梧桐春雨
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随着人们对计算机紧凑性设计的要求越来越高,计算机的CPU芯片也在朝着高度集成的方向不断发展,由此造成其在性能方面对温度也更加敏感,其散热技术也成为了相关领域的研究 热点 。下面是我为大家推荐的 cpu 对计算机影响论文，供大家参考。
cpu对计算机影响论文 范文 一：计算机CPU论文
摘要: CPU 是计算机进行运算的核心, 主要性能指标有字长、频率、高速缓存、前端总线频率、超线程技术的应用、支持的扩展指令集等对整个计算机的性能起着至关重要的作用。在计算机的使用中常见的CPU 超频故障、计算机感染病毒使CPU 性能大幅度下降,偶伴随 死机 等现象, 逐步掌握CPU 主要性能与故障的排除技巧, 达到举一反三的效果。
关键词: CPU; 性能指标; 高速缓存; 显示器 黑屏; 故障排除
1 计算机CPU 的主要性能指标
Central Processing Unit, CPU 通常也称“微处理器”或“中央处理器”, 是计算机进行运算的核心, 在计算机系统中相当于“大脑”,主要负责计算机的数据运算和发出计算机的控制指令, 是控制计算机中其他设备运行的“总指挥”。在计算机的发展过程中, CPU 技术的发展一直是计算机技术发展的重点, 在计算机的使用中CPU 的故障排除也是一个难点, 有待我们认真地研究, 以加深对CPU的了解, 逐步掌握CPU 常见故障的排除 方法 与技巧, 配合CPU 工作, 协调CPU 的处理速度, 在使用中达到举一反三的效果。
CPU“字长”是表示运算器性能的主要技术指标:在
计算机技术中, 把CPU 在单位时间内一次处理的二进制数的位数称为“字长”。一般情况下, 把单位时间内能处理为8 位数据的CPU 叫8 位CPU。同理, 64 位的CPU 在单位时间内能处理字长为64 位的二进制数据。字长是表示运算器性能的主要技术指标,通常等于CPU 数据总线的宽度。CPU 字长越长, 运算精度越高, 信息处理速度越快, CPU 性能也就越高。
CPU 的频率与CPU 的外频和倍频的关系:CPU 的频率是指计算机运行时的工作频率, 也称为“主频”或“时钟频率”。CPU 的频率表示CPU 内部数字脉冲信号振荡的速度, 代表了CPU 的实际运算速度, 单位是Hz。CPU 的频率越高, 在一个时钟周期内所能完成的指令数也就越多, CPU 的运算速度也就越快。
倍频越高, CPU 的频率就越高,CPU 实际运行的频率与CPU 的外频和倍频有关, CPU 的实际频率=外频!倍频。外频即CPU 的基准频率, 是CPU 与主板之间同步运行的速度。外频速度越高, CPU 就可以同时接受更多来自外围设备的数据, 从而使整个系统的速度进一步提高。倍频是CPU 运行频率与系统外频之间差距的参数, 也称为“倍频系数”, 通常简称为“倍频”。在相同的外频下, 倍频越高, CPU 的频率就越高。
主频越高, CPU 的速度也就越快,当我们使用CPU 时, 通常会说到“奔腾Ⅲ 600”、“奔腾4 ”等等, 其实, 这些型号里面的数字“600”和“”就是指CPU 的主频。CPU 的主频一般以MHz 为单位, 通常所说的“奔腾Ⅲ600”中的“600”实际上就是指该CPU 的主频是600MHz。但随着CPU 主频的提高, 一般以GHz( 1GHz=1000MHz) 为单位, 如“奔腾4 ”中的 即指该CPU 的工作频率是, 即3000MHz。一般说来,一个时钟周期完成的指令数是固定的, 因此主频越高, CPU 的速度也就越快。
缓存容量越大, 性能也就越高：
缓存(Cache) 的作用是为CPU 和内存进行数据
交换时提供一个高速的数据缓冲区。当CPU 要读取数据时, 首先会在缓存中寻找, 如果找到了则直接从缓存中读取, 如果在缓存中未能找到, 那么CPU 就从主内存中读取数据。CPU 缓存一般分为L1 高速缓存和L2 高速缓存。
一级高速缓存与二级高速缓存对CPU 的性能影响L1 高速缓存也称为一级高速缓存( L1Cache) 用于暂存部分指令和数据, 以使CPU 能迅速地得到所需要的数据。L1 高速缓存与CPU 同步运行, 其缓存容量大小对CPU 的性能影响较大。__L2 高速缓存也称为二级高速缓存( L2Cache) 的容量和频率对CPU 的性能影响也较大, 其作用就是协调
CPU 的运行速度与内存存取速度之间的差异。L2 高速缓存是CPU 晶体管总数中占得最多得一部分, 由于L2 高速缓存得成本很高, 因此L2 高速缓存得容量大小一般用来作为高端和低端CPU 产品得分界标准。目前CPU 的L2 高速缓存有低至64KB 的, 也有高达4MB 的。
前端总线频率比外频更具代表性：前端总线频率是AMD 公司在推出K7CPU 时提出的概念, 一直以来很多人都误认为这个名词是外频的一个别称。其实, 通常所说的外频是指CPU 与主板的连接速度, 这个概念建立在数字脉冲信号振荡速度的基础之上, 而前端总线频率指的是数据传输的实际速度, 即每秒钟CPU 可以接收的数据传输量。例如100MHz 外频是指数字脉冲信号在每秒钟振荡1000 万次, 而1001MHz 前端总线频率则是指CPU 每秒钟可接受的数据传输量是100MHz!64bit/8bit/Byte=800MB。就处理器速度而言, 前端总线比外频更具代表性。
CPU 的制造工艺直接关系到CPU 的电气性能：
CPU 在更高的频率下工作,线路宽度越小, CPU 的功耗和发热量就越低目前Inter 公司的主流产品的制造工艺已经达到 m 级别。由于CPU 制造完成后, 是一块不到1cm2 的硅晶片( 或集成电路) , 还要对其进行封装, 并安装引脚( 或称为“针”) 后才能插到主板上、通常所说的Socket478 和Socket939 中的数值的就是指该CPU 的引脚数, CPU 的封装一般有陶瓷封装和树脂封装两种。
超线程技术的应用超线程(Hyper- Threading,HT) 是Inter 公司为Pentium4 专门设计的一项技术。超线程是一种同步多线执行技术, 一款应用超线程技术的IntelCPU 可以在逻辑上被模拟成两个任务。当计算机系统应用超线程技术后, 可使整机性能提高25%以上。
支持的扩展指令集对提高CPU 的效率具有重要作用：指令集是CPU 用来计算和控制系统的命令, 是与硬件电路相配合的一系列指令。指令集是评价CPU 性能的重要指标之一。目前指令集有Intel 公司的MMX、SSE、SSE2、SSE3 和AMD 公司的“3DNow! ”等。MMX(Multi Media Extensions,多媒体扩展)指令集由Intel 公司开发, 包括57 条多媒体指令, 通常这些指令可以同时处理多个数据, 提高CPU 处理图形、视频和音频的能力。SSE(Streaming SIMDExtensions,单指令多数据流扩展)指令集是MMX指令集的扩展, 是Intel 公司在Pentium3 处理器中开始使用的。SSE2 支持双精度浮点数的SIMD 处理, 用在64 位CPU 中。SSE3 是Intel 公司在最新的Pentium 4 Prescott 处理器中为了增强Pentium 4 CPU 在多媒体方面的性能二新增加的一组指令集合, 有助于增强Intel CPU 的超线程功能。“3DNow! ”指令集广泛
应用于AMD 公司的K6- 2,K6- 3 以及Athlon( k7) 处理器中。在软件的配合下, 可以大幅度提高3D 处理性能。“3Dnow! ”指令集是最早的三维指令集。
2 计算机使用中CPU 常见故障的排除
故障现象：一般说来, CPU 是不容易出现故障的, 但由于超频或者电压工作不稳定和CPU 的制造工艺的不同等原因, 会导致CPU 不能正常工作, 显示器突然黑屏, 重启后无效, 更严重者会烧坏CPU。(1)CPU 超频是 DIY 族最喜欢干的事情, 有的CPU 本身不具备超频能力却硬要超频, 有的CPU 超频的余量很小, 却让它超出额定频率较大的范围工作, 其结果将导致电脑工作不正常, 经常出现死机现象。因为CPU 超频使用, 而且是硬超, 有可能是超频不稳定引起的故障。如开机后用手摸一下CPU, 发现非常烫, 则故障就可能在此。解决的方法是: 用户可以找到CPU 的外频与倍频跳线, 逐步降频后, 启动电源, 系统恢复正常, 显示器也就有了显示。也有可能是过度超频之后, 电脑启动时可能出现散热风扇转动正常, 但硬盘指示灯只亮了一下便没有反应了, 显示器也维持待机状态的故障。由于此时不能进入 BIOS 设置选项, 因此只能给CPU 降频。具体方法是打开机箱并在主板上找到给CMOS 放电的跳线, 给CMOS放电后重启系统即可。值得注意的是内存大小、硬盘速度、显卡速度,
特别是CPU 的性能指标, 对整个计算机的性能无不起着至关重要的作用, 因此盲目追求CPU 一级高速缓存与二级高速缓存、前端总线频率的高速并不可取。(2) 电压不正常导致CPU 烧坏。常见的故障现象是开机后黑屏, 只听到CPU 风扇在转动, 没有开机自检。解决方法: 根据故障现象可以排除电源的故障, 开机后风扇在转动, 说明计算机是通电的。但是不能自检, 也就不能听到“滴”的一声响, 此时怀疑是主板或CPU 的故障, 初步判断后, 采用替换法进行确认。首先找一台同等配置的好的计算机, 把此台计算机的CPU 拆下, 换到有故障的计算机上, 开机后如果能启动并正常进入系统, 说明该台计算机的故障就是CPU 有问题, 仔细查看CPU,发现针角处有发黑的地方, 说明是由于电压不稳定导致CPU 被烧坏。
计算机感染病毒, CPU 性能大幅度下降, 偶伴随死
机现象：(1)该故障原因可能是感染了病毒, 或磁盘碎片过多或CPU 温度过高。解决方法是首先可以使用杀毒软件查杀病毒, 然后使用Windows 附带的“磁盘碎片整理”程序进行整理。如果还不能解决问题, 则打开机箱, 查看CPU 散热器的风扇通电后是否转动, 如果不转动, 则更换新散热器即可。(2)蠕虫病毒发作使CPU 占用率为何高达100%。故障现象: 即开机使用一段时间后, 硬盘指示灯不停地闪, 同时
系统运行速度变得非常慢, “任务管理器”窗口中显示CPU 地占用率100%。只有重新启动才能继续使用。但过一段时间后又是如此。从故障描述可知, 计算机系统感染了某种蠕虫病毒。在正常情况下, 在不运行大型的程序时, CPU 在瞬间的占用率不可能为100%。而蠕虫病毒发作的时候就会将剩余的系统资源占满。这时, 用户可以在“任务管理器”窗口中查看哪个程序占用的CPU 资源最多, 如果是一个陌生的程序, 建议用户使用杀毒软件( 最好使用最新的杀毒库) 对系统进行彻底的检查。如果还无法解决该问题,最好重新安装 操作系统 , 并且安装病毒防火墙。这样, 能彻底解决问题。
CPU 风扇不转导致计算机死机：故障现象: 一台计
算机开机进入系统后不久就死机, 重新启动计算机后故障依旧。解决方法: 打开机箱, 查看机箱内各设备的运行情况, 发现CPU 风扇转动的很慢, 处于似转非转的状态, 由此想到造成重启的原因可能是由于CPU 风扇不能正常运转而导致CPU 无法散热, 从而使CPU 温度急剧上升, 最后出现死机。因为是突然黑屏, 可能是硬件有松动而引起接触不良。可打开机箱把硬件重新插一遍后开机, 有可能是显卡有问题, 因为从显示器的指示灯来判断无信号输出, 使用“替换法”检查, 显卡没问题, 那么此时有可能是显示器有故障,
使用“替换法”再检查, 同样没有发现问题, 接着检查CPU, 发现CPU 的针脚有点发黑和绿斑, 这是生锈的迹象。看来问题就在此处, 因为制冷片有结露的现象, 一定是制冷片的表面温度过低而结露, 导致CPU 长期处于潮湿的环境中, 日积月累, 就会产生太多锈斑, 造成接触不良, 从而发生此故障。找到问题的所在点后, 要拆掉CPU 风扇, 给风扇添加润滑油并清理风扇上的灰尘, 再重新安装CPU 风扇。开机后CPU 风扇转动正常, 死机现象也就消除了。还可以取出CPU, 用橡皮仔细地把每一个针脚都擦一遍, 然后把散热片上的制冷片取下, 清洁干净, 最后装好CPU 和制冷片开机, 即可正常启动。
计算机由于各种原因总会出现一些故障。特别当遇到CPU 常见故障时, 我们应该对CPU 的主要性能指标有充分的了解, 分析故障原因, 掌握常用的排除方法与技巧, 避免CPU 故障造成计算机黑屏、死机等麻烦。
参考文献:
[1] 熊巧玲,吕良燕,高明伟.电脑组装与维护技能实训
[M].北京:科学出版社,2007.
[2] 谭贤.电脑组装、维护与故障排除[M].北京:机械工业出版社,2007.
[3] 网冠科技编著.电脑急救、备份还原、BIOS、注册表设计[M].北京:机械工业出版社,2007.
[4] 张景生.台式计算机使用与维修[M].北京:国防工业出版社,2007.[5] __功、修红海.计算机组装与维护[M].北京:中华工商联合出版社,2007.
cpu对计算机影响论文范文二：计算机组成原理——CPU 论文
摘 要 CPU是计算机进行运算的核心,其重要性相当于人体的大脑，起着至关重要的作用。CPU的主要性能指标有字长、频率、高速缓存、前端总线频率、超线程技术的应用、支持的扩展指令集等等，对整个计算机的性能起着至关重要的作用。要从了解CPU的发展历程，运行原理以及故障排除等多方面了解CPU，从而达到对CPU的全面认识。
关健词 CPU 历史 工作原理 故障排除
The priciple of the Computer Compoment--CPU
Wu Min
Abstract CPU is the core of computer operations, its importance is equivalent to the human brain, plays a vital role in.
The main properties of CPU index word length, frequency, cache, FSB, hyper threading technology, support the instruction set extensions on the whole computer plays an important role in the performance. To understand the development history of CPU, operation principle and troubleshooting to know more about CPU, to achieve a comprehensive understanding of CPU.
Keywords CPU，History, Working priciple , Troubleshooting
引言
CPU是Central Processing Unit(中央微 处理器)的缩写，又称为微处理器。随着网络时代的到来，网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越普及，而CPU正是所有这些信息产品中必不可少的部件，CPU主要由运算器和控制器组成，是微型计算机硬件系统中的核心部件，起着控制整个微型计算机系统的作用。
CPU性能的高低通常决定了一台计算机的档次。
世界上生产CPU芯片主要有Intel和AMD两家公司。Intel公司生产的CPU始终占有相当大的市场。目前，Intel公司生产的CPU主要有赛扬系列、奔腾系列、酷睿系列等。AMD公司的CPU占有相当的市场份额。AMD公司生产的CPU主要有闪龙系列、速龙系列等。
协调工作，决定了计算机的整体性能。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。寄存器组用于在指令执行过后存放操作数和中间数据，由运算器完成指令所规定的运算及操作。
CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代，只经过了不到二十年的时间。
1971 Intel 4004，世界上第一款微处理器 1974 Intel 8008，第一个8位的微处理器; 1974 Intel 8080，第一个真正的微处理器; 1978 Intel 8086，16位微处理器; Intel 80186; 1982 Intel 80286;
1985 Intel 80386，新一代32位核心微处理器; 1989 Intel 80486; 1993 Pentium(奔腾);
从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管;CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，8088是，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。
1 CPU的简介和历史发展
CPU的外部组成：控制单元，存储单元(寄存器，缓存)，逻辑运算单元。
CPU的外部组成：芯片，金属壳(保护CPU，增加散热面积)，引脚(固定CPU，连通电路)。
CPU是计算机的核心部件，处理计算机中的所有数据，使计算机完成各种功能，并使各部件
CPU从最初发展至今期间，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64位微处理器，基本上可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。
1971年世界第一台微处理器Inter的4004出现，内部集成2300个晶体管;1978年Inter16位处理器8086和与之配合的数学协处理器8087同时推出;1979年Inter8088推出，内含27000个晶体管，外部数据总线减少为8位，也首次运用于IBM PC中，预示微机时代即将来临.1982年Inter又推出了16位的80286，内部晶体管万个，时频由最初的6MHZ升为20MHZ;1985年32位处理器80386推出，时频达到以上;1989年集成120万晶体管的80486出现，时频90MHZ，性能比386提高了4倍;1993年奔腾时代来临，奔腾1，世界上第一台586级处理器，310万晶体管，时频200MHZ;1996年奔腾Pro，550万晶体管，处理速度是一代的2倍;同时第一次采用2级内存，同年奔腾MMX推出，L1缓存加倍;1997年，奔腾Pro与MMX结合，奔腾2出现，性能大大提高;1998年奔腾3出现，一级缓存2KB，二级缓存512KB，安全性能大大提高;2000年奔腾4推出，主频超过.之后又出了双核，四核...Inter处理器的发展就代表了CPU的发展，其中不乏其他公司产品，如AMD等
2 CPU的运行原理及过程
CPU的运行原理
CPU的主要运作原理，不论其外观，都是执行储存于被称为程序里的一系列指令。在此讨论的是遵循普遍的冯·诺伊曼结构(von Neumann architecture)设计的装置。程序以一系列数字储存在计算机存储器中。差不多所有的冯·诺伊曼CPU 的运作原理可分为四个阶段： 提取、解码、执行和写回。
第一阶段,提取,从程序存储器中检索指令(为数值或一系列数值)。由程序计数器指定程序存储器的位置，程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。提取指令之后,PC根据指令式长度增加存储器单元[iwordlength]。指令的提取常常必须从相对较慢的存储器查找,导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的高速缓存和管线化架构。
CPU根据从存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段,指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构(ISA)定义将数值解译为指令[isa]。一部分的指令数值为运算码,其指示要进行哪些运算。 其它 的数值通常供给指令必要的信息,诸如一个加法运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值(即立即值),或是一个空间的寻址值:暂存器或存储器地址,以寻址模式决定。在旧的设计中,CPU里的指令解码部分是无法改变的硬体装置。不过在众多抽象且复杂的CPU和ISA中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU 中往往可以重写，方便变更解码指令。
在提取和解码阶段之后，接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算 的CPU部件。例如要求一个加法运算，算术逻辑单元将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而且在输出将含有总和结果。ALU内含电路系统，以于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算(比如加法和位运算)。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里，溢出标志可能会被设置。
最终阶段，写回。以一定格式将执行阶段的
结果简单的写回。运算结果极常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速访问。在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主存。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果数据。这些一般称作“跳转”并在程序中带来循环行为、条件性执行(透过条件跳转)和函数[jumps]。许多指令也会改变标志暂存器的状态位。这些标志可用来影响程序行为,缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值的大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可借由随后的跳转指令来决定程序动向。
在执行指令并写回结果数据之后，程序计数器的值会递增，反复整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令地址，且程序继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC管线”，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及(常称为单片机)。
CPU 数字表示方法是一个设计上的选择,这个选择影响了设备的工作方式。一些早期的数字计算机内部使用电气模型来表示通用的十进制(基于10 进位)数位系统数字。还有一些罕见的计算机使用三进制表示数字。几乎所有的现代的CPU 使用二进制系统来表示数字，这样数字可以用具有两个值的物理量来表示，例如高低电平[binaryvoltage]等等。
与数表示相关的是一个CPU可以表示的数的大小和精度，在二进制CPU 情形下，一个位(bit)指的是CPU处理的数中的一个有意义的位，CPU用来表示数的位数量常常被称作“字长”, “位宽”, “数据通路宽度”或者当严格地涉及到整数(与此相对的是浮点数)时称作“整数精度”、该数量因体系结构而异，且常常在完全相同的CPU的不同部件中也有所不同。 实际上，整数精度在CPU可执行的软件所能利用的整数取值范围上设置了硬件限制。整数精度也可影响到CPU可寻址(寻址)的内存数量。譬如，如果二进制的CPU使用32位来表示内存地址，而每一个内存地址代表一个八位组，CPU 可定位的容量便是232个位组或4GB。以上是简单描述的CPU地址空间，通常实际的CPU 设计使用更为复杂的寻址方法，例如为了以同样的整数精度寻址更多的内存而使用分页技术。
2更高的整数精度需要更多线路以支持更多的数字位，也因此结构更复杂、更巨大、更花 费能源，也通常更昂贵。因此尽管市面上有许多更高精准度的CPU如 16、32、64甚至128位，但依然可见应用软件执行在4或8位的单片机上。越简单的单片机通常较便宜，花费较少能源，也因此产生较少热量。这些都是设计电子设备的主要考量。
CPU的运行过程
数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。 假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间。
参考文献：
《电子计算机组成原理》 蒋本珊 北京理工大学
《计算机组成原理》第二版，唐朔飞 编著，高等 教育 出版社，
《计算机导玉龙论》作者：王 电子工业出版社 《计算机科学导论》作者：王志强 机械工业出版社 《微型计算机原理与应用》肖金立 编著，电子工业出版社，2003-1
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【大比特导读】5G时代的来临，对信号、电力传输提出了“高速、高效”等要求，这对连接器的材质、性能、设计等都提出了挑战，近日在慕尼黑会展举办的连接器创新论坛上，了解了中航光电、博威合金、KMD等连接器行业专家有关5G时代连接器的机遇以及挑战的见解。 连接器作为电子链路中不可或缺的一个器件，是慕尼黑上海站的重点展示版块之一，吸引了诸如中航光电、广濑电机、住友电工、罗森伯格等国内外强劲的连接器龙头企业。5G时代的来临，对信号、电力传输提出了“高速、高效”等要求，这对连接器的材质、性能、设计等都提出了挑战，近日在慕尼黑会展举办的连接器创新论坛上，了解了中航光电、博威合金、KMD等连接器行业专家有关5G时代连接器的机遇以及挑战的见解。 博威合金：智慧材料持续为客户创造价值 博威合金是国内领先的材料行业的先进制造企业，是我国有色合金新材料国家和行业标准主要制定单位，目前拥有的专利有185+，制定的国家标准有17+。论坛上博威合金带来的主题是：智慧材料·为客户持续创造价值，分享了有关连接器材料的选材问题。 连接器的功能就是在电路中充当桥梁，实现电号、信号的低损耗连接，但连接器本身的接触电阻显著高于其连接的两部分，是整个链路中相对比较薄弱的部分。这是目前连接器发展的一个“瓶颈”。 5G应用具有“大电流、大电压”的特点，目前的连接器，相当于让电力信号从“快车道”聚集在“过路口”，对传输速度形成了阻碍，为改变这种情况，需要在设计连接器时考虑非常多的因素，博威合金从选材的角度对此进行了分析。 博威合金认为选材优先考虑导电性、导热性。材料的导电性越高，连接器的接触电阻会更小、温升会更低，而材料的导热率越高，连接器的传输热量能力更好、温升更低。 其次选材要考虑材料的力学性能，连接器需要考虑的力学性能包括屈服强度以及弹性模量，这些因素会影响连接器的保持力。保持力太大会影响连接器的可分离特征，此外插拔会导致连接器额外的磨损;保持力太小又会使得连接器的接触电阻增大，降低其可靠性。 最后还要考虑选材的耐热性能、耐腐蚀性能、焊接性能、材料成本、加工成型成本等，根据连接器的使用环境尽可能的增大其连接可靠性以及寿命，需要从材料的众多性能中寻找平衡点。 博威合金提到目前大多数的连接器材料都是使用铜合金，因为铜的导电性和导热性以及可获得性、成本等都非常好，但强度较差，所以使用铜合金。但实际上我们目前所采用的诸如青铜、白铜、黄铜的导电率和强度都不能兼得。 应对5G应用的发展，连接器材料必然要满足高强度和高导电性能，为此博威合金在不断地研发覆盖高导电、高强度以及兼顾导电和强度的平衡态合金。博威合金目前推出的解决方案有铜铬锆合金boway18150、boway18160、boway18400;铜镍硅合金boway70250、boway70260、boway19010、boway19005;碲铜合金PW14500等，具有更优良的强度、导电性能以及耐高温性能，适用于于 汽车 、5G通信的高速背板连接器等行业。 KMD：确保5G时代的稳定高效连接 KMD(凯美龙)是专注于提供连接器板带材料的全球化公司，是通信连接器材料的国际供应商，客户包括华为、安费诺、莫仕、SCI等大企业。KMD带来的主题是如何确保5G时代的稳定高效连接?分享了5G时代带来连接器变化以及制造新要求。 5G时代是一个高速互连、万物相连的时代，相比4G时代具有了新的特征：高频高速和高稳定性;大数据的存储和传输;传输方式上的多端输入输出等。其中大数据的高速稳定存储和传输成为5G时代越来越关键的技术挑战，这要求连接器拥有更高的导电性和强度，以保证稳定的连接。此外微型号的连接器正在成为时代趋势。 5G时代个人智能消费终端数量以及数据量正在双增长。根据思科等咨询机构的预测，未来的5-10年，数据量将以每年20%的速度递增，其中个人消费终端产生的数据量正逐渐上升，预测其在2030年将达到总数据量的53%。这意味着在未来诸如智能手机、平板电脑、智能穿戴以及VR/AR设备等消费终端产品将得到极大的发展，同时对数据的传输和储存提出了更高的要求。据预测2017-2022年，个人智能终端设备的增长量达到10%，而数据增长量将达到30%。 同时全球大数据高速处理中心的蓬勃发展将成为必然趋势，预测从2016-2024年大数据中心市场规模将以每年的复合增长率增长，而其中亚太新兴市场2016-2022年将以24%的比例快速增长，成为全球增长较快的区域。 面对数据的快速增长，应该如何实现连接器稳定、高速、可靠的传输?KMD从材料的角度进行解答。KMD指出具有高导电、高导热的性能铜合金是最合适的连接器材料，而5G 时代对铜合金带材提出了新要求：高强度/低延伸率/高韧性/较高的导电率;优秀的冲压性能及表面质量;合适插入力。 KDM以新型的连接器端子鱼眼端子为例，因其不需要焊接同时可以保持稳定连接而广泛应用于通讯连接器领域，但是对原材料的设计、制造工艺提出了更高的要求：1. 由于要求长时间保持正压力、接触稳定因此需要高于700MPa的屈服强度并同时具有极好的抗应力松弛水平(≥80%，120°C/1000h);2.由于在制造过程中需要先将厚度打薄到后再成型，因此需要较高的折弯性能(韧性)(R/T=2,180°);3. 数据传输速度要求更高，因此导电率需要从之前40%IACS提高至45-60%IACS;4. 由于端子小型化，因此未来成型方向可能平行于铜带轧制方向，因此对于材料各向同性要求越来越高。 综合上述，新合金材料要具有更高的强度、韧性以及导电性能特点，同时对于表面要求提出了低粗糙系数/高硬度/低电阻/长久稳定性等特殊要求。KMD带来的解决方案包括高强高导高韧的C7025合金裸带材料及有特殊性能的Sn13(热锡)和Sn28M(SnAg)镀层。 中航光电：高速互联技术发展研讨 中航光电是我国连接器的龙头企业，“国家认定企业技术中心”，产品广泛用于航空航天、军用电子、新能源 汽车 、通信与数据中心、轨道交通等。中航光电带来的主题是高速互联技术发展研讨，分享高速互联的发展趋势以及高速连接器的设计工艺。 根据IT信息咨询公司IDC的预测，2020年全球的数据总量将达到35ZB(1ZB=109TB=1012GB=1015MB)，预计2025年将达到173ZB。而高速连接器的需求将以每年20%以上的速度增长。 高速连接器以往都是被国际连接器巨头企业所垄断，国内2000年开始接触，2010年才真正起步。随着5G通信技术的发展，高速连接器在我国重大工程中使用的比例逐渐提高，比如量子通信和量子计算机、云计算、国家网络空间安全、5G/北斗导航。 5G相对3/4G来说，传输速率以及传输量提升10倍不止，在5G架构的支持下，未来车联网、物联网、自动驾驶等成为可能。各个技术领域跟随5G的步伐均在往高速化方向发展，原来的高速互联产品已经承受不起如此大的数据量传输。 中航光电将“高速互联”比作“高速公路”，高速公路为提升车流量做出的改变是增加车道数、提升单车行驶速度。类比到高速互联产品，3G-5G的发展就是一个增加通道数的过程，5G基站的布站数是3G的1000倍，4G的10倍;其次5G的数据信号的传输速度更快，单个信号电平承载数据量更多。 高速连接器的突破是5G持续发展的基础，中航光电指出目前已经实现单通道25Gpbs 链路，但也遇到了瓶颈：25Gpbs以上的背板面临着链路损耗增大、散热难以及成本高等问题。25Gpb往上发展需要使用更先进高端的板材，材料成本以及加工成本均比较高，同时25Gpb背板散热采用背板打孔的方法，而超过25Gpbs的背板散热将更难。 论坛上中航光电带来了三个解决方案： 一、传统背板向正交背板发展 即减少中间的背板，两主板间进行互联。优点：正交架构大大缩减了业务板卡与交换矩阵板卡之间的高速信号传输距离(减少了一块背板的距离)，进而链路传输的衰减会减少，为高速信号稳定传输提供了硬件架构基础。 二、传统的背板向线缆背板转变： 即用高速线缆替代背板。优点：线缆本身的制造工艺非常成熟、高速线缆本身的损耗比PCB少很多、高速线缆可实现短距离的互联通信，因此这将是一种极具成本效益的高效互联解决方案。缺点：线缆的加工效率低，焊接的效率要远低于抗压效率。 三、传统的背板转向正交线缆背板方案。 中航光电在上述三个方案都有布局开发56/112Gpbs，其认为第三个方案将是未来的主流。中航光电目前拥有的56Gpbs的高速连接产品有GF5高速背板连接器、GF5Z高速夹层自对插连接器、BGA高速夹层自对插连接器等。正在预研的112Gpbs高速连接产品有GF6系列高速背板连接器、GF6系列高速正交(OD)连接器等。 总结 随着新基建的加速落地，5G赋能各行各业，未来世界必定是智能化、数据化、 科技 化的，每天将产生海量的数据，需要通过连接器进行稳定又高速的传输，这对连接器的材质、性能、整个设计制造过程都提出了挑战。因此连接器产业链上的企业要跟随5G步伐，提前对连接器未来走向进行预测和布局，同时还要意识到未来的产品是以个性化为主的，无论是材料产商或是连接器产商都需要进行数字化的转型，智能化地与客户进行协同合作，从连接器的生产商逐步转变为应用方案的解决商，提供更优质的产品。
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随着科学技术向生产力逐步转化，机电一体化产品的设计已经涉及到机械、电气和控制等众多领域。单领域、分散建模的设计方法已经很难满足产品综合设计的要求。通过对机电一体化技术与虚拟原型技术的深入研究并且将虚拟原型技术引入到机电一体化产品设计，得到基于虚拟原型的机电一体化设计技术，以满足机电产品多领域交互设计的需求。本文基于SolidWorks和LabVIEW软件研究了虚拟原型机电一体化设计技术，以LabVIEW集成的相关模块为纽带将SolidWorks和LabVIEW紧密联系，构建基于SolidWorks-LabVIEW的机电一体化产品的综合设计环境。其次，以直线一级倒立摆为例研究了机电一体化虚拟原型的数学建模、机械建模、电气建模、控制建模以及基于LabVIEW的控制算法的设计与仿真。最后，研究了基于虚拟原型机电一体化的仿真设计方法，包括机械、电气和控制等领域的仿真设计以及在基础上的综合仿真设计。将原来以LabVIEW集成的NISoftMotionforSolidWorks模块为桥梁的SolidWorks-LabVIEW联合设计方法进一步改进，使虚拟原型能够完成复杂系统的控制设计并且显著提高实时性和可视性。实例仿真实验表明，基于虚拟原型机电一体化产品设计方法能够有效解决传统设计方法遇到复杂控制算法、实时性以及可视性等瓶颈问题，缩短研制周期，节约开发成本，为机电一体化产品设计提供了全新的技术。[1]刘凯.一级倒立摆系统设计与LQR最优控制仿真[J].工业仪表与自动化装置.2012(03)[2]韩亚军.基于线性二次最优LQR的直线倒立摆控制系统研究分析[J].电气传动自动化.2012(03)[3]陈海霞,刘霞.虚拟样机技术在数控机床设计中的应用[J].机械制造与自动化.2011(03)[4]叶立永,卢方.机电一体化技术的应用[J].中国新技术新产品.2010(16)[5]易杰,俞斌.倒立摆系统的状态空间极点配置控制设计[J].电子测试.2008(08)[6]张浩,冯长建.基于Solidworks软件的虚拟样机技术及其应用[J].煤矿机械.2004(09)[7]姜士湖,闫相桢.虚拟样机技术及其在国内的应用前景[J].机械.2003(02)[8]李瑞涛,方湄,张文明.虚拟样机技术的概念及应用[J].机电一体化.2000(05)
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这个呢》机电一体化技术及其应用研究摘 要 讨论了机电一体化技术对于改变整个机械制造业面貌所起的重要作用，并说明其在钢铁工业中的应用以及发展趋势。 关键词 机电一体化 技术 应用1 机电一体化技术发展 机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 智能化 即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 网络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。 人性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 微型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 带源化 是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 绿色化 科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。2 机电一体化技术在钢铁企业中应用 在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面： 智能化控制技术(IC) 由于钢铁工业具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经网络等，智能控制技术广泛应用于钢铁企业的产品设计、生产、控制、设备与产品质量诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢---连铸---轧钢综合调度系统、冷连轧等。 分布式控制系统(DCS) 分布式控制系统采用一台中央计算机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的发展，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。DCS具有特点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。DCS是监视集中控制分散，故障影响面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。 开放式控制系统(OCS) 开放控制系统(Open Control System)是目前计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。 计算机集成制造系统(CIMS) 钢铁企业的CIMS是将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应现代钢铁生产的要求。未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的经济效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在20世纪80年代已广泛实现CIMS化。 现场总线技术(FBT) 现场总线技术(Fied Bus Technology)是连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术(如4～20mA，DC直流传输)就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致DCS的变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化PLC(Programmable Logic Controller)和现场就地控制站等的发展。 交流传动技术 传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。参考文献1 杨自厚． 人工智能技术及其在钢铁工业中的应用[J]．冶金自动化，1994（5）2 唐立新.钢铁工业CIMS特点和体系结构的研究[J]．冶金自动化，1996（4） 3 唐怀斌． 工业控制的进展与趋势 [J]．自动化与仪器仪表，1996（4） 4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中国科学技术大学出版社，1996 5 林行辛． 钢铁工业自动化的进展与展望[J]．河北冶金，1998（1）6 殷际英． 光机电一体化实用技术[M]．北京：化学工业出版社，20037 芮延年． 机电一体化系统设计[M]． 北京：机械工业出版社，2004．
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