝IPC×CPU 核心频率 教学评价 知识：能否说出 QPI 与 DMI 的分工；能否说出四类接口形态及代表平台；能否说出超线程、睿频、集成显卡、PCI-E 通道数、内存通道数与 IPC 的含义与教材取值；能否写出“睿频＝外频×最大倍频”与“CPU 性能＝IPC×CPU 核心频率”；同步练习中相关题目的正确率。 能力：能否根据接口类型判断 CPU 与主板能否配套；能否用 CPU-Z／系统信息正确读出并填写接口类型、睿频参数、PCI-E 通道数与内存通道数；九项指标横向对比表的完成质量与讨论汇报中“先说依据后说结论”的落实情况。 素养：是否养成按接口规范选配硬件的严谨习惯；实测过程中是否如实记录并主动核对差异；能否用“共享资源必然带来性能折扣”解释超线程的性能表现。 教学反思 课后记录：学生能否不看教材说出 QPI 与 DMI 各自负责的范围？四类接口中哪一类的代表平台记得最不牢？睿频计算题的正确率如何，是否还有人把睿频与主频（基准频率）混为一谈？ 实物辨认环节是否有效帮助学生理解“触点式把针脚转移到主板插座”？九项指标横向对比表中哪一项的错误最多？下一次是否需要把主板与 CPU 实物辨认提前到 2.2.8 讲授之前，先让学生自己找针脚？ 精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $