《PC机的主机》PPT课件.ppt

2.3PC机的主机,2.3.1主板、芯片组与BIOS2.3.2内存储器2.3.3I/O总线和I/O接口,台式PC的物理组成,台式机,台式PC机(立式)的主机箱,2.3.1主板、芯片组与BIOS,1、主板(母板),主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件,例：华硕P5Q主板,主板(母板)上主要部件,CPU插座芯片组内存储器插座(SIMM或DIMM)总线插槽BIOSROM芯片、CMOS芯片、时钟、电池等主板的标准化:ATX、BTX,2.芯片组（Chipset）,芯片组作用：主板上各部件的控制枢纽集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。不同的cpu，需要不同的芯片组；芯片组决定主板内存容量，速度，内存条类型。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。,芯片组的作用,芯片组的作用,芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽北桥芯片：1.存储器控制功能；2.连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽南桥芯片：1.多种I/O设备的控制功能；2.I/O总线(PCI总线)功能；3.提供了各种I/O接口,关于芯片组的一些说明,芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能芯片组产品：Intel芯片(如X48、P43、P45和G41、G43、G45、B43、Q43、Q45；ICH7、ICH8、ICH9和ICH10等）VIA（威盛，中国台湾）nVIDIA（美国）AMD（美国）,(3)BIOS,什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序功能：诊断计算机故障启动计算机工作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)BIOS芯片保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片,BIOS芯片中包含的程序,加电自检程序程序（POST）(PowerOnSelfTest)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态CMOS设置程序设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等常用外部设备的驱动程序（Driver）实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制,关于CMOS芯片,这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息存储信息：（1）系统日期和时间。（2）主板芯片组相关的配置信息。（3）主板上安装的内存的容量和类型。（4）系统中安装的显示适配器的类型。（5）系统中安装的软盘驱动器和硬盘的类型、参数和数目。（6）其他与系统操作相关的配置信息。,BIOS与CMOS的区别,BIOS中存放的是系统设置程序，CMOSRAM中存放的是这个程序所设置的数据；BIOS是主板上一块EPROM或EEPROM芯片，CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，靠后备电池供电，即使系统掉电后信息也不会丢失。因此我们说：“通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置。”如何进入CMOS设置程序？何时需设置？,PC机组装好之后第一次加电系统增加、减少或更换硬件或I/O设备CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改用户希望更改或设置系统的口令系统因某种需要而调整某些设置参数,在启动过程中，若按下Del键(或F2、F8)，进入CMOS设置程序，允许用户修改系统硬件的部分配置信息。一般来说，在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统进行设置：,练习1：,PC机中的系统配置信息如硬盘的参数、当前时间、日期等，均保存在主板上使用电池供电的_存储器中。A、FlashB、ROMC、MOSD、CMOS,D,练习2：,在下列关于BIOS及CMOS存储器的叙述中，错误的是：BIOS是PC机软件最基础的部分，包含POST程序、CMOS设置程序、系统自举程序等BIOS存放在ROM存储器中，通常称为BIOS芯片，该存储器是非易失的C.CMOS中存放着基本输入输出设备的驱动程序和一些硬件参数，如硬盘的数目、类型等D.CMOS存储器失易失性的，在关机时由主板上的电池供电,C,2.3.2内存储器,一、概述,1、存储器的分类：计算机中的存储器分为内存和外存两类；内存：存取速度快而容量小，与CPU直接相连，用来临时存放等待CPU运行的程序和处理的数据；外存：存取速度较慢而容量大，不与CPU直接连接。,复习：内存与外存的关系及比较,内存储器(简称内存或主存)存取速度快成本高、容量相对较小直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据,CPU,逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理,外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢成本低、容量很大不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息,2、计算机中存储器的层次结构,分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAMcache,内存储器由半导体集成电路组成，按是否能进行随机读写，可分为：(1)RAM(RandomAccessMemory随机存取存储器)：多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成。易失性，类型有：DRAM：动态RAM；特点：每个存储单元由1个电容和1个晶体管组成，每10-100ms必须刷新一次，对电器干扰比较敏感，比SRAM慢，但便宜，用做一般主存。SRAM：静态RAM；特点：每个存储单元(cell)由6个晶体管组成，只要加上电源，信息就能一直保持，对电器干扰相对不很敏感，比DRAM更快，也更贵。用做cache,3、内存储器的分类,特点:（断电后，信息保留）非易失性.类型有：MaskROM（掩膜ROM）:一次形成，不可修改；PROM（ProgrammableROM），EPROM（ErasableProgrammableROM）：初始状态为空白，由用户用专用装置写入（后者可以重复写入）FlashROM（快擦除ROM，或闪速存储器）：闪存。用于BIOS，U盘，DC(数码相机)中,(2)ROM（ReadOnlyMemory只读存储器）,半导体存储器的类型及其在PC机中的应用,半导体存储器,只读存储器ROM,随机存取存储器RAM,静态随机存储器SRAM,动态随机存储器DRAM,掩膜ROM（MaskROM）,可编程ROM（PROM）,可擦除PROM（EPROM）,快擦除存储器（FlashROM）,（高速缓冲存储器）,（主存储器）,（BIOS存储器）,不可在线改写,1、组成：由多个DRAM芯片搭建而成，包含有大量的存储单元，每个单元一个Byte，每个单元一个编号(地址)，程序和数据都存放在存储器的存储单元中。,二、主存储器（一般指RAM）,用8位二进制数最多可编多少个地址码？16位？32位？64位？,2、容量：B-KB-MB-GB-TB容量为64KB的内存储器，如果从0开始编址，则可编址的最大地址号若用16进制表示为？3、存取时间：读/写一个单元数据的时间，级别：ns（10-9s）,SDRAM(同步DRAM):与CPU总线使用同一个时钟频率；DDRSDRAM(双倍数据数率SDRAM):利用存储器总线时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟内实现两次数据传送；DDR2:除与DDR一样利用时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟内实现两次数据传送，还拥有两倍于DDR的预读取数据的能力。DDR3:八倍数据数率。（参看阅读材料2.3）,4、主流DRAM产品,5、PC机主存储器的物理结构,主存储器由若干内存条组成内存条的组成：把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用,目前流行的是DDR2和DDR3内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面DDR2和DDR3均有240个引脚，但不可互换使用PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽,在下列四种PC机主存储器类型中，目前常用的是：,AEDODRAMBSDRAMCRDRAMDDDRSDRAM,练习题1：,练习题2:,根据存储器芯片的功能及物理特性，目前用做优盘存储器芯片的是：A、SRAMB、flashROMC、EPROMD、SDRAM,B,存储器与CPU速度差距愈来愈大,DRAM,硬盘与CPU之间的速度差距愈来愈大：,问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差12个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待,什么是cache(高速缓存)？（补充）,cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,8,9,14,3,4,4,4,10,10,10,主存中的部分信息拷贝在cache存储器中,Cache存储器,主存储器,Cache的工作原理：程序局部性,程序局部性的表现：空间局部性：当前访问的某个数据(或指令)，其邻近范围的数据(或指令)可能很快也会被访问(程序在一段时间内所访问的数据或指令集中在一小部分地址空间中)时间局部性：当前访问的某个数据(或指令)可能很快又会再次被访问,Cache的操作过程,命中率H是CPU需要的指令或数据在cache中能直接找到的概率，通常在95以上,如何提高cache的命中率？,增大cache容量采用多级cache技术(2级或3级等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中时，采用有效的算法将读入的内容替换cache中暂时不使用的内容编译器优化目标程序程序员写出cache-friendly的程序,Cache在CPU中,Cache的演变过程,存储,控制器,CPU,主存储器,DRAM,Cache,存储,控制器,CPU,主存储器,DRAM,存储,控制器,主存储器,DRAM,CPU,Cache,存储,控制器,主存储器,DRAM,CPU,Cache,Cache,Pentium4,（80386无cache）,Cache,存储,控制器,主存储器,DRAM,CPU,Cache,增加L2,有cache,1,2,3,4,Pentium4的cache存储器,Pentium4中有3个cache存储器，分成两级：一级cache数据缓存（L1数据cache），8KB指令缓存，8KB二级缓存（L2cache），容量为256KB2MB,练习题1,Cache中的数据是_中部分内容的映射。A、硬盘B、软盘C、主存D、外存,C,下面关于内存储器的叙述中，错误的是：A当前正在执行的指令和数据都必须存放在内存储器中，否则CPU就不能进行处理。B内存速度快而容量相对较小，外存则速度较慢而容量相对很大。C内存储器和外存储器是统一编址的，字节是存储器的基本编址单位。DCache存储器也是内存储器的一部分。,C,练习题2,小结：计算机存储器的层次结构,分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAMcache,2.3.3I/O总线与I/O接口,I/O操作I/O控制器I/O总线I/O设备接口,输入的任务：将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域输出的任务：将内存储器指定区域的内容送出到输出设备I/O操作也包括将外存储器的内容传输到内存，或将内存中的内容传输到外存储器,1、I/O操作,I/O操作的特点,多数I/O设备在操作过程中包含机械动作，其工作速度比CPU慢得多。为了提高系统的效率，I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的；多个I/O设备必须能同时进行工作；除了键盘、显示器、鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增减和更新；I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机的连接也各不相同；,I/O控制器,考虑到上述情况和要求，每个（类）I/O设备都有各自专用的控制器（I/O控制器)，它们的任务是接受CPU启动I/O操作的命令后，独立地控制I/O设备的操作，直到I/O操作完成。I/O控制器：一组电子线路，不同设备的I/O控制器结构与功能不同，复杂程度相差也很大。有些设备的I/O控制器比较简单，集成在主板的芯片组内：如键盘、鼠标器等；有些设备的I/O控制器比较复杂，就制作成扩充卡（适配卡或控制卡），插在主板的PCI总线扩充槽内。随着芯片组电路集成度的提高，越来越多的I/O控制器已经包含在芯片组内。,总线的定义：用来连接CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线，并由此而得名。总线的特点：（1）共享；（2）高速,关于总线,总线的性能：数据通路宽度总线工作频率总线的类型,总线的控制中心:芯片组,总线的类型,是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线，物理上与主板上扩充插槽中的各扩充板卡（I/O控制器）直接连接。,2、I/O总线（主板总线）,I/O总线上的信号类别数据信号、地址信号、控制信号I/O总线上线路类别数据线（DB）、地址线(AB)、控制线(CB)总线控制器位于主板的芯片组中，协调与管理I/O总线操作,I/O总线的带宽（总线的数据传输速率）单位时间内总线上可传送的数据量(字节数)计算公式：总线带宽（MB/s）=（数据线宽度/8）总线工作频率（MHz）每个总线周期的传输次数,Pentium4,CPU前端总线(64b,400/533MHz),MCH（北桥）,AGP8X/4X图形卡接口,双通道,ICH5(南桥）,USB2.0接口(x8),以太网接口,PCI2.2插槽(6个),(3.24.3GB/s),(2.1GB/s),FlashBIOS,UltraATA/100硬盘接口(x2),(100MB/s),音频Codec,(133MB/s),(2.12.7GB/s),(2.12.7GB/s),(32b,66MHz8),(8b,66MHz4),(267MB/s),(32b,33MHz),(10或100Mb/s),SuperI/O,键盘,鼠标软驱,并口串口等,电话Modem,千兆以太网接口,电源管理、时钟生成,I/O总线的标准(补充）,目前PC机使用的I/O总线,PCI总线PCI-Express(高速PCI总线),背景：什么是PCI-E？,由英特尔提出，原名为“3GIO”，改名为“PCI-Express”（PCI-E或PCIe）。目标是全面取代现行的PCI和AGP，实现总线接口的统一采用高速串行传输，以点对点的方式与主机进行通信,背景：PCI-E的优点,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适应性好：有多种规格，包括x1、x4、x8及x16。,PCI总线扩展槽,PCI和PCI-E扩充卡插槽,各种I/O插口,三、I/O设备接口,大多数I/O设备都是一个独立的物理实体，它们并不包含在PC机的主机箱里。因此，I/O设备与主机之间必须通过连接器（也叫接插件或插头/插座）实现互连。主机上用于连接I/O设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电气特性，统称为I/O设备接口，简称I/O接口。为了连接不同的设备，PC机有多种不同的I/O接口，它们不仅外观形状不同，而且电气特性及通信规程也各不相同。,I/O设备接口的分类,从数据传输方式来分：串行（一次只传输1位）并行（8位或者16位、32位一起进行传输）从数据传输速率来分：高速低速从是否能连接多个设备来分：总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）独占式（只能连接1个设备）从是否符合标准来分：标准接口（通用接口）专用接口（专用接口）,不同的设备对应不同的接口,常用的I/O接口及其性能参数(p56),串行端口,并行端口,台式PC机箱背板照片,关于USB接口,通用串行总线式接口（UniversalSerialBus）高速、可连接多个设备、串行传输传输速率：USB的1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：最高达480Mb/s（60MB/s）USB3.0版：最高达3.2Gbps（400MB/s）USB2.0使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug50MB100MB/S此连接器6线(电源,地,2对传输线)接口以级联方式连接外设,一个接口可接63个设备目前应用于便携机发展方向:USB与1394不仅代替传统的IO接口,也正代替SCSI（smallcomputersysyteminterface）接口,小结：I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系