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CPU的内部构造是什么样的?

发布时间:2019-03-29 10:19

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  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。

  至于CPU内核的内部结构,就更为复杂了,CPU的基本运算操作有三种:读取数据、对数据进行处理、然后把数据写回到存储器上。对于由最简单的信息构成的数据,CPU只需要四个部分来实现它对数据的操作:指令、指令指示器、寄存器、算术逻辑单元,此外,CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元等。

  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。

  最后,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CPU的质量。

  设计制作好的CPU硅片将通过几次严格的测试,若合格就会送至封装厂切割、划分成用于单个CPU的硅模并置入到封装中。封装不但是给CPU穿上外衣,更是它的保护神,否则CPU的核心就不能与空气隔离和避免尘埃的侵害。此外,良好的封装设计还能有助于CPU芯片散热,并很好的让CPU与主板连接,因此封装技术本身就是高科技产品的组成部分。

  CPU的封装也是一种不断发展与更新的技术。目前最常见的是PGA(Pin-Grid Array,针栅阵列)封装,通常这种封装是正方形的,或者是长方形的,在CPU的边缘周围均匀的分布着三、四排甚至更多排的引脚,引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔,从而实现与主板的连接。随着CPU总线带度的增加(参阅后面的内容)、功能的增强,CPU的引脚数目也在不断地增多,同时对散热和各种电气特性的要求也更高,这就演化出了SPGA(Staggered Pin-Grid Array,交错针栅阵列),PPGA(Plastic Pin-Grid Array,塑料针栅阵列)等封装方式。

  奔腾ⅢCoppermine(铜矿) CPU,以及AMD公司的部分产品采用了一种独特的FC-PGA(Flip Chip Pin-Grid Array,反转芯片针栅阵列)封装技术,把以往倒挂在封装基片下的核心翻转180度,稳坐于封装基片之上,这样可以缩短连线、PU和主板连接方式

  CPU和主板连接的接口,主要有两类有,一类是卡式接口,称为SLOT,卡式接口的CPU像我们经常用的各种扩展卡,例如显卡、声卡、网卡等,是竖立插到主板上的,当然主板上必须有对应SLOT插槽。另一类是针脚式接口,称为Socket,Socket接口的CPU有数百个针脚(因为针脚数目不同而称为Socket 478、Socket 462、Socket 423等),一一对应插在主板CPU插座的针孔上。CPU的接口和主板插座必须完全吻合,例如SLOT 1接口的CPU只能连在具备SLOT 1插槽的主板上,Socket 478接口的CPU只能连在具备Socket 478插座的主板上,也曾经出现过配备了两种插座的主板,例如精英双子星主板,就同时具备了SLOT 1插槽和Socket 370插座,但目前这类主板已经很少了.

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