第2章 微型计算机的组成及应用

第2章微型计算机的组成及应用2.1微型计算机概述2.2微型计算机主板介绍2.3微处理器2.4微型机系统存储器2.5微型计算机总线结构与接口2.6微型计算机常用外部设备2.7微型计算机常用软件2.1微型计算机概2.1.1微型计算机系统的层次及分类1.微型计算机系统的层次(1)微处理器(MPU):主要由运算器、控制器和寄存器组3个基本部件及通信线路构成，通常集成在一个芯片上。(2)微型计算机（MicroComputer）：是以微处理器为核心，另由存储器、输入/输出接口和系统总线组成。(3)微型计算机系统（MicroComputerSystem）：是以微型计算机为核心，再配以相关的外部设备、电源、辅助电路及控制微型计算机运行的软件而构成的完整计算机系统。2.微型计算机分类按主机、I/0接口和系统总线组成部件所在位置划分为：①单片机：组成部件集成在一个超大规模芯片上，用于控制仪器仪表等。、②单板机：各组成部件装配在一块电路板上，常用于实验控制。③多板机：各组成部件装配在多块电路板上，如台式微型计算机、便携式PC机。2.1.2微型计算机系统的配件(1)主机箱及其外部配件：从外观来看，台式微型计算机主要有主机箱、显示器、键盘和鼠标器4个配件。可以添加如打印机、音箱（耳麦）和扫描仪等。(2)主机箱内配件：主板、电源盒、硬盘、光盘驱和软盘驱动器等；主板上插接的基本配件有CPU、内存条和显示卡等。可根据需要另外扩充配件，例如，接音箱（耳麦）需要配声卡；连接网络（或上网）需要配网卡或Modem等。2.2微型计算机主板简介微型计算机硬件由系统主板、微处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口及设备组成，采用总线结构将各部件连接起来，实现与外界信息交换。2.2.1系统主板系统主板是一块连接组装其它器（部）件的母板。微型计算机通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起来，形成一套完整系统。2.2.2主板中主要部件及其作用主板上布有控制芯片组、CPU插座、BIOS芯片和内存条插槽主板上也集成了软盘接口、硬盘接口、并行接口、串行接口、USB（通用串行总线）接口、AGP（加速图形接口）总线扩展槽、PCI局部总线扩展槽、键盘和鼠标接口、多媒体和通信设备接口以及一些连接其他部件的接口等。为方便识别主板上的各种接口，PC99技术规格规范了主板设计要求，提出主板各接口必须采用颜色识别标识。CPU插座目前CPU大多采用AM2接口，拥有940个针脚，在CPU插座上有相对应的940个孔，采用ZIF（零插拔力）设计，安装方便。通过对准CPU和插座上的三角符号，将CPU放在插座上，940个阵脚将完全插入孔中，扳动插座旁的杠杆，CPU便可固定在插座上。北桥芯片（NorthBridge）是主板芯片组中的核心部件，用于协调和控制数据在CPU、内存和各部件之间的传输。北桥芯片的型号决定了主板的主要性能，如主板所支持的CPU的类型及主频、内存的类型及最大容量、AGP插槽和ECC纠错等。南桥芯片（SouthBridge）负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、时钟控制器和高级电源等管理。内存条插槽：主板的内存接口以DDR2（DoubleDataRate2）为主。DDR2内存插槽拥有240个金属引脚，工作电压1.8V。硬盘接口：•PATA(并行ATA)接口：即IDE接口，是并行ATA硬盘接口规范。PATA采用多通道传输，在数据总线中一次传输16位信号。•SATA(串行ATA)接口：是取代PATA的一种新接口。SATA接口为单数据通道，一次只传输一个比特的数据，具有更快的传输速度。CMOS电池：CMOS是一块芯片，集成在主板上，其中保存着重要的开机参数和时钟，CMOS芯片靠系统电源和后备电池供电。后备电池即主板上的纽扣电池，称为CMOS电池。在关机状态下依靠锂电池为CMOS供电，确保CMOS中的信息不丢失。CMOS跳线：使用键帽跳线，大多数是三针跳线。通常短接针1和2，表示正常使用主板CMOS，而短接2和3则表示清除CMOS内容（如系统时间、开机密码等）。AGP（AcceleratedGraphicsPort）扩展槽：专门用于图形显示卡，是在PCI总线基础上发展起来的，主要针对图形显示方面进行了优化。AGP插槽通常是棕色，随着显卡速度的提高，AGP接口已经不能满足显卡传输数据速度的要求，目前AGP显卡已经逐渐被PCIExpress接口显卡所取代。PCI（PeripheralComponentInterconnect）扩展槽：是外设组件互连标准，是Intel公司1991年提出的一种局部总线标准，目前已经成为声卡、视频卡和Modem等设备的标准接口。主板提供2～3条PCI扩展槽。PCI-Express是最新的总线和接口标准，这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。它的主要优势就是数据传输速率高，目前最高可达到10GB/s以上，而且还有相当大的发展潜力。PCIExpress也有多种规格，从PCIExpress1X到PCIExpress16X，能满足现在和将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求。能支持PCIExpress的主要是英特尔的i915和i925系列芯片组。图2.2.1主板示意图新型主板在BTX规范中，PCIExpress总线将成为耀眼的新星。在标准BTX主板的7个扩展槽中，有一个PCIExpressX16插槽、两个PCIExpressX1插槽和4个32位的PCI插槽。在BTX标准中，显卡将主要以PCIExpressX16接口为主。2.3微处理器微型计算机CPU的主导产品是Pentium4系列，工作频率有2GHz、2.4GHz、2.8GHz和3.2GHz等。数据总线根数与CPU数据位数相对应，CPU数据位数已从8位、16位、32位发展到64位。Pentium系列CPU还支持高速缓存、浮点处理和MMX（多媒体扩展技术）等先进技术。双核处理器技术已经逐步面向普通用户，双核处理器是将两个功能相同的处理器集成在一起，即将两个物理处理器整合成一个内核，其性能比单处理器增强40%左右。2.3.1微处理器及其内部结构•运算器、控制器以及寄存器组共同组成了微处理器。一般将这一结构封装在一个集成电路芯片中，通过引脚与外部电路相连。•按照功能不同，芯片引脚分成3类：地址线、数据线和控制线。将它们接入总线后，微处理器便可以控制总线上的其他部件。CPU性能技术指标⑴CPU字长：CPU内部各寄存器之间一次能够传递数据的位数，即一次处理二进制数的位数。CPU内部有一系列用于暂时存放数据或指令的存储单元，称为寄存器。寄存器之间通过内部数据总线传递数据，传递数据的速率反映了CPU的运算速度和效率。⑵位宽：CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递数据的位数。⑶CPU主频：CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。通常，主频越高，一个时钟周期内完成的指令数也越多，CPU的运算速度就越快。⑷CPU外频：CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。⑸倍频：CPU主频与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。CPU主频的计算公式为：主频=外频×倍频。当外频不变时，提高倍频，也就提高了CPU的主频。⑹CPU生产工艺：通常用单位μm（微米）描述，精度越高表示生产工艺越先进，加工出来的连线越细，在同样体积的硅材料上集成的元件越多，CPU主频越高。2.4微型机系统存储器内存是微机重要配置之一，内存容量及性能是影响微机性能的重要因素。在PentiumⅢ系列微型计算机中，内存条以使用168PinSDRAM(同步动态随机存取存储器)型为主，目前在Pentium4系列微型计算机中，多数采用DDR内存条。微型机系统存储器除第一章已讲解的RAM、ROM之外，还有CMOS、高速缓存和虚拟存储器。图2.3.1微型计算机内存储器（条）2.4.1BIOS芯片BIOS（BasicInput/OutputSystem，基本输入输出系统）全称是ROM－BIOS，是只读存储器基本输入／输出系统的简写，由一组固化的程序组成，这组程序为硬件提供最低层、最直接的控制，是一组其他软件与硬件之间的接口程序。BIOS中主要包含：⑴CMOS设置程序：为系统配置提供操作界面，允许用户设置磁盘驱动器格式及容量、系统日期和时间等参数，并将这些参数保存到CMOSRAM中。⑵自诊断程序：通过读取CMOSRAM中的硬件配置参数，对系统自检和初始化。⑶系统自举装载程序：在自检成功后将磁盘上的操作系统引导程序装入内存并运行，以便装入和运行操作系统。2.4.2CMOS“小随机存储器”，靠电池供电。用于保存系统当前配置，如系统日期和时间、硬盘格式和容量、内存容量等。这些信息既是系统启动时必读信息，也是更新硬件时要修改的信息。2.4.3高速缓存Cache为了解决CPU与内存之间速度不匹配的问题，引入高速缓存技术。高速缓存介于内存和CPU之间，是高速存取信息的芯片。它存取速度比内存快，但容量不大，主要用于存放当前使用最多的程序段和数据块，并以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和数据。2.4.4虚拟存储器•“虚拟存储技术”就是通过软件方法，将主存和一部分外存空间构成一个整体，提供一个比实际物理内存储器大得多的存储空间，称之为“虚拟存储器”。•当需执行一个程序时，操作系统先将程序调入虚拟存储器中，根据调度算法，再将实际执行到的程序代码调入物理内存。通常操作系统以“页”作为虚拟存储器的基本单位进行调度。•虚拟存储器技术有效地解决了物理内存储器不足的问题，但从外存调度“页”需要占用机器时间，实际上是用时间换取空间。2.5微型计算机总线与接口用大规模集成电路技术将运算器和控制器集成在一起，构成微型计算机的核心─微处理器，配以主存储器芯片，微处理器通过总线及接口电路连接输入和输出设备，组成微型计算机的硬件结构2.5微型计算机总线与接口总线是微型计算机内部件之间、设备之间传输信息的公用信号线。将总线信号连接到某个部件或设备的电路称为接口。2.5.1总线1.按相对CPU位置分为片内总线和片外总线,通常指的是片外总线.2.按总线层次结构分为CPU总线、系统总线和外(设)部总线。CPU总线—包括数据总线、地址总线和控制总线，从CPU引脚引出来与北桥相连；系统总线--是指主板上连接微型计算机中各大部件的总线，包括数据总线、地址总线和控制总线，；外部总线--是微型计算机和外部设备之间的总线，是一种外设接口标准。2.5.1总线基础知识微型计算机采用开放体系结构，由多个模块构成一个系统。一个模块往往就是一块电路板。为方便总线与电路板的连接，在主板上提供多个总线扩展槽与插座，任何插入扩展槽的电路板（如显示卡、声卡）均可通过总线与CPU连接，这为组合可选设备提供了极大方便。总线的主要性能指标:⑴总线位宽：总线由多条通信线路组成，每一条线路都能传输二进制信号（0或1）。将总线上同时能传输二进制数据的位数（总线中通信线路的条数）称为总线位宽。常见的总线位宽有8、16、32或64位等。⑵总线带宽：是指单位时间内总线上能传输的数据量，也称总线最大传输率，通常用字节数/秒（B/s）表示。⑶总线工作频率：是指单位时间内总线能传输数据的次数（时钟信号频率），也称总线时钟频率，通常以MHz为单位。总线带宽=总线位宽×总线工作频率÷82．总线的级别⑴内部总线：是指CPU内各部件的连线,也称为CPU总线。⑵内部扩展总线：是微型计算机内部用于扩展I/O模块的总线，利用它将主板和主板上的模块（部件或插件板）连接成微型计算机。⑶系统级总线：是多台微型计算机或微型计算机与外部设备之间的总线，也称之为外部总线。通常又分并行总线和串行总线。3．总线的分类总线按传输信息的性质可分为:⑴数据总线：CPU与内存或I/O接口之间交换数据的双向总线，通过数据总线（DB）CPU既可以从内存或输入设备读入数据，又可以将内部数据送入内存或输出设备。⑵地址总线：用于传输CPU发出的地址信息，是单向总线，即用于指