第2章22.4微型计算机硬件系统

1、1 第二章第二章 计算机基础知识计算机基础知识 2.1 计算机系统概述计算机系统概述 2.2 计算机硬件系统和工作原理计算机硬件系统和工作原理 2.3 计算机软件系统计算机软件系统 2.4 微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成 同济大学同济大学 2 2 2.4 微型计算机硬件系统 微型计算机的诞生微型计算机的诞生 1971年年Intel的工程师马西安的工程师马西安霍夫霍夫(M.E.Hoff)成功地成功地 在在一个芯片一个芯片上实现了中央处理器：上实现了中央处理器： 第一片第一片4位微处理器位微处理器 Intel 4004， 第一台第一台4位微型计算机位微型计算机 MCS-4， 同济大学同济大学

2、 3 3 2. 摩尔定律摩尔定律 每每18个月，集成度将翻一翻，个月，集成度将翻一翻， 速度将提高一倍，速度将提高一倍， 而其价格将降低一半而其价格将降低一半 微处理器的发展微处理器的发展标志着标志着微型计算机的发展。速度是微型计算机的发展。速度是 非常快的非常快的 如今这一翻番的周期已缩短为如今这一翻番的周期已缩短为12个月甚至更短。个月甚至更短。 同济大学同济大学 4 4 摩尔定律 晶晶 体体 管管 数数 目目 4004奔腾奔腾 2,300 42,000,000 32 年年 P4 3,500,000 晶晶 体体 管管 数数 10K 100K 1M 10M 100M 1975 1980198

3、5199519902000 单单 位位 时时 间间 执执 行行 的的 指指 令令 数数 百万条百万条/每秒每秒 0.1 1 10 25 500 4004 Pentium 每每2 2年芯片能力增长一倍年芯片能力增长一倍 8080 8088 8286 8386 8486 2000年的年的 微处理器微处理器 同济大学同济大学 5 5 主机系统 主机的基本组成主机的基本组成 主板主板 CPU 存储器：内存、外存存储器：内存、外存 主机 网 卡 显卡 声 卡 显示器 扫描仪打印机光驱 网络 话筒 音响 MIDI 鼠标、键盘 同济大学同济大学 6 6 1. 主板主板 注：集成了声卡、网卡、IEEE 139

4、4卡 没有集成显卡 背板上没有串行口和IEEE 1394接口 但是主板上有引脚 主板（Main Board）也叫母板（Mother Board） 同济大学同济大学 7 7 同济大学同济大学 8 8 同济大学同济大学 9 9 COM口：口： COM口即串行通讯端口。口即串行通讯端口。 微机上的微机上的com口通常是口通常是9针，也有针，也有25针的接口，最大针的接口，最大 速率速率115200bps。 通常用于通常用于连接鼠标（串口）及通讯设备（如连接外置连接鼠标（串口）及通讯设备（如连接外置 式式MODEM)等。等。 一般主板外部只有一个一般主板外部只有一个COM口，机箱后面和并口一起口，机箱

5、后面和并口一起 的那个九孔输出端（梯形），就是的那个九孔输出端（梯形），就是COM1口，口，COM2 口一般要从主板上插针引出。口一般要从主板上插针引出。 同济大学同济大学 1010 标准的标准的1394接口接口： IEEE-1394被应用在众多的领域，包括被应用在众多的领域，包括数码摄像机、数码摄像机、 高速外接硬盘、打印机和扫描仪高速外接硬盘、打印机和扫描仪等多种设备。等多种设备。 标准的标准的1394接口接口可以同时传送数字视频信号以及数可以同时传送数字视频信号以及数 字音频信号字音频信号，相对于模拟视频接口，相对于模拟视频接口，1394技术在采技术在采 集和回录过程中没有任何信号的损失

6、，正是由于这个集和回录过程中没有任何信号的损失，正是由于这个 优势，优势，1394卡更多地是被人们当做卡更多地是被人们当做视频采集卡视频采集卡来使来使 用，它的其他功能反而被忽视了。用，它的其他功能反而被忽视了。 同济大学同济大学 1111 各种指标及相互关系 最重要的是前端总线频率和外频 频率越高则性能越好 芯片组： CPU是大脑，芯片组是心脏 由南桥，北桥组成 主板架构 板载功能 主板总线图 就是将某一些接口卡的 功能集成到主板上。 最常见的就是集成声卡 和网卡的功能。 Intel 875芯片组芯片组 主频外频倍频 同济大学同济大学 1212 芯片组 是主板的核心，决定了主板的功能和档次，

7、由北桥和 南桥芯片组成。 北桥芯片（Memory Control Hub，MCH） 负责与CPU的联系，决定主板支持的CPU的类型、内存的类型等。 位置：CPU和内存插槽最近 北桥芯片决定了主板的性能，人们常用北桥芯片的代号来称呼主板， 如使用Intel 915北桥芯片的主板称为915主板。 南桥芯片（I/O Control Hub，ICH） 负责与I/O总线的通信，如PCI总线、USB、IDE、SATA等，以及负责管 理音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。 位置：离CPU插槽较远的下方 同济大学同济大学 1313 主板架构 主板架构主板架构 概念：是对主板的尺寸大小、形状

8、、各元器件的布局、排列方式等制定概念：是对主板的尺寸大小、形状、各元器件的布局、排列方式等制定 出标准，所有主板厂商都必须遵循。出标准，所有主板厂商都必须遵循。 主要解决散热、噪声等主要解决散热、噪声等 常见架构常见架构 ATX:ATX:最常见的主板架构最常见的主板架构 , ,扩展插槽较多，数量在扩展插槽较多，数量在4-64-6个个 Micro ATX:Micro ATX:常说的常说的“小板小板”，扩展插槽较少，扩展插槽较少 ，用于品牌机并配备小型机，用于品牌机并配备小型机 箱箱 BTX:BTX:新一代主板结构，是将来的发展趋势新一代主板结构，是将来的发展趋势 ATX BTX 同济大学同济大学

9、 1414 主频、外频和前端总线频率关系 主频：CPU的时钟频率，一般是主频越高，运算速度也就越快。实 际上CPU的运算速度受许多因素的影响，例如高速缓存的大小，主 频高的不一定比主频低的运算速度快。例如：1GHzItanium的运算 速度与2.66GHzXeon差不多。 外频：系统的时钟频率，系统总线的工作频率，CPU与外围设备传 输数据的频率，CPU到芯片组之间的总线速度。 倍频：主频是外频的倍数。 主频外频倍频系数 前端总线（FSB）频率：（新引入的） 前端总线：CPU和北桥芯片之间的总线，CPU和外界交换数据的唯 一通道 前端总线频率：Intel CPU，FSB能在一个时钟周期内传输数

10、据4次， 所以FSB频率=外频*4；AMD CPU，FSB能在一个时钟周期内传输数 据两次，所以FSB频率=外频*2. 前端总线数据传输速率前端总线频率前端总线数据宽度（64 位）8 CPU主要性能指标主要性能指标 同济大学同济大学 1515 字长和位数 通常，CPU位数=CPU的字长=通用寄存器位数 作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制 数称为一个“字”。 高速缓冲存储器容量 同济大学同济大学 1616 核心数量 通过提高CPU主频来提高计算机运算能力，在早期 主频比较低的时候还可行。 随着频率越高，耗电 越多，热量越大，问题越多。 多核心可以在较低主频，提高性能。 制造工艺（越小越

11、好） CPU内电路与电路之间的距离，单位是微米和纳米。 1纳米 =10-9米 现在先进的是65，45和32纳米 制造工艺越小，CPU的体积就越小，集成度不断提高，功耗 降低，性能得到提高，故制造工艺越小越好。 同济大学同济大学 1717 主流主流CPUCPU产品产品 Intel产品系列 2006.7 1993 奔腾 同济大学同济大学 1818 赛扬 现今微处理器现今微处理器 低价位个人电脑低价位个人电脑, ,使用相同的核心技术，但二级缓存减少使用相同的核心技术，但二级缓存减少 为奔腾的一半或更少。为奔腾的一半或更少。 同济大学同济大学 1919 2005 酷睿 同济大学同济大学 2020 现今

12、微处理器现今微处理器 6464位位CPU,CPU,速度最快，用于服务器和工作站速度最快，用于服务器和工作站 至强安腾 同济大学同济大学 2121 AMD产品系列 龙芯1号 龙芯2号 龙芯2号E 国产龙芯系列 速龙 炫龙 羿龙 同济大学同济大学 2222 存储器 内存 随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器 (Cache) 外存 磁介质:软盘和硬盘 光盘:CD,DVD Flash存储器 内存储器（主存储器）: 速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。 外存储器（辅助存储器）: 速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。 CPU RAM 外存外存 数据访问数据访问 同

13、济大学同济大学 2323 RAM的发展 SDRAM(SDRAM(同步动态存储器同步动态存储器) ) DDR(DDR(双倍数据速率双倍数据速率SDRAM)SDRAM) DDR2DDR2 DDR3DDR3 一个总线时钟周期一个总线时钟周期 读写一次数据读写一次数据 一个总线时钟周期一个总线时钟周期 读写两次数据读写两次数据, , 2 2倍倍 一个总线时钟周期一个总线时钟周期 读写两次数据读写两次数据 并行存取两个数据并行存取两个数据, , 4 4倍倍 一个总线时钟周期一个总线时钟周期 读写两次数据读写两次数据 并行存取四个数据并行存取四个数据, 8, 8倍倍 同济大学同济大学 2424 ROM 只

14、读存储器：可读，不可写；掉电后数据不会丢失只读存储器：可读，不可写；掉电后数据不会丢失 BIOS(Basic Input Output System)BIOS(Basic Input Output System)即基本输入输出即基本输入输出 系统。是被固化到主板系统。是被固化到主板ROMROM芯片上的程序。芯片上的程序。 BIOSBIOS主要功能主要功能: : 识别各种硬件识别各种硬件( (包括型号包括型号) ) 引导操作系统：引导操作系统： 自检。检查电脑硬件是否良好。自检。检查电脑硬件是否良好。 初始化，读取初始化，读取CMOSCMOS里设置的参数里设置的参数, ,对硬件进行对硬件进行 设

15、置。设置。 引导操作系统。引导操作系统。 进行硬件最直接的操作，如读文件等。进行硬件最直接的操作，如读文件等。 开机 自检 执行ROM中的启动程序 加载操作系统 执行操作系统 同济大学同济大学 2525 Cache（高速缓存） CPU的速度很快而内存速度较慢，怎么办？ Cache与内存数据交换是以块（页）为单位的。CPU首先从Cache中查 找 ，如果没有找到，再从内存中读取，同时把这个数据所在的数据块 调入Cache中。 Cache视频 Cache，它集成在CPU内部，高速，容量小。 一级缓存L1 Cache，容量小,基本在基本在 4KB 到到 64KB 之间之间。 二级缓存L2 Cache

16、 ，容量稍大, 有256KB、512KB、1MB、2MB 等等 一级缓存容量，各产品之间相差不大，一级缓存容量，各产品之间相差不大，而二级缓存容量，则是提高而二级缓存容量，则是提高 CPU 性能的关键性能的关键。例如赛扬和奔腾系列。例如赛扬和奔腾系列 Cache一般由DRAM(静态存储器)构成。 CPU内存Cache 同济大学同济大学 2626 外存储器 大容量大容量、能长期保存数据，价格便宜能长期保存数据，价格便宜。 外存外存 磁盘磁盘: :软盘和硬盘软盘和硬盘 光盘：光盘：CD,DVDCD,DVD FlashFlash存储器：存储器：U U盘和各种盘和各种FlashFlash卡卡 同济大学

17、同济大学 2727 软盘(Floppy Disk)Floppy Disk) 微机使用的软盘直径为微机使用的软盘直径为3.53.5英寸，称为英寸，称为3 3寸盘，容寸盘，容 量为量为1.44MB1.44MB。 容量计算方法：容量计算方法：P43P43 软盘容量小、单位容量成本高、速度慢且可靠性软盘容量小、单位容量成本高、速度慢且可靠性 差。已被差。已被U U盘替代。盘替代。 同济大学同济大学 2828 硬盘 Hard Disk, 微机中最主要的辅存，容量大。 盘片：一个硬盘有多个盘片，每盘片有上下两个面， 都可以保存数据,每个面都有一个磁头，用于读写 数据。 磁道：盘片上不同半径的同心圆为磁道。

18、 柱面：不同盘片相同磁道构成的圆柱面即柱面 。 扇区：一个磁道被划分为多个扇区。 存储容量磁头数磁道（柱面）数扇区数每扇 区字节数(512B)。 存储容量盘片数2(面数)磁道（柱面）数扇区 数每扇区字节数(512B)。 信息记录可表示为：几号磁头，几号磁道（柱面）， 几号扇区。 柱面柱面 扇区扇区 磁道磁道 同济大学同济大学 2929 难点：硬盘接口 （1）IDE接口是一种并行接口 连接IDE硬盘 连接CD或DVD驱动器 （2）SATA接口是一种串行接口 SATA 1.0 数据传输率达到150MBps SATA 2.0 数据传输率达到300MBps SATA 3.0 数据传输率达到600MBp

19、s 硬盘接口 同济大学同济大学 3030 硬盘种类 笔记本硬盘的直径一般仅为2.5英寸和1.8英寸。 移动硬盘笔记本硬盘读写控制电路板 外部接口。外部接口主要有USB2.0和 IEEE1394。 USB 2.0 速度可达480Mbps IEEE 1394 速度目前可达400Mbps 微型硬盘一般为1英寸以下的硬盘。主要用 于数码产品中，如数码摄像机。 固态硬盘（solid-state disk，SSD）是运 用Flash芯片发展出最新的硬盘。不怕 摔，能适应极端温度或湿度，适合工业 或军事用途。价格非常高 。 IEEE 1394接口接口DV就是数字电影（Digitalvideo）， AV是音频

20、(audio)视频(video)的简称 同济大学同济大学 3232 光盘 CD的容量一般为680M , DVD的容量为4.7G50G，采用更细的激光束，具有更高的磁道密度。 光驱的数据读取速率用倍速来表示， CD光驱的1倍速是150KB/s, DVD光驱的1倍速是1350KB/s CD最高为64倍速,DVD为20倍速。 光驱光驱： CD-ROM光驱：只能读取CD光盘。 DVD-ROM光驱：可以读取CD 和DVD光盘 COMBO光驱：“康宝” 是一种集合了CD、 DVD的读取和CD的刻录。 DVD刻录光驱：包括了CD、 DVD的读取和 CD、 DVD的刻录。 同济大学同济大学 3333 总线是各

21、部件（或设备）之间传输数据的公用通道总线是各部件（或设备）之间传输数据的公用通道 共享总线带宽共享总线带宽 如：如：USB总线、总线、PCI总线总线 看书：看书：p47 独享总线带宽独享总线带宽 如：如：AGP总线、总线、PCI-e总线总线 总线总线 南桥 芯片 设备1 设备3 设备2 总线 同济大学同济大学 3434 总线分类 地址总线地址总线: :传输地址信息传输地址信息 数据总线数据总线: :传输数据信息传输数据信息 控制总线控制总线: :传输控制信息传输控制信息 内部总线内部总线：连接：连接CPU的各个组成部件（芯片内部）的各个组成部件（芯片内部） 系统总线：连接计算机中各大部件系统总

22、线：连接计算机中各大部件 外部总线：连接计算机和外部设备外部总线：连接计算机和外部设备 连连 接接 对对 象象 传传 输输 内内 容容 并行总线并行总线: :通信速度快、实时性好通信速度快、实时性好 串行总线串行总线: :简易、方便、灵活简易、方便、灵活 通通 信信 方方 式式 同济大学同济大学 3535 总线 衡量总线的指标就是总线带宽衡量总线的指标就是总线带宽, ,指单位时间内总线上传送的数指单位时间内总线上传送的数 据量，反映了总线数据传输速率。据量，反映了总线数据传输速率。 总线带宽总线带宽 = = 总线频率总线频率 总线位数总线位数 传输次数传输次数/8/8 总线频率：以总线频率：以

23、Hz（赫兹）为基本单位（赫兹）为基本单位, 1Hz就是每秒完成一个周期，就是每秒完成一个周期， 也可理解成也可理解成1b/s，即每秒传输，即每秒传输1位。位。 总线位数：总线位数：总线能够同时传送的二进制数据的位数，例如总线能够同时传送的二进制数据的位数，例如32位总线、位总线、64 位总线。位总线。 传输次数：传输次数：是指每个时钟周期内的数据传输次数。一般为是指每个时钟周期内的数据传输次数。一般为1 同济大学同济大学 3636 微机系统总线 常见的总线有：常见的总线有： ISA PCI PCI-E AGP 同济大学同济大学 3737 ISA ISA总线是一种并行总线，主要用于早期的微型计算

24、 机中，目前已被LPC总线所代替,用于主板南桥芯片与 BIOS的通信。 同济大学同济大学 3838 PCI PCI是一种32位数据的并行总线（可扩展为64位） 总线频率为33MHz或66MHz，则 最大传输速率（总线带宽）66M641/8532MB/s。 优点是结构简单、成本低、设计容易。 缺点是总线带宽有限（总线频率有限），同时多个设备是共享总带宽。 同济大学同济大学 3939 PCI-E 是一种串行总线，是替代PCI的最新的总线。 有多个通道（Lane），各个通道相互独立，即PCI-E的x1、 x2、x4、x8、x12、x16和x32等。每个通道单向传输带宽 可达250MB/s，双向为50

25、0MB/s。 优点是数据传输速率高，而且带宽是各个设备独享的。 PCI-E x1取代传统的PCI，而PCI-E x16取代AGP。 同济大学同济大学 4040 AGP AGP（Accelerated Graphics Port，图形加速端口) 是显卡的专用扩展插槽，在PCI基础上发展而来的。 AGP接口也有多个通道的版本，AGP 1x和AGP 2x, AGP 4x, AGP 8x。在微机中应用的主要是AGP 4x，它的数 据传输带宽有1066MB/s。 同济大学同济大学 4141 将来：串行总线肯定会逐渐取代并行总线将来：串行总线肯定会逐渐取代并行总线 原因：并行总线高频率的条件下容易出错：原

26、因：并行总线高频率的条件下容易出错：p47 串行总线：串行总线：RS232、PS/2、USB、SATA等等 串行总线和并行总线串行总线和并行总线 速度速度 同济大学同济大学 4242 各种接口各种接口 USB接口：接口： USB 1.1 最高传输速率可达最高传输速率可达12Mbps 很少见到很少见到 USB 2.0 传输速率可达传输速率可达480Mbps 普遍普遍 IEEE 1394：支持的设备有：支持的设备有DV、移动硬盘、音响设备、移动硬盘、音响设备 可以达到可以达到400Mbps， 将来会将来会800Mbps，1Gbps，1.6Gbps PS/2接口接口 串行口串行口 并行口并行口 接口

27、接口 同济大学同济大学 4343 同济大学同济大学 4444 基本输入和输出设备基本输入和输出设备 键盘、鼠标、触摸屏、显示器、打印机键盘、鼠标、触摸屏、显示器、打印机 新型数码设备新型数码设备 数码相机、数码摄像机、摄像头、投影仪数码相机、数码摄像机、摄像头、投影仪 其它应用广泛的设备：其它应用广泛的设备： 磁卡、磁卡、IC卡、射频卡等许多卡片的读写设备卡、射频卡等许多卡片的读写设备 条形码扫描器条形码扫描器 指纹识别器等指纹识别器等 输入和输出设备输入和输出设备 同济大学同济大学 4545 连接连接 基本输入设备基本输入设备 PS/2（紫色）口（紫色）口 键盘键盘 USB口口 “蓝牙蓝牙”

28、技术技术 无线键盘无线键盘 输入和输出设备输入和输出设备 同济大学同济大学 4646 PS/2（绿色）口（绿色）口 鼠标鼠标 USB口口 “蓝牙蓝牙”技术技术 无线鼠标无线鼠标 连接连接 鼠标鼠标 机械式的机械式的 光电式的光电式的: 光电鼠标更精确、更耐用、更容易维护光电鼠标更精确、更耐用、更容易维护 触摸板触摸板 轨迹球轨迹球 （笔记本电脑）（笔记本电脑） 控制鼠标指针：控制鼠标指针：轨迹球（轨迹球（TrackPoint）、）、 触摸板（触摸板（TouchPad） 触摸屏触摸屏 输入和输出设备输入和输出设备 同济大学同济大学 4747 基本输出设备基本输出设备 CRT： 性能价格比高，技术成熟性能价格比高，技术成熟 分类分类 LCD： 将取代将取代CRT 分辨率：分辨率： 像素的数量像素的数量 如如1024768、12801024 指标指标 颜色质量：颜色质量： 每一个像素占用的位数，真彩色是每一个像素占用的位数