CPU的结构、功能和工作原理
1. CPU的结构
CPU（Central Processing Unit）是中央处理器的简称，又称微处理器。图1是一个典型CPU的外形图，它是目前流行的一种奔腾4（Pentium 4）处理器。从结构上看它是一种封装独特的多引脚超大规模集成电路（478个引脚）。在计算机系统中，运算器和控制器都集成在该电路之中，因而CPU是计算机重要的部件之一。
CPU的功能方框图如图2所示。由图可见，它主要由总线接口、指令输入接口、指令译码器、控制单元、指令输出和执行单元、运算单元和高速缓冲存储单元等部分构成。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与外围电路相连，电源供电、复位信号、时钟为CPU提供必要的工作条件。
CPU能对输入的指令进行识别，对输入的数据进行分析，对处理的结果进行判断，有如人的大脑，因而我们也将CPU比作计算机的“大脑”。
计算机是按照人们预先设定的程序进行工作的，需要软件和硬件的配合才能完成工作。比如要用计算机绘图，需要在计算机中装入绘图软件，这个软件的程序便被存入硬盘之中。用户可以通过操作鼠标和键盘输入绘图的指令，人工指令经接口送给CPU，CPU经过对指令的译码识别，发出控制信号，从硬盘中调出绘图程序，该程序先送入内存中，然后再一步一步地读出程序并按程序的要求运行。与此同时，CPU将绘图的过程，即执行绘图每一步的过程和操作的结果作为显示信息，经显卡送到显示器显示出来，供用户判别是否工作正常，有无错误，是否需要修改或重新制作。这个过程一直持续到绘图完成。最后绘图的结果会被存入硬盘或打印出来。
2. CPU的工作原理
CPU的工作程序存在存储器中，CPU工作时，顺次从存储器中读出程序中的指令，并按指令的要求进行工作。CPU的内部设有指令输入接口，它接收来自存储器的指令，并进行暂存，然后再顺次将指令送入指令译码单元。
CPU所能执行的指令有几百种，例如可以进行加、减、乘、除等运算指令，可以进行两个数的比较指令，从存储器中读出的指令，以及往外围设备送出的指令等。
指令译码单元解读后，将指令内容送给执行单元，执行单元便输出所要求的动作，指令输出执行单元是CPU的中枢部分，其中包含有移位寄存器、运算逻辑单元（ALU）等。
目前市场上，CPU的生产厂家主要有Intel和AMD公司，其中Intel公司的CPU占绝对优势，Intel公司的CPU又分为低端普及型赛扬（Celeron）系列、奔腾（Pentium）系列，高端用至强（Xeon）系列和笔记本移动产品（M）系列。每一系列中根据CPU的核心不同分为不同的档次，再根据其工作频率的不同，又分为不同的型号。
3. CPU的主要参数
（1）时钟频率
CPU是一种数字电路，它在工作时，其内部电路都按统一的节拍工作，这个节拍信号就是时钟，时钟频率越高CPU的工作节奏越快，速度越高。一般用每秒的周期数来表示，每秒1周期即为1Hz。
（2）主频、外频和倍频
主频就是CPU的时钟频率，即进行运算时的工作频率。例如Pentium4 2.4GHz，是指CPU的工作频率（主频）为2.4GHz。外频是指系统总线的工作频率。通常主频是将外频倍频后得到的，主频与外频之比为倍频数，时钟信号产生电路和倍频电路的关系如图3所示。
（3）高速缓存（Cache）
随着CPU的运算速度越来越快，与CPU相关的电路（如内存）的速度却较慢，这就会限制CPU的运行速度。为此CPU中设置了高速缓存电路，用来暂存来自内存的数据和指令，以供CPU调用，而不必直接从内存中读取数据，可以满足CPU高速处理的要求。
高速缓存通常分为L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache。
主板的结构功能和连接关系
1. 主板的基本结构
主板就是主机箱中的主体电子线路板，CPU、各种控制芯片、内存插座（槽）、扩展槽、各种接口，以及电源供电的稳压、滤波电路等都安装在主板上，见图4。主板是一块大的印制电路板，由于主板上元器件之间的连接关系比较复杂，通常采用多层印制电路板。
2. 主板芯片组
北桥芯片（Nouth Bridge）和南桥芯片（South Bridge）以及系统总线将CPU与相关电路连接起来构成计算机系统。如图5所示，北桥芯片是CPU与其他设备连接的桥梁，AGP、PC1、DRAM及南桥芯片都要通过不同的途径与它相连。南桥芯片主要用来与I/O设备及ISA设备相连，并负责管理中断及DMA（内存直接存取）通道。南北桥芯片共同组成南北桥芯片组。
芯片组不仅要支持CPU的工作而且要控制和协调整个计算机系统的正常运行。
3. 功能控制芯片
功能控制芯片是用于各种功能的控制电路，主要有：
（1）声卡控制芯片：用以控制声音接口、多声道输出等功能。
（2）网卡控制芯片：控制以太网的连接和控制。
（3）磁盘阵列芯片。
4. 插座（插槽）、接口
各种电路与主板是通过插头座（插槽）连接的。通常有CPU插座（插槽）、显卡插座（AGP插槽）、各种适配卡（声卡、网卡、电视卡）、DC1插槽、接口（插头座：连接键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机、数码摄录一体机等）。
CPU和主板的故障检修
CPU是主板上的核心部分，主板是计算机系统的核心部分，这些部分发生故障都会引起主机不工作。主板上的电子器件比较多，相互关联比较复杂。它工作时需要软硬件互相配合，协调动作。很多部分发生故障其症状表现都比较相同，推断故障的部位比较困难。
遇到故障时应首先观察主板上的各种插件、插头座是否良好。例如电源插头为主板供电，如果供电失常，主板和CPU都不能工作。内存条上、显卡上以及各种板卡上都有很多引脚，通过插座（插槽）与主板相连。这些插件如果接触不良，或有污物粘堵，接插件有氧化膜等，都会引起电源供电失常，信号传输不良，从而导致系统不能正常工作。
如果出现上述情况，可分别检查各插件，清除污物，清除氧化层等，这些检查是很重要的。接插件不良引起的故障，经过这种处理就可以排除。如果在检查过程中怀疑某些部分不良，可以分别进行代换处理，还可以对电源供电电压和关键电路的信号检测判别故障。
机型：映泰主板组装机（Pentium 4）
故障例1. 开机后很快死机
症状：原来工作正常，现开机后死机，不能进入工作状态
故障分析：
原来工作一直正常，现突然出现故障，表明是电脑主机部分出现了故障，应对主板及相关的部分进行仔细检查。
故障检修：
1. 开机电源指示灯点亮，风扇开始旋转，表明电源供电正常。
2. 检查显示器发现无图像显示，但有指示，接其他电脑显示正常，表明显示器无故障。
3. 检查显卡、内存和电源连接件，发现内存插件有明显锈蚀的情况，清洁污物，用细砂纸除去接插件氧化层部分，重新插好，再开机故障排除。
故障例2： 开机一段时间后死机
症状：过去工作正常，放置了两个月，再使用时开机不久便死机，关机后再开机仍然死机，不能进入工作状态。
故障分析：
这种情况，先对主机的各种接口进行检查，然后再打开机箱对主板进行检查，检查各部分之间的连接关系，再开机根据显示信息进行分析和推断。
故障检修：
开机后注意电脑的工作过程和故障提示，发现该机出现提示字符“Cmos Bettery State Low”，表明是CMOS电池供电不足引起的故障。该机采用钮扣式电池供电，更换同型号的电池后，再开机故障排除。
注意，有些主板上的电池焊接在电池夹上，更换时需要焊开，才能取下电池。还有的主板采用IC电池供电，这种情况，要选购同型号IC。
故障例3： 能开机但不能进入系统
症状：开机电源有指示，能启动，但不能进入系统。
故障分析：这种情况应根据电脑提示进行检查。
故障检修：
开机观察电脑的故障提示，电脑启动时在自检的过程中屏幕显示字符为“HARD DISK FAILURE（硬盘错误）”，表明硬盘有故障。
检查硬盘的电源供电插头和数据线插头以及主板上的硬盘接口（插头座），如图6所示。经检查，连接和供电都正常。怀疑硬盘损坏，将硬盘取下换到其他电脑上检测仍然无法通过，更换新硬盘后故障排除。
练习题（答案见下期）：
1. CPU的中文名称是（ ）
A. 中央处理器 B. 运算放大器
C. 计数分频器 D. 微处理器
2. 为了使CPU的存取过程高速化，在CPU与存储器之间需要设置高速记忆区，这个高速记忆区常被称之为（ ）
A. 内存 B. 缓冲存储器
C. 硬盘 D. 软驱
上期练习题答案：
1. C， 2. B、C、D， 3. A、B
文/韩广兴